迷失在十維宇宙

面對三維空間中的事物，比如一本書,、一只蘋果,，我們應付起來輕松自如。我們眼中的世界,，正是由這些具體的東西和容納它們的空間所組成的,，而空間在長、寬,、高三個維度上無限延伸著,。這種景象在我們第一次睜開雙眼探索這個世界時，就出現(xiàn)在我們的眼前和腦海中了。

當我們把時間加入世界,，作為第四個維度時，情況變得有些復雜了,。愛因斯坦告訴我們說,，一維的時間和三維的空間組成了不可分割的時空整體，而且宇宙中的時空是彎曲的,。我們的想像力受到了挑戰(zhàn),，因為時空彎曲的事實，并不是我們靠雙眼觀察出來的,，這樣的宇宙違反了我們的直覺。

四維的時空讓我們理解起來已經(jīng)困難,，可是物理學理論仿佛有意要跟我們作對。此后,，出于追求理論上統(tǒng)一完美的需要,，物理學家不斷引入新的維度，五維,，七維,，十維……老天！我們也要差點迷失在高維的神經(jīng)衰弱中了,。

但是這些“怪論”畢竟讓人深受啟發(fā),，比如，在五維的世界,，引力和電磁力就有可能統(tǒng)一成一種力；而在十維的世界，超弦也許是萬物的起源,，包括所有的粒子和作用力,，都可能來自那深奧、怪異又十足誘人的“弦”……如此美妙的前景當然讓科學家們在探索的道路上樂此不疲,。

現(xiàn)在，讓我們跟著科學家進行一次史無前例的挑戰(zhàn)直覺的游戲,，開始一次維度之旅,，依次經(jīng)歷從零維到十維的各種稀奇古怪的維度世界。小心,，要做好神經(jīng)衰弱的準備哦,。

零維就是沒有長、寬、高,，因此這樣維度的世界實際上沒有給任何事物留出棲身之所,。那么，我們能否認為,，零維空間就像安徒生童話中皇帝的新衣那樣,，根本不存在？

的確,，理想的零維空間是不存在的，但近似的零維空間就在我們身邊?，F(xiàn)代物理學給我們展現(xiàn)了微觀世界的許多稀奇古怪的現(xiàn)象,，其中就包括一種叫做“零維半導體”的結構，也就是通常物理學家所說的“量子點”,。量子點雖然十分微小,，但畢竟是有體積的，可以讓一個電子剛好擠進一個量子點中,。這么說來,，量子點似乎不能算零維時空。

不過,，量子點是一個古怪的陷阱,，當電子一旦落入這個陷阱后，它們就不能移動分毫的距離,，完全被限制住了,。而且，即使我們從外界向一個量子點中注入能量,，不論能量大小如何,，都不能改變量子點中的電子的狀態(tài)，那些能量只是以光的形式再度被釋放了出來,，量子點吃進多少能量,，就又吐出多少。這樣古怪的特性讓物理學家干脆把量子點視為一種現(xiàn)實中的零維結構,。

我們可以把量子點加工成一種高效的光源,，向其注入能量，它只會以光的形式將能量釋放,。由于量子點十分微小,，所以這些點可以作為熒光標記工具，具體的方法是：在某些生物分子比如抗體上制造一些量子點,，通過向其注入能量,，觀察量子點釋放的光的情況,，就間接地跟蹤了含有量子點的生物分子在生物體內的移動情況，于是可以判斷諸如抗體之類的物質對生物的影響,。

此外,，由于量子點在俘獲一個活躍的電子后，會剛剛好地釋放出一個光子,，于是它提供給我們一種可能的方式,，能通過電子和光子的轉換，傳遞信號,。從長遠來看,，量子點可以作為存儲的工具，在未來的量子計算機中擔當存儲數(shù)據(jù)和發(fā)出指令的任務,，科學家估計,，用這種方式制造出來的量子計算機，可以大幅度提升計算機處理信息的能力,。

