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一

科學(xué)家為什么要提出多維空間理論？

如果只是描述日常生活的話，三維空間已經(jīng)完全夠用了。對(duì)于日常生活中的任何一個(gè)事物，我們都只需要三個(gè)維度就能確定它的位置。無(wú)論你是用長(zhǎng)寬高，還是用經(jīng)度、緯度和高度，都最多只需要三個(gè)維度就夠了。而且這種方式還很符合人類的直覺。

那為什么物理學(xué)家還想探索更高的維度呢？這是因?yàn)椋S空間雖然足以解釋日常生活，但是在解釋宇宙底層的規(guī)律時(shí)，卻顯得十分復(fù)雜。

二

宇宙中四種力

物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，宇宙中的一切現(xiàn)象都可以被歸結(jié)為四種力：引力、電磁力、弱核力還有強(qiáng)核力。但問題是，這四種力互不相似，描述它們的物理定律也各不相同，不能把它們統(tǒng)一在一起。這就讓物理學(xué)家們十分苦惱，難道自然規(guī)律真的是以這么復(fù)雜的形式表現(xiàn)出來(lái)的嗎？

在大部分物理學(xué)家看來(lái)，描述宇宙底層規(guī)律的物理定律應(yīng)該是簡(jiǎn)單優(yōu)美的，所以一直以來(lái)，科學(xué)家們都相信一定可以把四種基本力結(jié)合起來(lái)，找到一個(gè)更加和諧的理論。而恰巧，多維空間理論就具有這個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)我們?cè)诙嗑S空間表述自然規(guī)律時(shí)，一切都會(huì)變得更為簡(jiǎn)單和優(yōu)美。在這樣的背景下，增加時(shí)空維數(shù)的超空間理論誕生了。

三

為什么在多維空間中的自然規(guī)律會(huì)更加簡(jiǎn)單優(yōu)美？

假如花園的水池里有許多金魚，有一天，下了暴雨，池子里的睡蓮被沖刷得左右搖擺。對(duì)于魚來(lái)說，睡蓮似乎是自己在運(yùn)動(dòng)，因?yàn)轸~看不見水，就像人類看不見我們賴以生存的空氣和空間一樣，所以這些魚一定會(huì)很困惑，為什么睡蓮會(huì)運(yùn)動(dòng)？

是不是因?yàn)橛幸环N神秘復(fù)雜的力量在操控它們？但如果這些魚離開了池塘，進(jìn)入了一個(gè)更高層次空間的話就會(huì)發(fā)現(xiàn)，睡蓮會(huì)動(dòng)只是因?yàn)樗刂獾氖澜缦铝艘粓?chǎng)雨而已，是一件很簡(jiǎn)單的事情。只不過，魚根本就不知道還有水池之外的世界罷了，這就是金魚所處的時(shí)空維度不夠高的結(jié)果。

四

愛因斯坦的突破

我們?nèi)祟惼鋵?shí)跟這群水池里的魚也有相似之處。如果我們理所當(dāng)然地認(rèn)為，宇宙只包含那些看得見摸得著的事物，拒絕承認(rèn)可能存在更高維度的空間，那很多問題就無(wú)法解決。如果我們?cè)敢鈴母呔S度的空間來(lái)看待問題的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)三維世界中看似紛繁復(fù)雜的物理現(xiàn)象，在多維空間中可以有很簡(jiǎn)單的解釋。這個(gè)道理就像看氣象云圖一樣，我們?cè)诘孛嫔虾茈y預(yù)測(cè)風(fēng)的方向，而一旦升到高空俯視云層，就可以輕而易舉地預(yù)測(cè)風(fēng)向變化。

舉個(gè)例子，在愛因斯坦之前，人們一直相信絕對(duì)時(shí)空觀，意思就是說，三維的空間和一維的時(shí)間是相互獨(dú)立的，沒有關(guān)系，互不干擾，但到了1905年，愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論，把三維空間和一維時(shí)間結(jié)合到了一起，創(chuàng)造出了四維時(shí)空的概念。狹義相對(duì)論的本質(zhì)，就是用四維時(shí)空來(lái)描述高速情況下的物理現(xiàn)象。

