为什么我们不能离开狭窄的三维空间王国，而居住在一个七维的空间

迷失在十维宇宙

面对三维空间中的事物，比如一本书、一只苹果，我们应付起来轻松自如。我们眼中的世界，正是由这些具体的东西和容纳它们的空间所组成的，而空间在长、宽、高三个维度上无限延伸着。这种景象在我们第一次睁开双眼探索这个世界时，就出现在我们的眼前和脑海中了。

当我们把时间加入世界，作为第四个维度时，情况变得有些复杂了。爱因斯坦告诉我们说，一维的时间和三维的空间组成了不可分割的时空整体，而且宇宙中的时空是弯曲的。我们的想像力受到了挑战，因为时空弯曲的事实，并不是我们靠双眼观察出来的，这样的宇宙违反了我们的直觉。

四维的时空让我们理解起来已经困难，可是物理学理论仿佛有意要跟我们作对。此后，出于追求理论上统一完美的需要，物理学家不断引入新的维度，五维，七维，十维……老天！我们也要差点迷失在高维的神经衰弱中了。

但是这些“怪论”毕竟让人深受启发，比如，在五维的世界，引力和电磁力就有可能统一成一种力；而在十维的世界，超弦也许是万物的起源，包括所有的粒子和作用力，都可能来自那深奥、怪异又十足诱人的“弦”……如此美妙的前景当然让科学家们在探索的道路上乐此不疲。

现在，让我们跟着科学家进行一次史无前例的挑战直觉的游戏，开始一次维度之旅，依次经历从零维到十维的各种稀奇古怪的维度世界。小心，要做好神经衰弱的准备哦。

零维就是没有长、宽、高，因此这样维度的世界实际上没有给任何事物留出栖身之所。那么，我们能否认为，零维空间就像安徒生童话中皇帝的新衣那样，根本不存在？

的确，理想的零维空间是不存在的，但近似的零维空间就在我们身边。现代物理学给我们展现了微观世界的许多稀奇古怪的现象，其中就包括一种叫做“零维半导体”的结构，也就是通常物理学家所说的“量子点”。量子点虽然十分微小，但毕竟是有体积的，可以让一个电子刚好挤进一个量子点中。这么说来，量子点似乎不能算零维时空。

不过，量子点是一个古怪的陷阱，当电子一旦落入这个陷阱后，它们就不能移动分毫的距离，完全被限制住了。而且，即使我们从外界向一个量子点中注入能量，不论能量大小如何，都不能改变量子点中的电子的状态，那些能量只是以光的形式再度被释放了出来，量子点吃进多少能量，就又吐出多少。这样古怪的特性让物理学家干脆把量子点视为一种现实中的零维结构。

我们可以把量子点加工成一种高效的光源，向其注入能量，它只会以光的形式将能量释放。由于量子点十分微小，所以这些点可以作为荧光标记工具，具体的方法是：在某些生物分子比如抗体上制造一些量子点，通过向其注入能量，观察量子点释放的光的情况，就间接地跟踪了含有量子点的生物分子在生物体内的移动情况，于是可以判断诸如抗体之类的物质对生物的影响。

此外，由于量子点在俘获一个活跃的电子后，会刚刚好地释放出一个光子，于是它提供给我们一种可能的方式，能通过电子和光子的转换，传递信号。从长远来看，量子点可以作为存储的工具，在未来的量子计算机中担当存储数据和发出指令的任务，科学家估计，用这种方式制造出来的量子计算机，可以大幅度提升计算机处理信息的能力。

穿过让我们感到陌生的零维世界，我们来到了相对比较熟悉的一维世界。简单的一维空间就是一条直线，牛顿的运动定律可以在一维世界中起作用，让一维世界的物体可以向前或向后运动，或者干脆停在一个点上。

在量子学家看来，一维空间是真实存在的。比如，他们会制造出一些十分狭窄的微观“隧道”，让电子在其中驰骋。通常，当两个电子相遇时，本着电荷“同性相斥”的原理，它们会给对方让路。可是，如果它们处在一维的隧道中，只能向前或向后运动，无法左右上下移动时，迎头相遇的两个电子会发生相互作用，一种结局是，两者作为一个整体运动；还有另一种违反我们直觉的结局，那就是两个电子化作两个奇怪的粒子，一个只具有电子的电荷，而另一个只具有电子的自旋状态。