穿過讓我們感到陌生的零維世界，我們來到了相對比較熟悉的一維世界,。簡單的一維空間就是一條直線，牛頓的運動定律可以在一維世界中起作用,，讓一維世界的物體可以向前或向后運動,，或者干脆停在一個點上。

在量子學家看來,，一維空間是真實存在的,。比如，他們會制造出一些十分狹窄的微觀“隧道”,，讓電子在其中馳騁,。通常，當兩個電子相遇時,，本著電荷“同性相斥”的原理,，它們會給對方讓路?？墒?，如果它們處在一維的隧道中，只能向前或向后運動,，無法左右上下移動時,，迎頭相遇的兩個電子會發(fā)生相互作用，一種結局是,，兩者作為一個整體運動,；還有另一種違反我們直覺的結局,，那就是兩個電子化作兩個奇怪的粒子，一個只具有電子的電荷,，而另一個只具有電子的自旋狀態(tài),。

一維空間中的古怪現(xiàn)象其實量子學家已經(jīng)司空見慣了，而且他們對此非常興奮,，因為電子設備制造的越來越小時,，類似一維的空間日益成為設備中的常見結構?？茖W家目前正在研究一維碳納米管,，準備以它作為導體或者半導體材料，用來制造未來速度更快的計算機芯片,。

我們自己生活在三維空間,，這個空間可以看成是一維的線和二維的平面組合而威的結構，這是一個我們生活舒適,、可以理解的世界,。但是，我們不要以為,，世界的維度一定得是整數(shù)的,，比如1.5維就挑戰(zhàn)了我們頭腦中的慣性思維。

想像一下數(shù)學中的分形現(xiàn)象,。一條線，不論是筆直的線,，還是經(jīng)過彎曲的線,，都是一維的?？墒茄┗ǖ妮喞?？我們觀察一片雪花的精細輪廓。

隨著雪花被不斷地放大尺寸,，我們會發(fā)現(xiàn)自己在面對一個不斷復雜的輪廓圖案，我們觀察得越細致,，我們繪制的雪花輪廓線就越長,。數(shù)學家早就知道，只要我們觀察得足夠細致,，云就不是團狀的,，山峰也不是錐狀的，而海岸線也不是圓弧形的,。

分形圖案的雪花輪廓算幾維呢,？雪花輪廓線上細微的“鋸齒”讓它比純粹的直線占據(jù)了更多的空間,，它顯然不是一維的。雪花輪廓這樣的分形圖案介于一維和二維之間,，我們姑且算其是1.5維,。

不僅僅是雪花，許多自然界的物體都具有分形幾何的特征,，比如

，分支閃電

,，云朵

和花椰菜,。

我們甚至可以宣稱，自己就生活在一個分形的1.5維的空間景觀中,。比如數(shù)學家已經(jīng)確認,，對于英國彎曲的海岸線，當測量精度提高后,，海岸線長度能多出25%;而光滑的南美海岸線,，提高相同的測量精度后，海岸線長度只增加了2%,。

在數(shù)學和物理學研究中,，一維過于簡單，而三維又過于復雜,，二維的“平原”剛好可以讓研究者們有足夠的空間發(fā)揮自己的才智。但二維并不僅僅是草稿紙上的虛擬空間,，它在現(xiàn)實中的價值也很大,。

2004年，科學家首次在實驗室生產出了“二維物質”一一只有一個碳原子厚的平板,，類似于通常人們熟悉的石墨,。這種石墨板有許多讓人興奮的用途，比如電子可以射穿它的表面,，卻不會被阻擋,。