四維時(shí)空的提出，簡(jiǎn)化了許多復(fù)雜的物理學(xué)原理。比如說，描述電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程組，以前要寫成4行，包含整整8個(gè)方程，時(shí)間和空間在這8個(gè)方程中要被分開處理，非常復(fù)雜，但在引入了時(shí)間作為第四維后，這8個(gè)方程就可以被統(tǒng)一為一個(gè)簡(jiǎn)潔漂亮的方程，也就是麥克斯韋方程組的相對(duì)論形式，這被當(dāng)做是物理公式優(yōu)美的典范。

之后，利用四維時(shí)空的概念，愛因斯坦重新解釋了引力，提出了廣義相對(duì)論。在廣義相對(duì)論中，引力的本質(zhì)其實(shí)就是四維空間的彎曲。愛因斯坦的引力理論再次震驚了世界，同時(shí)也回答了許多牛頓引力理論所無(wú)法回答的問題。

五

數(shù)學(xué)家卡魯查的突破

不光是愛因斯坦，其他科學(xué)家也利用多維空間取得了理論突破。比如有一位叫作卡魯查的數(shù)學(xué)家，就給愛因斯坦寄了一篇自己的文章。在這篇文章中，卡魯查通過在四維時(shí)空的基礎(chǔ)上引入第五空間維，居然統(tǒng)一了愛因斯坦的引力場(chǎng)理論和麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。也就是說，這個(gè)五維空間成功地把引力和電磁力這兩種基本力結(jié)合在了一起。

雖然在卡魯査的五維空間中，四種基本力中的核力仍然被排除在外，但物理學(xué)家們已經(jīng)開始看到曙光。你想想，只是在三維空間的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)時(shí)空維數(shù)，人類就統(tǒng)一了四種基本力中的兩種，那再多增加幾個(gè)時(shí)空維數(shù)，我們說不定能統(tǒng)一四種基本自然力了。

隨著科學(xué)的飛速發(fā)展，物理學(xué)家們逐漸發(fā)現(xiàn)，自然規(guī)律在多維空間中表述時(shí)會(huì)更簡(jiǎn)單和優(yōu)美，這意味著我們有希望通過增加時(shí)空維數(shù)來(lái)統(tǒng)一四種基本物理力，找到終極的統(tǒng)一理論，于是，多維空間理論就這樣誕生了。

六

量子理論的誕生

剛才講到，卡魯查利用五維空間把電磁力和引力結(jié)合到了一起，讓愛因斯坦都為之震驚，但問題是，這個(gè)理論為什么沒有發(fā)展下去呢？這是因?yàn)?，?0世紀(jì)30年代開始，物理學(xué)家們成群地離開了這個(gè)研究領(lǐng)域，轉(zhuǎn)而熱情地投身于一種新的理論，也就是跟相對(duì)論并稱為“當(dāng)代物理學(xué)兩大支柱”的量子理論。

在量子理論誕生后，多維空間理論就被打入了冷宮。一方面是因?yàn)楦呔S空間虛無(wú)縹緲，沒辦法用實(shí)驗(yàn)證實(shí)；另一方面也是因?yàn)榱孔永碚摰拇_偉大，可以精準(zhǔn)地解釋許多匪夷所思的問題。

在量子理論中，宇宙是由各種各樣的粒子組成的。不光物質(zhì)是由粒子構(gòu)成的，力也是由于粒子的交換而產(chǎn)生的。比如說，兩個(gè)電子碰撞時(shí)之所以會(huì)產(chǎn)生相互排斥的電磁力，就是因?yàn)樗鼈兘粨Q了一個(gè)光量子。除了光量子以外，還有產(chǎn)生強(qiáng)核力的 π 介子，產(chǎn)生弱核力的 W 玻色子等，總之它們都和粒子有關(guān)。所以，量子理論就成功地把電磁力、強(qiáng)核力、弱核力這三種基本力都統(tǒng)一了起來(lái)。

從20世紀(jì)30年代開始，直到80年代中期，量子理論幾乎主宰了物理學(xué)界，沒有學(xué)者再去嘗試用其它方式解釋除了引力之外的另三種基本力了。之后，量子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型也慢慢建立了起來(lái)，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，一切問題都要從粒子角度出發(fā)來(lái)進(jìn)行解釋。標(biāo)準(zhǔn)模型是目前精度最高的物理模型，幾乎可以完美地符合一切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

