霍金：宇宙空间为什么是三维的？

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爱因斯坦强烈反对宇宙由偶然性制约的思想。他的感受可用他的一句名言来概括：“上帝不掷骰子。”但是所有证据都表明，上帝是位地地道道的赌徒。宇宙就像一个巨大的赌场，随时都有骰子不停被投掷，赌轮盘不停旋转。赌场老板在每次骰子被掷或赌轮盘旋转时，都有赔钱的风险。但是赌了大量次数，各种输赢就被平均了，而赌场老板确保它们的平均对自己有利。那就是为什么赌场老板这么富有。

宇宙也是一样。当宇宙很大时，存在巨量掷骰子行为，结果平均到人们可以预测的程度。但是当宇宙非常小，在宇宙大爆炸附近，只有少量掷骰子行为，而不确定性原理就非常重要。因此，为了理解宇宙的起源，人们必须将不确定性原理并入爱因斯坦的广义相对论。至少在过去的30年里，这一直是理论物理学的巨大挑战。我们尚未解决它，但取得了很多进展。现在假设我们试图预测未来。因为我们只知道粒子的位置和速度的某种组合，所以我们无法对粒子的未来位置和速度做出精确的预测。我们只能为特定的位置和速度组合赋以概率。因此宇宙的特定未来有一定的可能性。但现在假设我们试图以同样的方式理解过去。

鉴于我们现在可以做出的观察的性质，我们所能做的全部就是将概率赋予宇宙的特定历史。因此，宇宙必然拥有许多可能的历史，每个历史都有自己的概率。存在一个宇宙的历史，英格兰再次赢得世界杯，尽管概率很低。宇宙有多个历史的观点听起来可能像科幻小说，但它现在已被接受为科学事实。这要归功于理查德·费曼，他曾在极具声望的加州理工学院工作，并在附近的脱衣舞酒吧打邦戈鼓。费曼理解事物如何运行的方式是，给每个可能的历史分配特定的概率，然后使用这个思想做出预测。它预测未来的效果非常好。因此我们认为它也可以倒推过去。

宇宙边界条件

科学家们正在努力将爱因斯坦的广义相对论与费曼的多重历史的思想结合成为一个完整的统一理论，它将描述宇宙中发生的一切。这个统一理论将使我们能够计算出宇宙会如何演化，只要我们知道它在某时刻的状态。但统一理论本身并没告诉我们宇宙是如何开始的，或者它的初始状态是什么。

为此，我们需要额外的东西。我们所需要的被称为边界条件，它告诉我们在宇宙的边界，即空间和时间的边缘发生了什么。不过如果宇宙的边界只是处于空间和时间的正常点的话，我们可以越过它并宣称超越的领域还是宇宙的一部分。另一方面，如果宇宙的边界是锯齿状的边缘，那里的空间或时间被压缩，而且密度为无限，那么要定义有意义的边界条件就非常困难。所以尚不清楚需要什么样的边界条件。

然而，加州大学圣巴巴拉分校的吉姆·哈特尔和我意识到第三种可能性：也许宇宙在空间和时间上没有边界。乍一看，这似乎与我前面提到的几何定理直接矛盾。这些定理表明宇宙必须有一个开始，一个时间边界。然而，为了使费曼技巧在数学上得到很好的定义，数学家们发展了一个叫作虚时间的概念。它与我们所经验的实时间无关。这是一个使计算成立的数学技巧，它取代了我们经验的实时间。我们的思想是说，在虚时间里没有边界。这就使试图发明边界条件没有必要。我们把这个思想称为无边界设想。

如果宇宙的边界条件是它在虚时间中没有边界，那么它不止存在一个历史。在虚时间里存在许多历史，其中每个都将确定在实时间中的历史。因此，我们拥有极丰富的宇宙历史。是什么从宇宙所有可能的历史中挑选出我们生活其中的特定历史或一组历史呢？

宇宙的人存原理

我们很快注意到的一点是，这些可能的宇宙历史中很多不能经历形成星系和恒星的次序，后者对我们自身的发展至关重要。也许智慧生命会在没有星系和恒星的情况下进化，但那似乎不太可能。这样，我们作为能诘问“为什么宇宙是这样的？”的生命存在这一确凿事实本身就是对我们生活其中的历史的限制。这意味着它是少数拥有星系和恒星的历史之一。

这是所谓“人存原理”的一个例子。人存原理说，宇宙必须或多或少是我们看到的样子，因为如果它是不同的，那么就没有任何人在这里观察它。

许多科学家不喜欢人存原理，因为它似乎只比虚晃一招稍好，而不具有很强的预言能力。但是人存原理可以给出一个精确的表述，它在处理宇宙起源时似乎必不可少。M理论是我们完备的统一理论的最好候选者，它允许非常大量的可能的宇宙历史。大多数这些历史非常不适合智慧生命的发展。要么它们是空的，要么是过于短命的，要么是过于高度弯曲的，或在其他方面出错。然而，根据理查德·费曼的多重历史思想，这些无人居住的历史可能有相当高的概率。

斯蒂芬··霍金（Stephen William Hawking)

作为人存原理威力的一个例子，让我们考虑空间方向的数量。我们生活在三维空间中是一个常识。也就是说，我们可以用三个数字来表示空间中一个点的位置。例如，纬度、经度和海拔。但为什么空间是三维的？为什么它不是两维、四维，或其他一些维数，如科幻小说中那样？事实上，在M理论中，空间有十个维度（这理论也具有一维时间），但人们认为，十维空间方向中的七维被卷曲得非常小，留下三维大而近似平坦的方向。它就像一根吸管。吸管的表面是二维的。然而，一个方向被卷曲成一个小圆圈，因此隔开距离看，吸管就像一根一维的线。

为什么我们不生活在一个历史中，其中八个维度被蜷缩得很小，只留下我们注意到的两维？原因是，两维动物将难以消化食物。如果它像我们一样，有一个直通的肠道，它就会将那只动物分裂成两部分。这个可怜的生物就被分解了。因此，对于任何像智慧生物这样复杂的事物，两个平坦的方向是不够的。

三个空间维度有一些特殊之处。在三维空间中，行星可以在恒星周围具有稳定的轨道。这是服从由罗伯特·胡克在1665年发现，并由艾萨克·牛顿详细阐述的引力服从平方反比定律的结果。考虑两个物体在特定距离处的引力，如果该距离加倍，则它们之间的力减到四分之一；如果距离增加 3倍，则将力除以 9，依此类推。这导致了稳定的行星轨道。现在让我们考虑四个空间维度。万有引力就会遵循立方反比律。如果两个物体之间的距离加倍，那么引力将被除以 8，3倍则除以27，如果是4倍，则除以64。这种立方反比律的改变使行星在它们的恒星周围不可能拥有稳定的轨道。它们要么落入它们的恒星，要么逃逸到外面的黑暗和寒冷中去。同样，原子中的电子轨道也不稳定，这样我们所知道的物质就不会存在。

因此，虽然多重历史的思想允许任何数目的几乎平坦的方向，但只有拥有三个平坦方向的历史将包含智慧生命。只有在这样的历史中这个问题才会被提出：“为什么空间具有三个维度？”

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编辑 ∑Pluto

来源：环球科学