這種二維的石墨有什么用途呢,？如果前面提到的一維的納米管可以做未來計算機的導線的話,，那么二維的石墨板就將是未來計算機的電路板。這還不是它的全部用途,。人們已經(jīng)知道,，某些材料可以在溫度大約130K時出現(xiàn)超導現(xiàn)象,，大概是絕對零度和室溫的中間值。超導材料的電阻為零,。為什么這些材料可以產生超導現(xiàn)象,，確實人們長期沒有搞清楚的事情。現(xiàn)在,，人們逐漸發(fā)現(xiàn),，這和材料中的一些二維的結構有關系，如果我們能夠完全參透超導現(xiàn)象背后的物理學原理,，就有可能利用諸如二維石墨這樣的材料,，制造出能夠在室溫下工作的超導體。

當我們把電子用強大的磁場限制在二維層面的半導體材料中,，并冷卻到僅比絕對零度高1/3K時,，電子這種被人們認為是基本的、不可分割的粒子在效果上會破裂成多個粒子,，每一個粒子都擁有電子的部分電荷,。這些粒子有時被科學家稱為“任意子”，因為它們可以顯示出各種不同的粒子特性,。任意子和量子點一樣,，也可以稱為信息傳遞的中樞，因此在研制未來強大的量子計算機時,，使用任意子傳輸信號,，也是一種可行的高速方式。

總之,，在二維的平原上,，從新型藥物到平行宇宙等各種美妙的事物都可能會涌現(xiàn)出來，一切就看我們如何“挖掘”了,。

二維的平原和高維的時空是思想家的游樂場,，但是我們的身體依舊停留在三維的空間中。為什么我們不是生活在二維,、四維,、五維或者更高維度的空間中？最近,，物理學家試圖把引力和量子理論聯(lián)系起來,，解釋時空的本質，徹底解決我們?yōu)槭裁瓷钤谌S空間的問題,。

根據(jù)弦理論，空間可以是從零維到十維的任意模樣,，這讓物理學家很困惑,，既然各種可能維度的宇宙都存在,，但我們看到的一切，都處于三維的宇宙之中,，這該如何解釋呢,？2005年，美國的物理學家在計算機上挑起了“維度戰(zhàn)爭”,，他們建立了一個軟件模型,，讓不同維度的宇宙漂浮在一個擴張的十維超空間之中，當這些宇宙碰撞時,，它們彼此作用,，有時會消滅對方。計算表明,，經(jīng)過一番你死我活的爭斗,，三維宇宙和七維宇宙是戰(zhàn)爭中最可能幸存的宇宙類型。

如果這個軟件模型反映了真實的情況,，那么前面的問題就大大簡化了，我們只要考慮,，為什么我們不能離開狹窄的三維空間王國,，而居住在一個七維的空間王國呢？

歐洲的物理學家也許回答了這個問題,。根據(jù)物理定律,，他們模擬出了各種維度的空間，發(fā)現(xiàn)這些空間可以彼此粘合在一起,，就像搭積木一樣,，形成彎曲古怪的“大宇宙”。我們是否生活在大宇宙中的一小塊“積木”即三維空間中呢,？

未必！在我們的三維空間中,，我們知道原因和結果是有先后次序的,，比如我們用力推一輛靜止的小車,，然后小車運動了起來,，力是原因，小車的運動是結果,，我們的世界是嚴格遵守這種因果關系的,。但當物理學家將必須嚴格堅持因果關系這樣的限定條件施加到模型中時，結果發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的空間都不能滿足條件,，只有一種空間滿足要求,，即由一維時間和三維空間構成的宇宙,。沒錯，它就是我們的家園,。

看來,，我們還得繼續(xù)呆在三維的空間中，因為我們沒有其他的地方可去,。

我們宇宙的空間包括了三個維度,，而科學家告訴我們說，時間也是一個維度,。那么,，時間為什么和空間的長、寬,、高不一樣呢,？

答案是，它沒有什么不一樣的,。時間和空間并不是彼此獨立的兩個概念,，根據(jù)愛因斯坦的狹義相對論，時間和空間融合成一個整體——時空,。就像一塊布匹上的線有經(jīng)緯兩個方向一樣,，愛因斯坦的物理學告訴我們，如果我們把世界看作是一塊布匹,，空間和時間就是時空布匹上不同方向的織線,，它們一起織就了時空。