七

量子理論的瓶頸

量子理論從20世紀(jì)五六十年代開始就逐漸陷入了瓶頸。這是因?yàn)椋藗冊(cè)谠訉?duì)撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多種類的粒子，這些海量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然確實(shí)證明了量子理論的成功，但也把物理學(xué)家們搞得暈頭轉(zhuǎn)向。

舉個(gè)例子，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，就算是最基本的夸克都有整整36種，而不同夸克的組合又會(huì)產(chǎn)生不同的粒子，這樣組合下來(lái)簡(jiǎn)直數(shù)都數(shù)不過來(lái)。此外，在加來(lái)道雄寫這本書的時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)模型中就已經(jīng)有了6種輕子、12種楊-米爾斯場(chǎng)和至少19個(gè)需要人為確定的常數(shù)，這一切都說明標(biāo)準(zhǔn)模型理論實(shí)在是太復(fù)雜了。

所以，即使是量子理論最堅(jiān)定的支持者，也絕不會(huì)認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型是解釋宇宙本原的終極理論。首先，就像剛才說的，標(biāo)準(zhǔn)模型過于復(fù)雜；但更重要的是，標(biāo)準(zhǔn)模型一直無(wú)法描述引力，對(duì)于引力的解釋還是要靠愛因斯坦的廣義相對(duì)論。量子理論和廣義相對(duì)論這兩大當(dāng)代物理學(xué)的支柱理論還是沒能結(jié)合起來(lái)，既然如此，那標(biāo)準(zhǔn)模型肯定就不是一個(gè)完備的理論。

到了20世紀(jì)80年代，物理學(xué)幾乎走進(jìn)了一條死胡同。引力就是沒法跟其它三種力統(tǒng)一起來(lái)，相對(duì)論跟量子理論就是涇渭分明，無(wú)法融合。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家都認(rèn)為，這可能是人類歷史上最大的科學(xué)難題，誰(shuí)要是解決了這個(gè)問題，就相當(dāng)于捧起了“物理學(xué)圣杯”。

八

十維超弦理論

就在這個(gè)時(shí)候，休眠了半個(gè)多世紀(jì)的多維空間理論重新引起了物理學(xué)家的關(guān)注。它以一種精妙的表現(xiàn)形式，一躍成為了最有希望實(shí)現(xiàn)大一統(tǒng)的理論，讓整個(gè)物理學(xué)界為之震驚，這個(gè)形式就是“十維超弦理論”，也被簡(jiǎn)稱為弦理論。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，宇宙是由粒子構(gòu)成的，但這些粒子的種類實(shí)在是太多了，而且科學(xué)家們也無(wú)法解釋為什么會(huì)有這么多種粒子，而弦理論就回答了這個(gè)問題。

在弦理論中，宇宙的基礎(chǔ)構(gòu)成元素不再是粒子。弦理論提出，如果我們能把一個(gè)粒子放大一萬(wàn)億億倍，你就能看出它并不是一個(gè)點(diǎn)，而是一條正在振動(dòng)的弦，就跟小提琴上的弦差不多。理論上，弦能以任意頻率振動(dòng)，不同的振動(dòng)模式就會(huì)產(chǎn)生不同的粒子。這就像你拉小提琴的時(shí)候，即使是同一根弦，也可以拉出很多個(gè)音。所以，振動(dòng)的弦能構(gòu)成無(wú)窮多的物質(zhì)形式，這就解釋了自然界中粒子的豐富性。

當(dāng)然了，弦理論真正的魅力，在于它有可能把廣義相對(duì)論和量子理論結(jié)合到一起。因?yàn)楦鶕?jù)弦理論，一根弦如果想要在時(shí)空中完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，就必須遵循一套條件，其中就包含了對(duì)時(shí)空的限制條件。物理學(xué)家們?cè)谟?jì)算這個(gè)限制條件時(shí)發(fā)現(xiàn)，弦理論居然可以直接導(dǎo)出愛因斯坦方程。這就意味著，弦理論既能對(duì)量子理論中的物質(zhì)粒子作出完美的解釋，也能兼容愛因斯坦的相對(duì)論，它是一個(gè)真正包羅萬(wàn)象的理論。

