我们的日常生活，三维空间就足够了，用长、宽、高就能够描述事物所处的维度。可是如果用三维空间理论去解释宇宙，那么就显得不太够了。历史上也曾经有过“第四空间”的骗局，之后人们认为多维空间就是伪科学，可是近现代科学家们发现，多维空间确实能够解决很多物理问题，尤其是宇宙科学。

多维空间的由来

万有引力，电磁力，还有核力当中的弱力与强力，这四种力貌似互不相干，描述它们各自的物理规律，万有引力描述我们日常所看到的重力以及宇宙当中星体的引力等，电磁力则是我们第二次工业革命的基础，现在所用的所有家用电器，都源自于这个理论。弱力解释中子的衰变，强力则表示夸克之间的力，它们是量子领域当中普遍的规律。

这让物理学家非常苦恼，难道我们生活的不是同一个物理世界吗？为何自然规律还呈现出多种形态呢？在大部分物理科学家看来，描述世界的底层规律就像爱因斯坦的质能方程：E=mc²，简洁而又优美。

所以科学家们相信肯定有那么一个公式，能够把这四种力结合在一起。如果我们在多维空间当中描述这些自然规律，那么一些就变得和谐而又优美，在这种背景下，多维空间的超空间理论就这样诞生了。

还拿爱因斯坦的狭义相对论来说，如果把我们的世界理解为三维的，很难理解他的理论，但是如果我们把世界描绘为四维，也就是说时间不再是一个恒定的，而是变化的、可更改的，那么他的理论就容易理解了。

这就好比我们站在更高维度去理解这个世界，在三国时期，人们认为东风是诸葛亮借过来的，可是如果我们了解到气压的概念，就知道受到气压的影响，如果我们通过卫星，还能够观察到云层。这就是不同视角所带来的改变，在三维世界当中看似纷繁复杂的物理现象，在多维空间当中，就比较简单。

以前在三维空间当中描述电磁现象的麦克斯韦方程组，要写密密麻麻的8个方程组，才能描述清楚这个方程，可是如果我们放在四维空间当中，增加时间这个维度，就形成了麦克斯韦方程组的相对论形式，这个方程就表现得非常简单、简洁。

之后人们利用四维空间的概念，去从新定义引力，这就是广义相对论的由来。在广义相对论当中，引力的本质就是四维空间的弯曲。当这个理论被提出之后，超越了人类的想象力，就好像你回到三国，说天气是由气压引起的一样，不但周瑜理解不了，诸葛亮自己也理解不了。

后来有位叫卡鲁查的数学家，他在四维空间的基础上又引入了第五维空间，居然能够把爱因斯坦的引力场理论，和麦克斯韦的电磁场理论融合了，也就是在五维空间当中，引力和电磁力结合在了一起。

但是在卡鲁查的五维空间当中，没有办法把核力当中的弱力与强力统一起来，但是这让物理学家们看到了希望。人们只需要在三维空间当中增加两维空间，人类就可以实现统一四种基本力的两种。那么再增加几个时空维度，是不是就能够实现四种力的统一呢？这就是多维空间研究的由来。

多维空间的弦理论

20世纪30年代，由于量子力学的兴起，人们逐渐把注意力转向了量子领域，多维空间理论的研究陷入了停滞。

在量子领域当中，认为我们的宇宙是由各种粒子组成的。比如电磁力就是电子之间，把光子这种粒子扔来扔去，核力当中的强力是玻色子这种粒子扔来扔去，而弱力则是W和Z玻色的扔来扔去。

到了20世纪80年代，量子理论几乎主宰了整个物理学界，人们利用量子物理当中的标准模型去解释物理学当中的四种基本力。

但是到了20世纪60年代，人们发现量子领域的研究陷入了瓶颈，人们在原子对撞机当中发现了越来越多的粒子，这些海量数据虽然证明了量子理论的正确性，但是物理学又陷入了纷繁复杂的混乱当中。

在标准模型当中，人们认为最基本的夸克是36种，但是不同的夸克又可以组成不同的粒子，标准模型中就已经有了6种轻子、12种杨-米尔斯场和至少19个需要人为确定的常数，这些让标准模型理论异常复杂。

在物理学家看来，这些模型和爱因斯坦的质能方程相比，太缺乏美感。更为重要的是，在标准模型当中，无法描述引力，对于引力的解释还需要依靠广义相对论。人们无法将量子理论和广义相对论相互统一起来，也就是说这个所谓的标准模型，一点也不标准。