不過,，還是有一件事讓我們覺得時間和空間是不一樣的。原則上,，我們可以在三維空間中向任何方向旅行,，但在時間維度中，我們只能以一個方向旅行,，即從過去到未來的前行方向,，不能逆時間而行。我們如何解釋這個怪現(xiàn)象呢,？

比如,，想象一下，在一個陽光明媚的清晨,，7點鐘你拉開了房間的窗簾,。假設此時此刻，太陽已經(jīng)不存在了，它在6點55分發(fā)生了爆炸,。但你并不知道這件事,，因為光線從太陽到達地球需要8分半鐘時間。

在這個場景中,，太陽爆炸是一個事件,，從這個事件出發(fā)的光會在四維的時空中飛馳，形成一個四維的圓錐,，

物理學家把它叫做光錐。只有處于這個光錐中的人,，才會目睹太陽的爆炸,。因為光速是宇宙的速度極限，而7點鐘的時候,，由于光還沒有跑到地球位置,，所以你還沒有被光錐包含進來。要在此時看到太陽爆炸,，我們必須運動得比光還快,，進入太陽爆炸的光錐之中，但這違反了我們宇宙中的光速極限,。

所以,，物理學家認為，正是由于有光速的限制,，讓時間這個維度變得和空間的三個維度不同,，讓我們只能看到各種信息從過去向未來流淌，從來看不到時光倒流的現(xiàn)象,。

把時間看作第四個維度,，是愛因斯坦狹義相對論的貢獻。而德國數(shù)學家卡魯扎有更宏偉的設計,。

早在1919年,，他給愛因斯坦寄了一篇論文，他認為在四維時空中增加一個第五維,，引力和電磁力就有可能統(tǒng)一成一種力了,。幾年后，一位瑞典數(shù)學家克萊因發(fā)展了卡魯扎的設想,，

克萊因

他認為我們可能確實生活在一個五維的世界中，但是第五維太微小了,，它卷縮了起來,，讓我們無法感知它的存在,。兩位數(shù)學家的設想引發(fā)了人們給四維時空添加更多的維度,，以統(tǒng)一各種力的研究熱潮,，一直延續(xù)到今天。

1999年,，美國科學家發(fā)現(xiàn),，如果真的存在第五維，就可以解釋一個令人煩惱的謎團,，即為什么引力比自然界的其他力都弱得多,。根據(jù)他們的五維時空模型，我們熟悉的四維時空漂浮在一個無限大的,、負曲率的第五維上,。對于四個基本力來說，電磁力和兩個核力（強作用力和弱作用力）停留在一個四維的時空膜上,，而引力有一部分泄露到了第五維里,，于是處于四維時空膜上的我們就發(fā)現(xiàn)引力很弱。

與此同時,，加拿大科學家還提出了一個石破天驚的觀點,，認為五維時空曾經(jīng)存在，但它已經(jīng)破裂成兩部分：一部分是我們熟悉的四維時空,，另一部分是我們世界中各種東西所包含的質量,！這個理論不但解決了為什么萬物都有質量的難題，還解釋了宇宙開端的奇點,。根據(jù)大爆炸理論,，奇點具有無限大的溫度和密度，當時所有的物理理論都失效了,，而我們的宇宙就是由奇點擴張出來的,，這真讓人匪夷所思。但如果我們的宇宙是五維時空,，奇點就好理解了,。

五維時空

打個比方,，生活在平面上的二維生物怎么也想不通,，為什么平面上一個金屬圓點會有極大的質量：但站在三維生物的角度看，那不過是一根針扎在一張紙上而已,。我們站在四維時空中看到奇點很古怪,，大爆炸令人匪夷所思，但也許對于五維時空的生物來說,，奇點和大爆炸并沒有什么讓人費解的地方,。

