宇宙怎样才能拥有多个维度?

摘要:

北京时间2月27日消息,据国外媒体报道,许多科学家都希望能用弦理论来解释宇宙万物。弦理论认为,宇宙中的所有力、所有粒子、所有常量和所有物体都处于同一物理架构之下,我们所见的一切都是无数微小的、不断振动的“弦”的产物。理论学家们自从上世纪60年代以来就一直在研究弦理论。他们很快意识到,弦理论要想成立,宇宙中一定不止有我们习惯的四个维度。这种说法听上去疯狂,但其实有一定依据可循。

维度灾难

在弦理论中,由振动的弦构成的环表现为各式各样的粒子(如电子、夸克、中微子等等)和自然力的载体(光子、胶子、引力子等等)。这是通过弦的振动实现的。这些弦极其细小,在我们看来就像一个个点,但每根弦都能以多种模式振动,就像用一根吉他弦可以弹出多种音符一样。

科学家认为,每一种振动模式都与一类特定粒子相关。因此所有以某一种模式振动的弦都可能表现为电子,所有以另一种模式振动的弦都像光子……以此类推。用弦理论的视角来看,我们所见的粒子碰撞其实是一大堆弦相互融合、又重新分裂的过程。

但这套理论要想成立,宇宙中只有四个维度是不够的,因为一般的时空无法为弦提供足够的振动“空间”,导致它们无法表达成为世界上所有的粒子。换句话说,这些弦不仅会扭动,而且还是“超维度”地扭动。

当前的弦理论总共需要10个维度,此外还有一套更大胆的弦理论(名叫M理论),共需要11个维度。但放眼宇宙,我们只能看到三个空间维度和一个时间维度。如果宇宙中不止有四个维度,我们一定早就注意到了。

问题来了,一方面是弦理论要求宇宙中存在多个维度,一方面是我们在宇宙之中只能体验到四个维度,这两大矛盾如何才能做到和谐统一呢?

蜷曲与压缩

弦理论的概念看似极端,但好在历史上有前身可以追溯。

1919年,在爱因斯坦刚刚发表广义相对论之后不久,数学家与物理学家西奥多·卡鲁扎(Theodor Kaluza)纯粹出于兴趣,研究了一下广义相对论的方程式。而他向方程中加入了第五个维度后,发生了一件有趣的事情——事实上,什么都没有发生,相对论方程并不会受到维度多少的影响。

但卡鲁扎对第五个维度做了一些改动,让它围绕自身蜷曲起来、变成“圆柱状”。加上这条新要求后,卡鲁扎又有了新发现:除了在四个普通维度下的广义相对论方程外,他还导出了电磁力的表达方程。这样看来,似乎增加宇宙中的维度数量便有可能实现物理学的大一统。

事后来看,这种想法略有些言过其实。但在几十年后,一位名叫奥斯卡·克莱因(Oskar Klein)的物理学家试图从量子力学的角度解读卡鲁扎的理论。他发现,若真的存在第五种纬度,且该维度在某种程度上与电磁力有关,那么这个维度必须卷曲起来才行(和卡鲁扎的最初想法一致),但尺度要小得多,仅为10-35米。

弦理论的众多流形

如果这个(或这些)额外维度真的这么小,就无法被我们注意到了,就连高能量实验也无法直接探测到它们的存在。而如果这些维度呈卷曲状,那么每当我们在四维空间中移动一下,就相当于围绕这些额外维度转动了成百上千亿圈。

而弦理论的“弦”正是存在于这些维度之中。

借助进一步的数学手段,科学家发现,弦理论所需的另外六种空间维度必须蜷曲成一类特定形状,即所谓的“卡拉比-丘流形”(Calabi-Yau manifolds)。但弦理论所允许存在的流形远远不止一种,而是约多达10200000种。如此看来,如果让六个维度随心所欲地卷曲起来,它们便会“无所不用其极”。

这些额外维度有许多种蜷曲方式,而每种配置都会影响维度内部的弦的振动方式。既然弦振动的方式决定了它们在宏观世界中的表现,那么每一种流形都会产生一个独一无二的宇宙,每个宇宙都拥有自己的一套物理法则。

因此,只有一种流形创造了我们所在的这个世界。但究竟是哪一种呢?

不幸的是,弦理论暂时无法告诉我们答案。麻烦之处在于,弦理论的问题还没有完全解决。我们只有五花八门的近似解法,希望能借此揭开事情的真相。但就目前而言,我们还不清楚自己的结论有多正确。从特定的流形、到特定的弦振动方式、再到宇宙的物理法则,对于这一长串问题,我们都缺少能予以解决的数学技术。

对此,弦理论学家提出了“地形”(Landscape)的概念,即由从各种流形推测出的宇宙构成的一个多重宇宙。在这张“地形图”上,我们的宇宙只是众多小点中的一个而已。

而弦理论如今的状态也是如此,茫茫然不可知。(叶子)

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