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弦理论的具体运作模式, 多维空间是什么?

一个无法在我们已知的中得到验证的弦理论,他需要假设我们的宇宙中存在有其他未知的额外空间维度,这套理论才能够自洽。

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那么弦理论究竟是如何描述这些额外空间维度的呢?他们是什么样的形态?如何存在于我们的宇宙之中?理论中,那些组成了宇宙万物的能量丝到底是如何在这些额外的空间维度中运作的呢?弦理论是否就是打开宇宙终极奥义的上帝之匙,又或者通过这套理论可以让我们发现更加令人叹为观止的其他惊人理论。例如多元宇宙论。

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1919年。一个鲜为人知的德国数学家西奥多卡鲁扎提出了一个在当时人们看起来非常可笑的观点。他的观点是说,我们的宇宙很有可能不仅仅是一个三维空间,除去长宽高之外还存在着其他的维度。他的想法是,由于我们的感知器官限制可能无法察觉那些额外的维度。这个怪异的想法对于二十世纪的物理学造成了一些重大的冲击,同样也给予了很多前瞻性的研究更多的想象空间。

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卡鲁扎和一样,他们都在寻求一个统一的理论,只用一套理论,一套公式就能够描述所有的作用力。卡鲁扎知道爱因斯坦已经用时空的扭曲来描述了重量,也称引力,或许他也可以用同样的模式,而且是其他的作用,也就是当时除重力以外唯一已知的其他作用力-电磁力。他尝试描述电磁力也是一种扭曲而产生的力。那么问题来了是什么东西被扭曲了呢?自然不会是三维空间和一维时间,因为他们已经被用来描述重力了。

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卡鲁扎悲催的发现,已经没有多余的维度供电磁力来扭去。所以他在想,如果要和重力一样统一描述电磁力的话,那么空间中必须存在着更多的维度,至少多一个维度也好,他只需要找到再多一个维度就可以完美的解释电磁力。所以卡鲁扎开始想象宇宙有着四维空间和一维时间,然后着手用数学模型来描述电磁力。这个时候他发现了他的这套数学模型,可以完美地与爱因斯坦的理论相兼容。

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同时也因为多出来的第四维度需要多一些的数学推导公式。结果这些多出的部分数学公式经过仔细的推敲,他惊奇地发现,这恰好就是当时们用来描述电磁力的数学公式,也就是“麦克斯韦方程组”卡鲁山异常兴奋的发现。他用纯数学理论的推导方式,竟然完美地将重力和电磁两大基本力进行了统一,而这套理论的名称就叫做“卡鲁扎克莱因理论”但是虽然理论自洽,也就是说理论上确实存在第四维度的空间。可是第四维空间究竟在哪,怎么能够验证第四维空间的存在呢?

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瑞典物理学家奥斯卡克莱因在1926年提出空间的维度可以以两种形式存在,一种是宏观尺度,也就是我们肉眼能够观察到的维度,但是也可以存在另外一种极其微小的卷曲在一起的维度。因为卷曲的太小,以至于虽然存在于我们的周围,但是我们无法观察到它。

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这里我们举例说明这个假设,当我们把空间以现在这样的形式表示出来,这就是我们能够观察到的宏观世界的空间,然后我们把它放大再放大。一直到我们假设可以观测到的四维空间尺度上,然后我们可以看到有一些额外的维度。接下来我们放置一个极其微小的模拟生物,它不但可以通行。在我们宏观世界定义的大维度上,同时呢,他也可以在这些额外的维度上通行。但是科学家把它描述为极微观世界的样子。所以即便是我们现有的最精密的仪器设备也无法观测到它,可是它仍然隐藏在我们的空间中。

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这就是上个世纪科学家假设的额外空间维度的一种表现形式,但科学家开始把这套理论应用到现实世界进行验证时,结果却是他们不能全面的符合。比如单单使用这套理论是无法正确计算出电子的质量的。也就是说,这种描述额外空间维度的方式是无法自洽的。那么这些额外的维度究竟应该怎样描述呢?