此时被物理学家们遗忘的多维空间理论，又重新被拾起。多维空间理论被认为是一种精妙的表现形式，有希望成为量子理论之后，能实现大一统的理论，之后被人们称之为十维超弦理论，简称为弦理论。

在弦理论当中，组成宇宙的不再是粒子，而是弦。弦理论认为，如果我们把粒子再放大一万亿倍，你可能发现这些粒子不是一个点，而是一条正在振动的弦。和我们吉他、二胡等弦乐器上的弦一样，我们手指摁动弦的不同位置，能发出不同的振动频率，这也就产生了不同粒子。所以理论上来讲，只要弦振动不同，可以产生难以想象的粒子。

弦理论真正的魅力是它把广义相对论和量子理论完美的融合在一起。因为根据弦理论，一根弦如果想要在时空当中完成复杂的运动，就需要遵循时空当中的限制条件。物理学家们在计算这些限制条件的时候，弦理论居然可以直接导出爱因斯坦方程。

也就是说物理学界应该先有弦理论，然后才会有爱因斯坦的相对论。这就好比应该先有1234这些数字，才有1+2,1+3这种数学公式。而爱因斯坦像从高年级过来的学生，先有了数学公式，然后再研究这些数字。物理学当中的广义相对论只是弦理论的一个派生理论。

科学家们通过计算发现，弦理论必须在一个特定的维数当中运动，也就是十维空间当中运动。

十维空间

在弦理论当中，宇宙必须是十维的，可是我们普通人所能感受到的空间只有四维，空间三维再加上时间，那剩下的6个维度去哪儿找呢？物理学家认为，剩下的6个维度，被卷曲到一个很小的尺度里，所以我们人类无法观测到。

空口无凭，那如何验证呢？弦理论并不是不可被验证的，只是目前检验手段超出了我们人类的科技水平。比如我们对于宇宙大爆炸理论的验证，我们可以通过观察其他星系的造父变星，这是一个有规律膨胀与收缩的恒星，只要观察它，我们就能够观察到这个恒星与地球的距离。

然后再通过多普勒效应，能够测算出这些造父变星离开我们的速度。多普勒效应也非常简单，如果我们观察水滴落入平静的湖面，不同的水滴会产生不同的波，离我们越远的水滴，它的波长就越长，离我们越近，波长就越短，宇宙当中光其实也是一种波，因此我们就可以测算出宇宙膨胀的速度。有了速度与距离，我们测算出宇宙大爆炸的范围与时间了。

你看这就是科学，通过已有的科学方式去验证那些不可测量的数据。弦理论也是一样，虽然不能观察到十维空间，但是不能否定这个理论的价值。考虑到科学的发展速度，总有一天我们能够通过空间探测器或者宇宙线计数器等各种手段，间接探测到第十维时空的存在。

那么弦理论还可以解决哪些物理问题呢？我们现在都认可了宇宙大爆炸理论，可是宇宙为什么会爆炸呢？现有的相对论还有量子理论，都无法解释。根据广义相对论，宇宙诞生于一个奇点，这个奇点体积无限小，能量无限大，而且时空无限弯曲。但是量子力学认为，这样一个体积极小，能量极大的空间，如何避免量子效应呢？

弦理论认为，宇宙大爆炸是十维宇宙撕裂的过程，十维宇宙裂解成四维宇宙和六维宇宙。原始宇宙温度极高，能量极高，此时宇宙当中的引力、电磁力，弱力和强力都融为一体，相对论和量子理论在这里没有分别。

但是这个十维宇宙又不稳定，它会裂成四维宇宙和六维宇宙，这个分裂的过程就是宇宙大爆炸。在这个不到一毫秒的时间里，四维宇宙会不断膨胀，而六维宇宙不但坍缩，坍缩到一个极小的尺度，所以我们无法观察到它。

结束语

科学家们之所以对量子力学，狭义相对论，麦克斯韦电磁理论产生怀疑，因为他们都相信宇宙的物理世界底层规律是简洁的，统一的，那些看上去复杂的自然规律，肯定要走向统一。当我们在多维空间当中进行表述的时候，这些规律似乎都找到统一的路径，于是多维空间的弦理论就诞生了。

十维超弦理论不仅能解释粒子的本质，也能解释时空的本质，从而令量子论和相对论实现了互相兼容，为物理学的进步打开了新大门。