一维空间中的古怪现象其实量子学家已经司空见惯了，而且他们对此非常兴奋，因为电子设备制造的越来越小时，类似一维的空间日益成为设备中的常见结构。科学家目前正在研究一维碳纳米管，准备以它作为导体或者半导体材料，用来制造未来速度更快的计算机芯片。

我们自己生活在三维空间，这个空间可以看成是一维的线和二维的平面组合而威的结构，这是一个我们生活舒适、可以理解的世界。但是，我们不要以为，世界的维度一定得是整数的，比如1.5维就挑战了我们头脑中的惯性思维。

想像一下数学中的分形现象。一条线，不论是笔直的线，还是经过弯曲的线，都是一维的。可是雪花的轮廓呢？我们观察一片雪花的精细轮廓。

随着雪花被不断地放大尺寸，我们会发现自己在面对一个不断复杂的轮廓图案，我们观察得越细致，我们绘制的雪花轮廓线就越长。数学家早就知道，只要我们观察得足够细致，云就不是团状的，山峰也不是锥状的，而海岸线也不是圆弧形的。

分形图案的雪花轮廓算几维呢？雪花轮廓线上细微的“锯齿”让它比纯粹的直线占据了更多的空间，它显然不是一维的。雪花轮廓这样的分形图案介于一维和二维之间，我们姑且算其是1.5维。

不仅仅是雪花，许多自然界的物体都具有分形几何的特征，比如

，分支闪电

，云朵

和花椰菜。

我们甚至可以宣称，自己就生活在一个分形的1.5维的空间景观中。比如数学家已经确认，对于英国弯曲的海岸线，当测量精度提高后，海岸线长度能多出25%;而光滑的南美海岸线，提高相同的测量精度后，海岸线长度只增加了2%。

在数学和物理学研究中，一维过于简单，而三维又过于复杂，二维的“平原”刚好可以让研究者们有足够的空间发挥自己的才智。但二维并不仅仅是草稿纸上的虚拟空间，它在现实中的价值也很大。

2004年，科学家首次在实验室生产出了“二维物质”一一只有一个碳原子厚的平板，类似于通常人们熟悉的石墨。这种石墨板有许多让人兴奋的用途，比如电子可以射穿它的表面，却不会被阻挡。

这种二维的石墨有什么用途呢？如果前面提到的一维的纳米管可以做未来计算机的导线的话，那么二维的石墨板就将是未来计算机的电路板。这还不是它的全部用途。人们已经知道，某些材料可以在温度大约130K时出现超导现象，大概是绝对零度和室温的中间值。超导材料的电阻为零。为什么这些材料可以产生超导现象，确实人们长期没有搞清楚的事情。现在，人们逐渐发现，这和材料中的一些二维的结构有关系，如果我们能够完全参透超导现象背后的物理学原理，就有可能利用诸如二维石墨这样的材料，制造出能够在室温下工作的超导体。

当我们把电子用强大的磁场限制在二维层面的半导体材料中，并冷却到仅比绝对零度高1/3K时，电子这种被人们认为是基本的、不可分割的粒子在效果上会破裂成多个粒子，每一个粒子都拥有电子的部分电荷。这些粒子有时被科学家称为“任意子”，因为它们可以显示出各种不同的粒子特性。任意子和量子点一样，也可以称为信息传递的中枢，因此在研制未来强大的量子计算机时，使用任意子传输信号，也是一种可行的高速方式。

总之，在二维的平原上，从新型药物到平行宇宙等各种美妙的事物都可能会涌现出来，一切就看我们如何“挖掘”了。

二维的平原和高维的时空是思想家的游乐场，但是我们的身体依旧停留在三维的空间中。为什么我们不是生活在二维、四维、五维或者更高维度的空间中？最近，物理学家试图把引力和量子理论联系起来，解释时空的本质，彻底解决我们为什么生活在三维空间的问题。

根据弦理论，空间可以是从零维到十维的任意模样，这让物理学家很困惑，既然各种可能维度的宇宙都存在，但我们看到的一切，都处于三维的宇宙之中，这该如何解释呢？2005年，美国的物理学家在计算机上挑起了“维度战争”，他们建立了一个软件模型，让不同维度的宇宙漂浮在一个扩张的十维超空间之中，当这些宇宙碰撞时，它们彼此作用，有时会消灭对方。计算表明，经过一番你死我活的争斗，三维宇宙和七维宇宙是战争中最可能幸存的宇宙类型。