每當物理學家往自己設計的宇宙中添加維度時，他們添加的基本上都是空間維度,，讓空間中的物體可以自由地移動,。但其實，如果宇宙可以具有更多的維度,，那多增加一條時間維度是否也可能呢,？

許多物理學家反對這種想法，因為如果宇宙中有更多的時間維度,，物體就可以借助其他的時間維度,，在我們已知的一維時間中穿來穿去，一會出現(xiàn)在我們身邊,，馬上又會出現(xiàn)在數(shù)億光年外的其他星球,，這等于是超越了光速的極限，甚至回到過去的時間旅行都可以實現(xiàn)了,。至少在我們的宇宙中,，時間旅行并沒有發(fā)生，因此多維時間也許僅僅是設想,，而不是現(xiàn)實,。

但是在1995年,，美國科學家提出了一個叫做H論的理論,，統(tǒng)—了當時的各種弦理論。在M論中,，可以具有二維的時間,。不過科學家補充說，即使宇宙中具有了二維時間,，這樣的宇宙中也無法實現(xiàn)時間旅行,。

在M論中，宇宙是11維的,。在稍微低一些的維度時空中,，是否也可能有多維時間呢？從理論上講,，在我們的四維時空中增加一個時間維度,，就必須相應地也增加一個空間維度，以平衡結構,。這樣形成的六維宇宙其實和我們生活的四維宇宙的結構很相似,，只是在六維的世界中，會包括許多四維宇宙的投影,，而我們所熟悉的物理學定律到了那里,，也不適用了,。

進入十維宇宙，我們就抵達了弦的國度,。物理學家一直希望把量子力學和廣義相對論融合在一起,，形成一個既適用于微觀、又適用于宏觀的“萬有理論”,，而弦理論是萬有理論的“候選人’之一。

弦理論認為,，萬物都是由微小的弦構成的，弦不同的振動方式,，產生了各種粒子,，這些粒子最終又構成了宏觀的物體。組成物質和傳輸力的所有粒子都來自微小的弦的振動,。這些弦雖然是一維的,，但它們周圍的時空卻足足有十個維度，其中有九個空間維度,，以及一個時間維度,。

為什么要有十個維度呢？這是因為,，物理學家計算后發(fā)現(xiàn),，少了任何一個維度，弦理論就無法成立,，甚至會出現(xiàn)嚴重的錯誤,，比如時空中出現(xiàn)小于普朗克長度即10 5米的時空尺度，這是違背物理學常識的,。

十維并不是我們宇宙可能具有的維度上限,。前面我們提到的M論就有11個維度，它正是為了統(tǒng)-5種不同的弦理論而出現(xiàn)的,。一些物理學家認為,，我們的宇宙應該就是11維的，只是其中的7個空間維度都卷縮到了我們觀察不到的地步,。還曾經(jīng)有一種弦理論認為,，宇宙有多達26個維度！

我們沒有提到七維,、八維,，九維或者3.5維之類的宇宙，這是因為物理學家們無法設計出那樣維度的時空,，因為它們違背了物理學的原理,，是不可能存在的,。當然，理論是發(fā)展的,，它們也許有死灰復燃的機會,，比如2007年，一位物理學家就拋棄了弦理論,，而使用另一種數(shù)學方法,，成功地構建起一個八維的時空結構，似乎把引力和其他三種基本力都統(tǒng)一起來了,。

如今,，物理學家們已經(jīng)分成了兩大陣營，一派認為宇宙具有某個固定的維度,，我們需要做的就是確定宇宙的維度,，搞清楚宇宙的真實結構；而另一派則認為,，也許存在許多個宇宙,，它們的維度并不一樣，而我們恰好生活在一個四維時空的宇宙中,。

我們的維度之旅暫時告一段落了，我們沒有在險象環(huán)生的古怪時空中迷路,，真是一件幸事,！