理论物理学是一个引人入胜且有趣的领域,虽然大多数人对这个领域了解甚少,但它的很多高级概念一直在流行文化中出现,比如科幻烧脑电影中的核心都涉及到了“量子”“时空旅行”、“反物质”和“多元宇宙”等概念。但理论物理学中的一些更高级的概念听起来更像是哲学,而不是科学,甚至模糊了科学与神学之间的界限。

这里不得不提一下“维度”这个概念,相对论说我们生活在一个四维空间,而有科学家说“宇宙是十一维的”。那我们的宇宙究竟有多少个维度?是否有额外的维度,它们如何影响我们的现实?

只有四维(3维空间+1维时间)?科学家玩不下去了!

我们所知的世界具有三个空间维度——长度、宽度和深度,对应就是数学里的X、Y和Z轴。然而,科学家们坚持认为,要理解自然规律必须包括一个“第四维”,即时间(T)。没有这个坐标,就无法正确测量宇宙中物体的位置、速度和加速度。仅仅根据三个空间坐标知道一个物体的位置是不够的,你还需要知道对象何时在何处。

除了这四个维度之外,理论物理学家还提出一种令人费解的可能性,那就是存在更多的维度——额外维度(extra dimensions)。而额外维度的出现原因与两个非常有趣的研究领域有关:量子力学和广义相对论。

经过数千年对自然及其支配规律的研究,科学家们确定四种基本力(电磁力、弱力、强力和引力)支配着所有的物质-能量相互作用。前三种力属于量子力学领域,描述了能量和物质在原子和亚原子水平上的行为;而广义相对论描述了物质、能量和时空在存在引力的情况下在更大尺度上的行为。

如果是在100多年前,用牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦的方程组去计算,无论是在哪个维度计算都能得到正确结果,毕竟它们的公式里没有维度这个变量。但是量子力学和广义相对论的出现,科学家不得不用两者来研究物理学。若是两者单独研究,则相安无事;若结合起来研究,求个概率都能得出负数或者大于1的结果。于是额外维度就出现了——超弦理论诞生了。

宇宙到底有几个维度?

其实建立引力和电磁学统一场论的尝试可以追溯到德国物理学家西奥多·卡鲁扎(Theodor Kaluza)。他在1921年发表一篇论文,提出了对爱因斯坦引力场方程的扩展解释。该理论建立在五维宇宙的概念之上,其中包括一个超越常见四维空间和时间的维度。

1926年,瑞典理论物理学家奥斯卡·克莱因(Oskar Klein)对卡鲁扎的五维理论进行了量子解释。在克莱因的延伸中,第五维度是卷曲的、微观的,可以是一个半径为10负30次方厘米的圆形。从数字比例看,这是一个比原子还要小20多个数量级的东西,即使今天的科技也无法观测。

不过卡鲁扎和克莱因的理论促使了弦理论(ST) 的出现,该理论于1960年代首次提出。到1990年代,出现了多种解释,包括超弦理论、循环量子引力、M理论和超引力。这些理论中的每一个都需要存在“额外维度”、“超空间”或者类似的东西。

后来科学家在弦理论的基础“充值”,变成了超弦理论,认为存在10个时空维度。其中包括对我们来说显而易见的四个维度(长度、宽度、深度、时间)和另外六个不明显的维度。

第五维度:(平行世界)

第五个维度包含了宇宙中发生的所有事件的所有可能结果。假设在我们的世界中,恐龙已经灭绝,现在想象一个与恐龙仍然存在的世界相同的世界。

第六维:(平行/多宇宙)

在这个维度中,我们可以看到这样一个平面,这些可能世界(可能的地球)以相同的初始条件(即大爆炸)开始。理论上,如果你能掌握第五维度和第六维度,你就可以穿越时空或者去不同的未来。

第七维:(具有不同初始条件的平行/多宇宙)

我们可以看到具有不同初始条件的这种可能世界/宇宙的平面。例如,一个世界可能在我们的观察参考(大爆炸)之前已经形成,一个可能刚刚形成。在这里,一切都从一开始就不同了。

第八维:(无限宇宙)

这个维度展示了每个宇宙的所有过去和未来,这个维度可以无限延伸。

第九维:(具有不同物理定律的平行/无限宇宙)

在这个维度,我们可以比较所有可能的宇宙历史,从所有不同的可能物理定律和初始条件开始。

第十个维度:

在这个最终维度中,定义了一切可能和想象的事物。除此之外,我们凡人无法想象。

不过科学家们根据超弦理论又提出了5种形式不一样的理论,谁对谁错?后来美国数学物理学家爱德华·威滕将各种相容形式的超弦理论统一起来,形成“M理论”:假定存在11个维度——10个空间和一个时间。ps:之所以是11个维度,是因为超过11个(条件变得不稳定),粒子自然会坍缩回10或11个维度。

一方面,M理论预测了引力子的存在,这与弦论整体上是一致的,并为量子引力提供了解释。同时它还预测了一种类似于黑洞蒸发的现象,即黑洞发出“霍金辐射”并随着时间的推移而失去质量。

但迄今为止,还没有实验证据证明存在“额外维度”、“超空间”或超出我们可以感知的四个维度的任何事物。

为什么我们“看不见”其他维度?

如果有11个维度,那为什么我们没有体验到所有维度,或者没有检测到它们?科学家认为有两种可能性:一是我们对物理学的了解是错误的,但大型强子对撞机(LHC)的实验证实第五维度的存在;二是我们体验到的四维之外的时空维度是如此微小且如此短暂,以至于我们目前无法检测到它们。

科学家认为,如果两个质子以足够高的速度撞击在一起,它们就有能力产生一个微小的黑洞,该黑洞将在消失前仅存在几分之一秒。本质上讲,某些维度是有限的或时间性的。打个比方:如果泡沫开始膨胀时你站在附近,你就看不到它的到来。如果它从下面向你袭来,你的脚在你的头脑意识到之前就不存在了。

而对于天体物理学家和理论物理学家来说,额外维度很小的说法解释了为什么宇宙 在出现数十亿年后仍然存在。如果这些维度更大,它们将容纳足够的物质来触发引力坍缩和黑洞的形成(这将消耗宇宙的其余部分)。

宇宙在138亿年后仍然存在,而且没有任何分裂的迹象,这一事实表明这个理论是正确的。或者,物理定律在这些额外维度中的运作方式可能不同。不管怎样,我们如何观察和研究它们仍然是一个悬而未决的问题。