如果这个软件模型反映了真实的情况，那么前面的问题就大大简化了，我们只要考虑，为什么我们不能离开狭窄的三维空间王国，而居住在一个七维的空间王国呢？

欧洲的物理学家也许回答了这个问题。根据物理定律，他们模拟出了各种维度的空间，发现这些空间可以彼此粘合在一起，就像搭积木一样，形成弯曲古怪的“大宇宙”。我们是否生活在大宇宙中的一小块“积木”即三维空间中呢？

未必！在我们的三维空间中，我们知道原因和结果是有先后次序的，比如我们用力推一辆静止的小车，然后小车运动了起来，力是原因，小车的运动是结果，我们的世界是严格遵守这种因果关系的。但当物理学家将必须严格坚持因果关系这样的限定条件施加到模型中时，结果发现绝大多数的空间都不能满足条件，只有一种空间满足要求，即由一维时间和三维空间构成的宇宙。没错，它就是我们的家园。

看来，我们还得继续呆在三维的空间中，因为我们没有其他的地方可去。

我们宇宙的空间包括了三个维度，而科学家告诉我们说，时间也是一个维度。那么，时间为什么和空间的长、宽、高不一样呢？

答案是，它没有什么不一样的。时间和空间并不是彼此独立的两个概念，根据爱因斯坦的狭义相对论，时间和空间融合成一个整体——时空。就像一块布匹上的线有经纬两个方向一样，爱因斯坦的物理学告诉我们，如果我们把世界看作是一块布匹，空间和时间就是时空布匹上不同方向的织线，它们一起织就了时空。

不过，还是有一件事让我们觉得时间和空间是不一样的。原则上，我们可以在三维空间中向任何方向旅行，但在时间维度中，我们只能以一个方向旅行，即从过去到未来的前行方向，不能逆时间而行。我们如何解释这个怪现象呢？

比如，想象一下，在一个阳光明媚的清晨，7点钟你拉开了房间的窗帘。假设此时此刻，太阳已经不存在了，它在6点55分发生了爆炸。但你并不知道这件事，因为光线从太阳到达地球需要8分半钟时间。

在这个场景中，太阳爆炸是一个事件，从这个事件出发的光会在四维的时空中飞驰，形成一个四维的圆锥，

物理学家把它叫做光锥。只有处于这个光锥中的人，才会目睹太阳的爆炸。因为光速是宇宙的速度极限，而7点钟的时候，由于光还没有跑到地球位置，所以你还没有被光锥包含进来。要在此时看到太阳爆炸，我们必须运动得比光还快，进入太阳爆炸的光锥之中，但这违反了我们宇宙中的光速极限。

所以，物理学家认为，正是由于有光速的限制，让时间这个维度变得和空间的三个维度不同，让我们只能看到各种信息从过去向未来流淌，从来看不到时光倒流的现象。

把时间看作第四个维度，是爱因斯坦狭义相对论的贡献。而德国数学家卡鲁扎有更宏伟的设计。

早在1919年，他给爱因斯坦寄了一篇论文，他认为在四维时空中增加一个第五维，引力和电磁力就有可能统一成一种力了。几年后，一位瑞典数学家克莱因发展了卡鲁扎的设想，

克莱因

他认为我们可能确实生活在一个五维的世界中，但是第五维太微小了，它卷缩了起来，让我们无法感知它的存在。两位数学家的设想引发了人们给四维时空添加更多的维度，以统一各种力的研究热潮，一直延续到今天。

1999年，美国科学家发现，如果真的存在第五维，就可以解释一个令人烦恼的谜团，即为什么引力比自然界的其他力都弱得多。根据他们的五维时空模型，我们熟悉的四维时空漂浮在一个无限大的、负曲率的第五维上。对于四个基本力来说，电磁力和两个核力（强作用力和弱作用力）停留在一个四维的时空膜上，而引力有一部分泄露到了第五维里，于是处于四维时空膜上的我们就发现引力很弱。