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弦理论的描述方式是:额外的维度是一个错综复杂的几何形。这里我们需要说明一下,其实弦理论描述的额外维度不是一层比一层高,也不是平行并存,或者一层包含一层。这些存在于我们大脑的合理想象,你有没有发现其实这还是基于三维空间的概念,弦理论额外维度会自身重叠,纠缠成一个超级复杂的几何结构。其实额外空间维度的多少只是说明了这个额外空间维度的几何结构的复杂程度。弦理论同样描述这些维度存在于极微观世界,无法观测。那么他们究竟是如何运作的呢?

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想象一下下图这个东西你会注意到气流的流动方式不同,是因为开启或关闭了不同的开关而产生了不同的空气流动模式。我们可以想象这个东西就是那些额外空间的维度,也就是那个极其复杂的几何结构。而那些以不同方式流动的气流就是弦理论中所称的那些能量丝,他们的震动模式取决于他们所处的这个几何结构中的位置。不同的位置因为几何结构的不同而产生了不同的震动模式,不同的震动模式则会产生出不同的粒子,而不同的例子就造就了这个多元的世界。

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我们再举一个疯狂的例子,一个人在大马路上抽风,他的抽风动作不受除了地面以外的任何事物的影响。而如果有人为了避免其他伤害把他捧起来,那么他的抽风模式就会发生变化。我们把抽风的人想象成震动着的弦,而绑上他的这个行为就是额外维度对弦的振动模式造成的影响。绳子就是改变弦振动模式的额外维度的复杂几何结构。只绑上升可以看作弦处在结构的A点,这会产生一种震动模式。直绑腿可以看作嫌处在结构的b点,就会产生另外一种振动模式,以此类推。

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弦理论中弦的振动模式决定了一切。换言之,也就是这些额外维度的几何结构,决定了我们这个世界所有粒子的质量、形态。还有影响了这个世界所有作用力的力度,包括的数量,他们都由这些额外维度形态所决定。而如果我们知道了这些额外维度的形态,我们就可以通过这些形态特征计算出弦的振动模式,从而了解宇宙的本质以及计算出暗能量的数量。至于为什么要提到暗能量的数量,我们暂时不做表达。

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那么这些额外维度的形态究竟是什么样子呢?我们还无法确定。不过,我们可以基于弦理论的数学模型推导出一些可能的形状选项。当这个想法一开始被提出是这个可能性只有五个,所以我们觉得可以对他们进行逐一的分析验证,然后排除掉错误的。这样我们就离最终的答案不远了。

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可是,随着研究的深入,基于弦理论的数学模型可以推导出的这些可能性在不断的增加。从一开始的五个一直增加到数千了。不过这虽然看起来数量庞大,但其实仍然可以通过不断的努力分析出最终的结果。毕竟这可是验证最有希望成为宇宙大一统理论的弦理论是否正确的大问题,太简单的话似乎也不太真实,可是悲催的事情很快就发生了,因为这个可能性仍然在不断的快速增加。但他从几百万个可能一路增加到几万亿个时,是这个让人崩溃的结果,这一切似乎都走进了死胡同。难道弦理论就这样废了吗?还好有一些人决定回头从问题的源头开始探寻。如果说宇宙是多元的呢?

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或许这些基于弦理论的数学模型推导出的额外维度的无数个可能性的几何形态,他们都是真实存在的。这意味着额外维度的几何形态有多少种可能性,也就存在着同样数量的其它宇宙。或者说每一个宇宙都有其特有的额外维度形态,而他们自身特有的额外维度形态则决定了这个宇宙特有的一套物理规则。那么这个多元宇宙究竟是一套什么样的理论呢?

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所谓的多个宇宙是否真的存在有没有科学验证的可能性呢?那些除我们宇宙之外,可能以其他形式存在着的宇宙,他们有着哪些独特的物理特性?暗能量是什么?暗能量的数量和这些宇宙存在着哪些必然的联系?而且这些其他的宇宙是如何产生出来的?相信随着科学发展未来人类会得到答案!

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