科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從弦理論出發(fā)，人們可以重新推導(dǎo)出過去2000年來(lái)物理學(xué)的所有進(jìn)展。所以像愛德華·威騰這樣頂尖的物理學(xué)家甚至認(rèn)為，廣義相對(duì)論出現(xiàn)在弦論之前是“地球上的一個(gè)偶然事件”，宇宙中的其它文明很有可能會(huì)先發(fā)現(xiàn)弦理論，然后通過弦理論來(lái)導(dǎo)出廣義相對(duì)論。威騰甚至說，“物理學(xué)中所有真正偉大的思想”都是弦理論的“派生理論”。

弦理論這么厲害，它跟多維空間又有什么關(guān)系呢？剛才講到過，在弦理論中，弦的運(yùn)動(dòng)是要遵循一套限制條件的?？茖W(xué)家們通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這套條件就規(guī)定了弦必須在一個(gè)特定的維數(shù)中運(yùn)動(dòng)，也就是必須在十維空間中運(yùn)動(dòng)，才能讓弦理論成立。如此一來(lái)，多維空間理論就重新回歸物理學(xué)家的視野，并且讓當(dāng)代物理學(xué)產(chǎn)生了一次重大變革。

九

多維空間理論能被證實(shí)嗎？

剛剛已經(jīng)說過，在弦理論中，宇宙必須是十維的，那你可能會(huì)想，我們普通人確實(shí)只能感受到三個(gè)空間維和一個(gè)時(shí)間維，那這剩下的六個(gè)維度都去哪了呢？對(duì)于這個(gè)問題，物理學(xué)家的解釋是，剩下的這六個(gè)維度被緊緊地卷曲到了一個(gè)非常非常小的尺度上，所以目前無(wú)法被人類觀測(cè)到。

既然有六個(gè)維度無(wú)法觀測(cè)，這就意味著弦理論目前無(wú)法通過實(shí)驗(yàn)得到檢驗(yàn)。那問題來(lái)了，稍有科學(xué)常識(shí)的人都知道，任何一個(gè)科學(xué)理論都必須可以被檢驗(yàn)才行，否則就是偽科學(xué)了，一個(gè)目前無(wú)法被檢驗(yàn)的理論，那不就是毫無(wú)意義的嗎？的確，有不少弦理論和多維空間理論的質(zhì)疑者們都經(jīng)常會(huì)提起這個(gè)問題，這也是弦理論面對(duì)的最大挑戰(zhàn)之一。

弦理論并不是永遠(yuǎn)無(wú)法被檢驗(yàn)的，只是對(duì)它的檢驗(yàn)超出了人類目前的技術(shù)水平，因?yàn)樵诙嗑S空間這個(gè)領(lǐng)域，理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)地走在了實(shí)驗(yàn)的前面。在歷史上，科學(xué)家們?cè)?jīng)多次認(rèn)為某個(gè)現(xiàn)象不可檢驗(yàn)或不可證實(shí)，但最終這些現(xiàn)象還是得到了間接的檢驗(yàn)或者證實(shí)。

舉例：在19世紀(jì)，法國(guó)哲學(xué)家孔德認(rèn)為，由于恒星距離我們太過遙遠(yuǎn)，所以人類永遠(yuǎn)無(wú)法了解恒星的構(gòu)成。聽起來(lái)似乎很有道理，但是讓孔德尷尬的是，幾乎就在同時(shí)，一位德國(guó)物理學(xué)家通過分析從遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出來(lái)的白光光譜，確定了這些恒星的化學(xué)組成。

對(duì)于一些看起來(lái)無(wú)法檢驗(yàn)的科學(xué)論證，我們其實(shí)可以采取間接實(shí)驗(yàn)的方式去對(duì)它們進(jìn)行證實(shí)或證偽。弦理論也一樣，不能因?yàn)槭S時(shí)空暫時(shí)無(wú)法被觀測(cè)到，就否定這個(gè)理論的價(jià)值?？紤]到科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們總有一天能通過加速器、空間探測(cè)器或宇宙線計(jì)數(shù)器等各種手段，間接探測(cè)到第十維時(shí)空的存在。弦理論和多維空間理論，絕不是紙上談兵的偽科學(xué)。

