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宇宙的终极问题:“十维空间”与“超弦理论”的诞生

导读:阅读本文前,请做好深度思考的准备。

科学家为什么要提出多维空间理论?

如果只是描述日常生活的话,三维空间已经完全够用了。对于日常生活中的任何一个事物,我们都只需要三个维度就能确定它的位置。无论你是用长宽高,还是用经度、纬度和高度,都最多只需要三个维度就够了。而且这种方式还很符合人类的直觉。

那为什么物理学家还想探索更高的维度呢?这是因为,三维空间虽然足以解释日常生活,但是在解释宇宙底层的规律时,却显得十分复杂。

多维空间模拟图

宇宙中四种力

物理学发展到现在,科学家们已经发现,宇宙中的一切现象都可以被归结为四种力:引力、电磁力、弱核力还有强核力。但问题是,这四种力互不相似,描述它们的物理定律也各不相同,不能把它们统一在一起。这就让物理学家们十分苦恼,难道自然规律真的是以这么复杂的形式表现出来的吗?

在大部分物理学家看来,描述宇宙底层规律的物理定律应该是简单优美的,所以一直以来,科学家们都相信一定可以把四种基本力结合起来,找到一个更加和谐的理论。而恰巧,多维空间理论就具有这个特点。当我们在多维空间表述自然规律时,一切都会变得更为简单和优美。在这样的背景下,增加时空维数的超空间理论诞生了。

多维平行想象图

为什么在多维空间中的自然规律会更加简单优美?

假如花园的水池里有许多金鱼,有一天,下了暴雨,池子里的睡莲被冲刷得左右摇摆。对于鱼来说,睡莲似乎是自己在运动,因为鱼看不见水,就像人类看不见我们赖以生存的空气和空间一样,所以这些鱼一定会很困惑,为什么睡莲会运动?

是不是因为有一种神秘复杂的力量在操控它们?但如果这些鱼离开了池塘,进入了一个更高层次空间的话就会发现,睡莲会动只是因为水池之外的世界下了一场雨而已,是一件很简单的事情。只不过,鱼根本就不知道还有水池之外的世界罢了,这就是金鱼所处的时空维度不够高的结果。

空间之间的互联想象图

爱因斯坦的突破

我们人类其实跟这群水池里的鱼也有相似之处。如果我们理所当然地认为,宇宙只包含那些看得见摸得着的事物,拒绝承认可能存在更高维度的空间,那很多问题就无法解决。如果我们愿意从更高维度的空间来看待问题的话,就会发现三维世界中看似纷繁复杂的物理现象,在多维空间中可以有很简单的解释。这个道理就像看气象云图一样,我们在地面上很难预测风的方向,而一旦升到高空俯视云层,就可以轻而易举地预测风向变化。

举个例子,在爱因斯坦之前,人们一直相信绝对时空观,意思就是说,三维的空间和一维的时间是相互独立的,没有关系,互不干扰,但到了1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,把三维空间和一维时间结合到了一起,创造出了四维时空的概念。狭义相对论的本质,就是用四维时空来描述高速情况下的物理现象。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

四维时空的提出,简化了许多复杂的物理学原理。比如说,描述电磁现象的麦克斯韦方程组,以前要写成4行,包含整整8个方程,时间和空间在这8个方程中要被分开处理,非常复杂,但在引入了时间作为第四维后,这8个方程就可以被统一为一个简洁漂亮的方程,也就是麦克斯韦方程组的相对论形式,这被当做是物理公式优美的典范。

之后,利用四维时空的概念,爱因斯坦重新解释了引力,提出了广义相对论。在广义相对论中,引力的本质其实就是四维空间的弯曲。爱因斯坦的引力理论再次震惊了世界,同时也回答了许多牛顿引力理论所无法回答的问题。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

数学家卡鲁查的突破

不光是爱因斯坦,其他科学家也利用多维空间取得了理论突破。比如有一位叫作卡鲁查的数学家,就给爱因斯坦寄了一篇自己的文章。在这篇文章中,卡鲁查通过在四维时空的基础上引入第五空间维,居然统一了爱因斯坦的引力场理论和麦克斯韦的电磁场理论。也就是说,这个五维空间成功地把引力和电磁力这两种基本力结合在了一起。

虽然在卡鲁査的五维空间中,四种基本力中的核力仍然被排除在外,但物理学家们已经开始看到曙光。你想想,只是在三维空间的基础上增加了两个时空维数,人类就统一了四种基本力中的两种,那再多增加几个时空维数,我们说不定能统一四种基本自然力了。

随着科学的飞速发展,物理学家们逐渐发现,自然规律在多维空间中表述时会更简单和优美,这意味着我们有希望通过增加时空维数来统一四种基本物理力,找到终极的统一理论,于是,多维空间理论就这样诞生了。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

量子理论的诞生

刚才讲到,卡鲁查利用五维空间把电磁力和引力结合到了一起,让爱因斯坦都为之震惊,但问题是,这个理论为什么没有发展下去呢?这是因为,从20世纪30年代开始,物理学家们成群地离开了这个研究领域,转而热情地投身于一种新的理论,也就是跟相对论并称为“当代物理学两大支柱”的量子理论。

