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宇宙为什么是三维空间

  

一些非常令人信服的观测证据已证明宇宙是如何诞生的大爆炸理论,包括宇宙微波背景辐射的测量和元素的相对丰度。宇宙学家解释,大爆炸的最初几秒钟内,宇宙开始存在,并形成一个小点。但对于这一点,无法用传统的物理学来解释,这需要一种把相对论与量子力学相结合的新理论才能使对那一刻的解释合理化。

为什么宇宙是今天看到的三维空间的样子,而不是9维空间或10维空间(含时间维)?三维宇宙如何从原来的9维空间演变而来,利用超级计算机模型模拟宇宙的诞生可以给出一个解释。

根据弦理论,弦是自然界中最基本的单位,在普朗克尺度中振动。我们每时每刻都要经历全尺寸的三个空间维度,一个时间维度,以及在普朗克尺度揉皱的6个额外维度,就像皱巴巴的纸。这些额外的维度的几何形状,有助于确定弦振动的共振模式,这些振动模式决定形成的基本粒子类型,产生周围观察到的物质力量。在原理上,与电场和磁场振动产生整个光谱大致相同,或小提琴振动的弦产生不同的音符。所有的物质(和所有的力)都由这些振动组成,包括重力。弦振动相当于受重力作用的粒子。

不依靠额外维度,不包括引力,而是将电磁力与强相互作用和弱相互作用的核力结合起来,为大而嘈杂的亚原子粒子家族提供了一个整洁的理论框架。在詹妮特?温特森(Jeanette Winterson)的小说《宇宙的均衡》(Gut Symmetries)中,物理学家朱庇特把这个标准模型称为飞篷布 ,在这个模型中,有一个张口状的洞,它大、丑陋、有用的,涵盖了你想要的,忽略重力,超弦理论(Superstring theory)试图在堵塞那个洞。这就是物理学家在20世纪苦心拼凑起来的一个合理有效的物理学标准模型

量化的广义相对论意味着弦理论可以用来探索宇宙诞生时无限微小的点。大爆炸之前的宇宙是一个完美对称的9维宇宙(加上时间维度是10维),四个基本力量在难以想象的高温中得到统一。但是,这个宇宙极不稳定,并破裂成两个,在雏形宇宙中发出一个巨大的冲击波。其结果是分裂成两个独立的时空:我们所居住的展开的三维空间,一个六维的时空剧烈收缩成一个微小的普朗克球。随着宇宙的膨胀和冷却,四大力量一个接一个地分裂,首先从重力开始。今天所看到的一切都只是原来九维宇宙的一个碎片。

支持这一观点的物理学家还不能确定为什么会发生这些变化,但他们怀疑这可能是由于令人难以置信的张力,以及需要维持一个超对称状态,使不稳定的状态稳定下来。试想一下,床单洗了以后略有缩水,床单被拉得很紧才能铺到床的四个角,这样织物上就充满张力,拉动这个角,床单的那个角就会蜷缩。同床单一样,原来的10维时空结构被拉长,处于超对称状态,但张力变大,时空就一分为二。其中一部分蜷缩成一个小球,宇宙破裂的余震使另一部分向外迅速扩展,这一时期被称为膨胀期——这成为现在见到的宇宙。

日本学者利用弦理论制定的矩阵模型解决了这个问题。该设计模拟复杂的弦的相互作用。对于非常复杂的技术原因,矩阵模型和现实世界之间的连接有点模糊,主要是因为:第一,假设弱相互作用,其实弦之间的相互作用是相当强的;第二,运算中的时间变量不会在数学意义上被视为真实的。这些新的模拟假设强相互作用,并把时间当作一个真正的变量。

日本科学家的模拟结果表明:宇宙诞生之时有9个空间维度,但其中只有3个维度经历了扩展。这是一个三维的宇宙如何从10维空间(含时间维)出现的第一次实际演示,为理论的有效性提供了有力的支持。这一切发生的机制是什么?对于一个10维的宇宙,超对称性有数百万种的方式突破。

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