有多少维度?时间是一种维度?或者是我们的3维时空只有一个元素,或者是一个较小的宇宙在一个更大的超维宇宙中?
这些问题被问了很多次,答案可能也是一样多变的,因为有潜在的额外维度。
从保罗·埃伦费斯特在1917年的三维物理学的探索到20世纪90年代的M理论,多年来的专家提出了自己的答案。
但随着技术的进步,并配备了新的数学模型和理论,我们今天可能在一个独特的位置开始了解自然世界中最令人困惑的奥秘之一。
维度、引力和光
几乎所有处理维度数量的理论的核心是引力和光的基本力量,这两者都是物理宇宙中最容易被观察和被研究最多的现象。在自然界的四个基本力中,万有引力和电磁相互作用力(负责产生光)最棘手的,单独来看,他们给无数的科学家和理论家带来了悲伤,当放在一起时,他们会造成绝对的破坏。
模型通常从宇宙的这些可观察的特征中得出,以构建关于事物如何工作的理论和推测。更简单的提出宇宙是由三个维度构成:长度,宽度和深度。这是特别容易掌握的,它是直观和完全合乎逻辑的。
但这个宇宙并不完全由我们所感知的那样,基于此,一些数学家,特别是赫尔曼·明科夫斯基,结合三个空间维度与第四个时间维度,构建一个时空的现实描述。
这就是事情开始变得棘手的地方。例如,为什么引力能够如此大规模在行星、恒星、星系中运行,而其他力量在较小规模上运行?或者,换句话说,为什么引力比其他的基本力弱得多?
Paul Halpern使用一个简单的例子说明了这个问题:用一个小的磁铁吸起一个图钉,能够看到它的吸引力是如何压倒整个地球的引力。
因此,一些理论被演变以试图弥补这些差异。基于Theodor Kaluza和Oskar Klein在20世纪20年代的工作,超弦理论提出了这样的想法:这些微小的能量弦的振动对我们在自然界中观察到的所有东西负责,然而,这些理论仅在包括十个或更多维度的宇宙中起作用,超越了我们能观察的极限。
另一种方法(M-理论)包含这个10维宇宙,由弦和能量膜组成。在一个大的,潜在可观察的额外维度,被称为“块”,在这个概念中,物质和能量以及大多数基本力量紧紧地依赖于能量时空膜。然而,引力是一种自由的媒介,可以在高维体积内操作。由于这个原因,引力子--引力能量的载体,可以渗出到体内,减小引力的小规模强度,但仍允许其在较大距离上施加过度的力。
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