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宇宙的十个维度

百科 2024-08-22 10:00 湖北

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）。

“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。

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。

文/Matt Williams 译/老孙

仔细想想，我们面前所遇到的困难在浩瀚的宇宙面前都算个啥？

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