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宇宙的十个维度

 蓝血军魂 2015-03-08

理论上,如果你能够控制第五维和第六维,就可以在时间上回到过去,或前往不同的未来。



“超弦理论”认为,宇宙同时存在于十个维度上。图片来源:印度蒂鲁吉拉伯国家技术研究所。


当有人提及“不同的维度”,我们倾向于想到的是类似平行宇宙这样的东西——与我们现实平行的替身,只是那里的一切以不同的方式在运作和发生着。但是,真正的维度,及其在宇宙秩序中所扮演的角色,和大众的说法差别相当大。


分开来说,维度只是不同的面,通过它们,我们感知到了现实。在日常经验中,我们会立即觉察到周围存在着三个维度——它们确定了宇宙中所有物体的长度、宽度和厚度(分别对应 x、 y、z 三个轴)。


除了这三个可见的维度,科学家相信还可能存在着更多的维度。实际上,”超弦理论“的理论框架认为,宇宙存在于十个不同的维度中。这些不同的面支配着宇宙、自然的基本作用力,以及所有其内部的基本粒子。


第一个,正如已经提到的,是能够形成长度(亦即 x 轴)的维度。解释一维的最好物体是直线,它只有长度,而没有其他可识别的特点。加上第二维,y 轴(或宽度),你得到的就是一个具有二维形状的物体(像一个方形)。


第三个维度涉及的是厚度(z 轴),它给所有物体带来了领域感和横截面。三维的最好例子是立方体,它存在于三个维度中,有长度、宽度和厚度,因此有了体积。除了这三个,还有七个对我们来说并不显而易见的维度,但它们会对宇宙和现实产生直接影响,因此仍然是可以被理解的。



宇宙时间轴,起始于宇宙大爆炸。根据”弦理论“,这只是许多“可能世界”中的一个。来源:NASA


科学家相信第四个维度是时间,它在某一个点上支配着所有已知物质的属性。和其他三个维度一起,获知一个物体在时间中的位置,是标出它在宇宙中位置的基本方法。其他维度则是更深层可能性开始起作用的地方,解释它们间的相互作用,对物理学家来说,是一件特别麻烦的事情。


根据“超弦理论”,在第五维和第六维上,出现了“可能世界”的概念。如果我们能够通过第五维进行观察,就会看到一个与我们这个世界稍有不同的世界,并给予我们一种测量我们这个世界与其他“可能世界”间的相似性和差异性的方法。


在第六维上,我们将看到一个布满了“可能世界”的平面,在这里,我们可以用与我们这个宇宙相同的初始条件(也就是宇宙大爆炸),对那些“可能宇宙”进行比较和定位。理论上,如果你能够控制第五维和第六维,就可以在时间上回到过去,或前往不同的未来。


在第七个维度上,你可以触及所有拥有不同初始条件的“可能世界”。无论是第五维还是第六维,它们的初始条件都是相同的,而随后的表现是不同的,但是此处,从时间的起点开始,一切都是不同的。第八维则再次为我们提供了一个展现这类“可能宇宙”历史的平面,这些“可能宇宙”中的每一个都有不同的初始条件,并能分化出无限多种可能性。


在第九维上,你可以对所有这些“可能宇宙”的历史进行比较,这些“可能宇宙”拥有完全不同的物理学法则和初始条件。在第十维度,也就是最终维度上,我们所到达的高度已经涵盖了一切可能性和想像力。自此以后,像我们这样低等的凡人再也无法进行想像,它是维度意义上我们所能设想的自然极限。



“卡拉比-丘”流形所解释的额外维度,在这里所有基本粒子的属性都是隐藏的。来源:A Hanson


额外六个无法感知维度的存在,对于“弦理论”在解释自然时保持连贯性是必要的。我们事实上只能感知其中四个维度的原因,可以用两种机制来解释:要么这些额外的额度卷缩在极小的尺度上,要么我们这个世界存在于一个三维的子流形,也就是一张“膜”上,在这里,除了引力,所有已知粒子都是受到限制的(亦即膜理论)。


如果额外维度是卷缩的,那么这六个维度就必然存在于“卡拉比-丘”流形(上图)中。即便我们无法感知它们,它们也可能最初支配过宇宙的形成。这就是为什么科学家相信,用望远镜研究来自早期宇宙的光线(如几十亿年前),回望时间上的过去,就可能会看到这些额外存在的维度影响宇宙演化的方式。


正如其他候选“大统一”理论——也就是所谓的“万物理论”——一样,之所以相信宇宙是由十个维度构成的(或更多,取决于采用哪种弦理论模型),是因为它们想要把粒子物理的标准模型和引力的存在统一起来。简短地说,这是一种想对宇宙中所有已知的力相互作用的方式,以及其他“可能宇宙”自身可能的运作方式进行解释的尝试。


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