在量子理论诞生后,多维空间理论就被打入了冷宫。一方面是因为高维空间虚无缥缈,没办法用实验证实;另一方面也是因为量子理论的确伟大,可以精准地解释许多匪夷所思的问题。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

在量子理论中,宇宙是由各种各样的粒子组成的。不光物质是由粒子构成的,力也是由于粒子的交换而产生的。比如说,两个电子碰撞时之所以会产生相互排斥的电磁力,就是因为它们交换了一个光量子。除了光量子以外,还有产生强核力的 π 介子,产生弱核力的 W 玻色子等,总之它们都和粒子有关。所以,量子理论就成功地把电磁力、强核力、弱核力这三种基本力都统一了起来。

从20世纪30年代开始,直到80年代中期,量子理论几乎主宰了物理学界,没有学者再去尝试用其它方式解释除了引力之外的另三种基本力了。之后,量子物理的标准模型也慢慢建立了起来,在标准模型中,一切问题都要从粒子角度出发来进行解释。标准模型是目前精度最高的物理模型,几乎可以完美地符合一切实验数据。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

量子理论的瓶颈

量子理论从20世纪五六十年代开始就逐渐陷入了瓶颈。这是因为,人们在原子对撞机中发现了越来越多种类的粒子,这些海量的实验数据虽然确实证明了量子理论的成功,但也把物理学家们搞得晕头转向。

举个例子,在标准模型中,就算是最基本的夸克都有整整36种,而不同夸克的组合又会产生不同的粒子,这样组合下来简直数都数不过来。此外,在加来道雄写这本书的时候,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,这一切都说明标准模型理论实在是太复杂了。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

所以,即使是量子理论最坚定的支持者,也绝不会认为标准模型是解释宇宙本原的终极理论。首先,就像刚才说的,标准模型过于复杂;但更重要的是,标准模型一直无法描述引力,对于引力的解释还是要靠爱因斯坦的广义相对论。量子理论和广义相对论这两大当代物理学的支柱理论还是没能结合起来,既然如此,那标准模型肯定就不是一个完备的理论。

到了20世纪80年代,物理学几乎走进了一条死胡同。引力就是没法跟其它三种力统一起来,相对论跟量子理论就是泾渭分明,无法融合。当时的物理学家都认为,这可能是人类历史上最大的科学难题,谁要是解决了这个问题,就相当于捧起了“物理学圣杯”。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

十维超弦理论

就在这个时候,休眠了半个多世纪的多维空间理论重新引起了物理学家的关注。它以一种精妙的表现形式,一跃成为了最有希望实现大一统的理论,让整个物理学界为之震惊,这个形式就是“十维超弦理论”,也被简称为弦理论。

在标准模型中,宇宙是由粒子构成的,但这些粒子的种类实在是太多了,而且科学家们也无法解释为什么会有这么多种粒子,而弦理论就回答了这个问题。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

在弦理论中,宇宙的基础构成元素不再是粒子。弦理论提出,如果我们能把一个粒子放大一万亿亿倍,你就能看出它并不是一个点,而是一条正在振动的弦,就跟小提琴上的弦差不多。理论上,弦能以任意频率振动,不同的振动模式就会产生不同的粒子。这就像你拉小提琴的时候,即使是同一根弦,也可以拉出很多个音。所以,振动的弦能构成无穷多的物质形式,这就解释了自然界中粒子的丰富性。

当然了,弦理论真正的魅力,在于它有可能把广义相对论和量子理论结合到一起。因为根据弦理论,一根弦如果想要在时空中完成复杂的运动,就必须遵循一套条件,其中就包含了对时空的限制条件。物理学家们在计算这个限制条件时发现,弦理论居然可以直接导出爱因斯坦方程。这就意味着,弦理论既能对量子理论中的物质粒子作出完美的解释,也能兼容爱因斯坦的相对论,它是一个真正包罗万象的理论。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

科学家们已经发现,从弦理论出发,人们可以重新推导出过去2000年来物理学的所有进展。所以像爱德华·威腾这样顶尖的物理学家甚至认为,广义相对论出现在弦论之前是“地球上的一个偶然事件”,宇宙中的其它文明很有可能会先发现弦理论,然后通过弦理论来导出广义相对论。威腾甚至说,“物理学中所有真正伟大的思想”都是弦理论的“派生理论”。

弦理论这么厉害,它跟多维空间又有什么关系呢?刚才讲到过,在弦理论中,弦的运动是要遵循一套限制条件的。科学家们通过计算发现,这套条件就规定了弦必须在一个特定的维数中运动,也就是必须在十维空间中运动,才能让弦理论成立。如此一来,多维空间理论就重新回归物理学家的视野,并且让当代物理学产生了一次重大变革。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

多维空间理论能被证实吗?

