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宇宙怎樣才能擁有多個維度?



北京時間2月27日消息,據國外媒體報導,許多科學家都希望能用弦理論來解釋宇宙萬物。弦理論認為,宇宙中的所有力、所有粒子、所有常量和所有物體都處於同一物理架構之下,我們所見的一切都是無數微小的、不斷振動的“弦”的產物。理論學家們自從上世紀60年代以來就一直在研究弦理論。他們很快意識到,弦理論要想成立,宇宙中一定不止有我們習慣的四個維度。這種說法聽上去瘋狂,但其實有一定依據可循。

宇宙怎樣才能擁有多個維度? 1

維度災難

在弦理論中,由振動的弦構成的環表現為各式各樣的粒子(如電子、夸克、中微子等等)和自然力的載體(光子、膠子、引力子等等)。這是通過弦的振動實現的。這些弦極其細小,在我們看來就像一個個點,但每根弦都能以多種模式振動,就像用一根吉他弦可以彈出多種音符一樣。

科學家認為,每一種振動模式都與一類特定粒子相關。因此所有以某一種模式振動的弦都可能表現為電子,所有以另一種模式振動的弦都像光子……以此類推。用弦理論的視角來看,我們所見的粒子碰撞其實是一大堆弦相互融合、又重新分裂的過程。

但這套理論要想成立,宇宙中只有四個維度是不夠的,因為一般的時空無法為弦提供足夠的振動“空間”,導致它們無法表達成為世界上所有的粒子。換句話說,這些弦不僅會扭動,而且還是“超維度”地扭動。

當前的弦理論總共需要10個維度,此外還有一套更大膽的弦理論(名叫M理論),共需要11個維度。但放眼宇宙,我們只能看到三個空間維度和一個時間維度。如果宇宙中不止有四個維度,我們一定早就注意到了。

問題來了,一方面是弦理論要求宇宙中存在多個維度,一方面是我們在宇宙之中只能體驗到四個維度,這兩大矛盾如何才能做到和諧統一呢?

蜷曲與壓縮

弦理論的概念看似極端,但好在歷史上有前身可以追溯。

1919年,在愛因斯坦剛剛發表廣義相對論之後不久,數學家與物理學家西奧多·卡魯扎(Theodor Kaluza)純粹出於興趣,研究了一下廣義相對論的方程式。而他向方程中加入了第五個維度後,發生了一件有趣的事情——事實上,什麼都沒有發生,相對論方程並不會受到維度多少的影響。

但卡魯扎對第五個維度做了一些改動,讓它圍繞自身蜷曲起來、變成“圓柱狀”。加上這條新要求後,卡魯扎又有了新發現:除了在四個普通維度下的廣義相對論方程外,他還導出了電磁力的表達方程。這樣看來,似乎增加宇宙中的維度數量便有可能實現物理學的大一統。

事後來看,這種想法略有些言過其實。但在幾十年後,一位名叫奧斯卡·克萊因(Oskar Klein)的物理學家試圖從量子力學的角度解讀卡魯扎的理論。他發現,若真的存在第五種緯度,且該維度在某種程度上與電磁力有關,那麼這個維度必須捲曲起來才行(和卡魯扎的最初想法一致),但尺度要小得多,僅為10-35米。

弦理論的眾多流形

如果這個(或這些)額外維度真的這麼小,就無法被我們注意到了,就連高能量實驗也無法直接探測到它們的存在。而如果這些維度呈捲曲狀,那麼每當我們在四維空間中移動一下,就相當於圍繞這些額外維度轉動了成百上千億圈。

而弦理論的“弦”正是存在於這些維度之中。

借助進一步的數學手段,科學家發現,弦理論所需的另外六種空間維度必須蜷曲成一類特定形狀,即所謂的“卡拉比-丘流形”(Calabi-Yau manifolds)。但弦理論所允許存在的流形遠遠不止一種,而是約多達10200000種。如此看來,如果讓六個維度隨心所欲地捲曲起來,它們便會“無所不用其極”。

這些額外維度有許多種蜷曲方式,而每種配置都會影響維度內部的弦的振動方式。既然弦振動的方式決定了它們在宏觀世界中的表現,那麼每一種流形都會產生一個獨一無二的宇宙,每個宇宙都擁有自己的一套物理法則。

因此,只有一種流形創造了我們所在的這個世界。但究竟是哪一種呢?

不幸的是,弦理論暫時無法告訴我們答案。麻煩之處在於,弦理論的問題還沒有完全解決。我們只有五花八門的近似解法,希望能藉此揭開事情的真相。但就目前而言,我們還不清楚自己的結論有多正確。從特定的流形、到特定的弦振動方式、再到宇宙的物理法則,對於這一長串問題,我們都缺少能予以解決的數學技術。

對此,弦理論學家提出了“地形”(Landscape)的概念,即由從各種流形推測出的宇宙構成的一個多重宇宙。在這張“地形圖”上,我們的宇宙只是眾多小點中的一個而已。

而弦理論如今的狀態也是如此,茫茫然不可知。 (葉子)