与此同时，加拿大科学家还提出了一个石破天惊的观点，认为五维时空曾经存在，但它已经破裂成两部分：一部分是我们熟悉的四维时空，另一部分是我们世界中各种东西所包含的质量！这个理论不但解决了为什么万物都有质量的难题，还解释了宇宙开端的奇点。根据大爆炸理论，奇点具有无限大的温度和密度，当时所有的物理理论都失效了，而我们的宇宙就是由奇点扩张出来的，这真让人匪夷所思。但如果我们的宇宙是五维时空，奇点就好理解了。

五维时空

打个比方，生活在平面上的二维生物怎么也想不通，为什么平面上一个金属圆点会有极大的质量：但站在三维生物的角度看，那不过是一根针扎在一张纸上而已。我们站在四维时空中看到奇点很古怪，大爆炸令人匪夷所思，但也许对于五维时空的生物来说，奇点和大爆炸并没有什么让人费解的地方。

每当物理学家往自己设计的宇宙中添加维度时，他们添加的基本上都是空间维度，让空间中的物体可以自由地移动。但其实，如果宇宙可以具有更多的维度，那多增加一条时间维度是否也可能呢？

许多物理学家反对这种想法，因为如果宇宙中有更多的时间维度，物体就可以借助其他的时间维度，在我们已知的一维时间中穿来穿去，一会出现在我们身边，马上又会出现在数亿光年外的其他星球，这等于是超越了光速的极限，甚至回到过去的时间旅行都可以实现了。至少在我们的宇宙中，时间旅行并没有发生，因此多维时间也许仅仅是设想，而不是现实。

但是在1995年，美国科学家提出了一个叫做H论的理论，统—了当时的各种弦理论。在M论中，可以具有二维的时间。不过科学家补充说，即使宇宙中具有了二维时间，这样的宇宙中也无法实现时间旅行。

在M论中，宇宙是11维的。在稍微低一些的维度时空中，是否也可能有多维时间呢？从理论上讲，在我们的四维时空中增加一个时间维度，就必须相应地也增加一个空间维度，以平衡结构。这样形成的六维宇宙其实和我们生活的四维宇宙的结构很相似，只是在六维的世界中，会包括许多四维宇宙的投影，而我们所熟悉的物理学定律到了那里，也不适用了。

进入十维宇宙，我们就抵达了弦的国度。物理学家一直希望把量子力学和广义相对论融合在一起，形成一个既适用于微观、又适用于宏观的“万有理论”，而弦理论是万有理论的“候选人’之一。

弦理论认为，万物都是由微小的弦构成的，弦不同的振动方式，产生了各种粒子，这些粒子最终又构成了宏观的物体。组成物质和传输力的所有粒子都来自微小的弦的振动。这些弦虽然是一维的，但它们周围的时空却足足有十个维度，其中有九个空间维度，以及一个时间维度。

为什么要有十个维度呢？这是因为，物理学家计算后发现，少了任何一个维度，弦理论就无法成立，甚至会出现严重的错误，比如时空中出现小于普朗克长度即10 5米的时空尺度，这是违背物理学常识的。

十维并不是我们宇宙可能具有的维度上限。前面我们提到的M论就有11个维度，它正是为了统-5种不同的弦理论而出现的。一些物理学家认为，我们的宇宙应该就是11维的，只是其中的7个空间维度都卷缩到了我们观察不到的地步。还曾经有一种弦理论认为，宇宙有多达26个维度！

我们没有提到七维、八维，九维或者3.5维之类的宇宙，这是因为物理学家们无法设计出那样维度的时空，因为它们违背了物理学的原理，是不可能存在的。当然，理论是发展的，它们也许有死灰复燃的机会，比如2007年，一位物理学家就抛弃了弦理论，而使用另一种数学方法，成功地构建起一个八维的时空结构，似乎把引力和其他三种基本力都统一起来了。

如今，物理学家们已经分成了两大阵营，一派认为宇宙具有某个固定的维度，我们需要做的就是确定宇宙的维度，搞清楚宇宙的真实结构；而另一派则认为，也许存在许多个宇宙，它们的维度并不一样，而我们恰好生活在一个四维时空的宇宙中。

我们的维度之旅暂时告一段落了，我们没有在险象环生的古怪时空中迷路，真是一件幸事！