十

多維空間理論有實(shí)際價(jià)值嗎？

既然弦理論有意義，那它到底能幫我們解決哪些實(shí)際的科學(xué)問題呢？舉例：十維超弦理論可以幫助我們了解宇宙大爆炸的原因所在。

目前的主流理論認(rèn)為，宇宙大爆炸是包括時(shí)空在內(nèi)的宇宙萬(wàn)物的開端，在大爆炸之前，時(shí)間和空間都不存在。但這時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)終極問題，宇宙到底為什么會(huì)發(fā)生大爆炸呢？難道是因?yàn)樯系蹎?？物理學(xué)家們當(dāng)然也想搞清楚這個(gè)問題，但問題是，在解釋宇宙大爆炸起源的時(shí)候，物理學(xué)的兩大支柱，相對(duì)論和量子理論，互相沖突了。

簡(jiǎn)單地說一下這是怎么回事。根據(jù)廣義相對(duì)論的預(yù)言，宇宙誕生于一個(gè)奇點(diǎn)之中。奇點(diǎn)的體積無(wú)限小、能量無(wú)限大、時(shí)空無(wú)限彎曲，它就是宇宙的開端。但量子理論橫空出世以后，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在這樣一個(gè)體積極小能量極大的地方，我們必須考慮到量子效應(yīng)的影響，而量子理論又無(wú)法跟廣義相對(duì)論兼容，這么一來(lái)，在人類現(xiàn)有的理論體系下，我們對(duì)于宇宙的起點(diǎn)，宇宙大爆炸發(fā)生的原因可以說是一籌莫展。

這個(gè)時(shí)候，十維超弦理論就能發(fā)揮作用了。弦理論可以把廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合起來(lái)，因此具有解決宇宙起源問題的潛力。一位哈佛教授的研究，認(rèn)為宇宙大爆炸可能就是十維宇宙裂解成四維宇宙和六維宇宙的過程。

最原始的宇宙其實(shí)是有十個(gè)維度的。這個(gè)原始宇宙的溫度極高，能量極高，四種基本力在這里是融為一體的，相對(duì)論和量子理論在這里也沒有區(qū)別。但是，這個(gè)十維宇宙并不穩(wěn)定，它會(huì)裂解成一個(gè)四維宇宙和一個(gè)六維宇宙，這個(gè)裂解的過程就是宇宙大爆炸。裂解之后，四維宇宙會(huì)發(fā)生暴脹，并會(huì)在不到一毫秒的時(shí)間內(nèi)完成四種基本力的分離，然后逐漸形成人類如今所觀測(cè)到的宇宙；而六維宇宙則會(huì)發(fā)生坍縮，并且是縮到一個(gè)極小的尺度之下，所以目前沒法兒去觀測(cè)它。

這個(gè)理論聽起來(lái)很科幻，但背后是有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝蔚模⒉皇腔孟?。?dāng)然了，因?yàn)槟壳凹夹g(shù)水平的限制，我們還無(wú)法對(duì)這些理論做出驗(yàn)證，只能說是一個(gè)假說而已，但從這個(gè)闡釋中你也應(yīng)該能感受到，弦理論的確具備解決終極問題的潛力。

舉例：在宇宙滅亡之時(shí)，我們可以通過躲進(jìn)超空間來(lái)躲避宇宙的滅亡。四維宇宙幾種可能的死亡結(jié)局中，有一種叫作大坍聚，就是說目前正在膨脹的四維宇宙，會(huì)在未來(lái)的某個(gè)時(shí)候開始坍縮。在坍縮過程中，溫度會(huì)逐漸升高，慢慢把所有物質(zhì)都蒸發(fā)成氣體，到時(shí)候任何智慧生命都會(huì)消失。不過，根據(jù)十維超弦理論的推斷，隨著四維宇宙的坍縮，我們的六維孿生宇宙很有可能會(huì)開始膨脹。如果這個(gè)孿生宇宙膨脹得足夠大，人類就有希望通過跨維度旅行逃進(jìn)六維空間，從而幸免于難。

總結(jié)：

首先必須承認(rèn)，多維空間理論和弦理論在目前都無(wú)法進(jìn)行直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但在未來(lái)，我們還是可以通過直接或間接的方法對(duì)它進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，我們不能因?yàn)槎嗑S空間暫時(shí)無(wú)法被觀測(cè)，就否認(rèn)它的價(jià)值。

此外，由于弦理論可以將相對(duì)論和量子理論結(jié)合起來(lái)，因此有可能解釋像宇宙大爆炸起源這樣的人類目前無(wú)法回答的終極問題。