刚刚已经说过,在弦理论中,宇宙必须是十维的,那你可能会想,我们普通人确实只能感受到三个空间维和一个时间维,那这剩下的六个维度都去哪了呢?对于这个问题,物理学家的解释是,剩下的这六个维度被紧紧地卷曲到了一个非常非常小的尺度上,所以目前无法被人类观测到。

既然有六个维度无法观测,这就意味着弦理论目前无法通过实验得到检验。那问题来了,稍有科学常识的人都知道,任何一个科学理论都必须可以被检验才行,否则就是伪科学了,一个目前无法被检验的理论,那不就是毫无意义的吗?的确,有不少弦理论和多维空间理论的质疑者们都经常会提起这个问题,这也是弦理论面对的最大挑战之一。

此图仅作帮助思考之用,不作任何严谨说明。

弦理论并不是永远无法被检验的,只是对它的检验超出了人类目前的技术水平,因为在多维空间这个领域,理论远远地走在了实验的前面。在历史上,科学家们曾经多次认为某个现象不可检验或不可证实,但最终这些现象还是得到了间接的检验或者证实。

举例:在19世纪,法国哲学家孔德认为,由于恒星距离我们太过遥远,所以人类永远无法了解恒星的构成。听起来似乎很有道理,但是让孔德尴尬的是,几乎就在同时,一位德国物理学家通过分析从遥远恒星发出来的白光光谱,确定了这些恒星的化学组成。

对于一些看起来无法检验的科学论证,我们其实可以采取间接实验的方式去对它们进行证实或证伪。弦理论也一样,不能因为十维时空暂时无法被观测到,就否定这个理论的价值。考虑到科学技术的不断发展,我们总有一天能通过加速器、空间探测器或宇宙线计数器等各种手段,间接探测到第十维时空的存在。弦理论和多维空间理论,绝不是纸上谈兵的伪科学。

镜头里的多维世界

多维空间理论有实际价值吗?

既然弦理论有意义,那它到底能帮我们解决哪些实际的科学问题呢?举例:十维超弦理论可以帮助我们了解宇宙大爆炸的原因所在。

目前的主流理论认为,宇宙大爆炸是包括时空在内的宇宙万物的开端,在大爆炸之前,时间和空间都不存在。但这时候就会出现一个终极问题,宇宙到底为什么会发生大爆炸呢?难道是因为上帝吗?物理学家们当然也想搞清楚这个问题,但问题是,在解释宇宙大爆炸起源的时候,物理学的两大支柱,相对论和量子理论,互相冲突了。

镜头里的多维世界

简单地说一下这是怎么回事。根据广义相对论的预言,宇宙诞生于一个奇点之中。奇点的体积无限小、能量无限大、时空无限弯曲,它就是宇宙的开端。但量子理论横空出世以后,物理学家们发现,在这样一个体积极小能量极大的地方,我们必须考虑到量子效应的影响,而量子理论又无法跟广义相对论兼容,这么一来,在人类现有的理论体系下,我们对于宇宙的起点,宇宙大爆炸发生的原因可以说是一筹莫展。

这个时候,十维超弦理论就能发挥作用了。弦理论可以把广义相对论和量子力学结合起来,因此具有解决宇宙起源问题的潜力。一位哈佛教授的研究,认为宇宙大爆炸可能就是十维宇宙裂解成四维宇宙和六维宇宙的过程。

镜头里的多维世界

最原始的宇宙其实是有十个维度的。这个原始宇宙的温度极高,能量极高,四种基本力在这里是融为一体的,相对论和量子理论在这里也没有区别。但是,这个十维宇宙并不稳定,它会裂解成一个四维宇宙和一个六维宇宙,这个裂解的过程就是宇宙大爆炸。裂解之后,四维宇宙会发生暴胀,并会在不到一毫秒的时间内完成四种基本力的分离,然后逐渐形成人类如今所观测到的宇宙;而六维宇宙则会发生坍缩,并且是缩到一个极小的尺度之下,所以目前没法儿去观测它。

这个理论听起来很科幻,但背后是有严谨的理论支撑的,并不是幻想。当然了,因为目前技术水平的限制,我们还无法对这些理论做出验证,只能说是一个假说而已,但从这个阐释中你也应该能感受到,弦理论的确具备解决终极问题的潜力。

举例:在宇宙灭亡之时,我们可以通过躲进超空间来躲避宇宙的灭亡。四维宇宙几种可能的死亡结局中,有一种叫作大坍聚,就是说目前正在膨胀的四维宇宙,会在未来的某个时候开始坍缩。在坍缩过程中,温度会逐渐升高,慢慢把所有物质都蒸发成气体,到时候任何智慧生命都会消失。不过,根据十维超弦理论的推断,随着四维宇宙的坍缩,我们的六维孪生宇宙很有可能会开始膨胀。如果这个孪生宇宙膨胀得足够大,人类就有希望通过跨维度旅行逃进六维空间,从而幸免于难。

虚构的宇宙全貌图

总结:

首先必须承认,多维空间理论和弦理论在目前都无法进行直接的实验验证,但在未来,我们还是可以通过直接或间接的方法对它进行检验。因此,我们不能因为多维空间暂时无法被观测,就否认它的价值。

此外,由于弦理论可以将相对论和量子理论结合起来,因此有可能解释像宇宙大爆炸起源这样的人类目前无法回答的终极问题。

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来自:摩诃般若波羅蜜  > 数学
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