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为何说宇宙是十一维的?从三维空间到十一维时空,宇宙维度增长史
2020-08-27           作者:星宇飘零2099

自古以来,我们的宇宙在人们的认识中是一个拥有三个维度的空间,拥有长、宽、高组成的立体三维空间。如果用数学的方法来描述我们的空间,可以通过建立三条互相垂直的坐标轴来描述一个物体的空间位置。

直到上世纪初,一个瑞士专利局的小职员、应届的物理学博士毕业生爱因斯坦提出一个划时代的物理理论——狭义相对论,让时间和空间成为一个称之为时空的整体,时间成为时空中的第四个维度。

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不过虽然时空 是统一了,维度也增加到了四个,但是时间是作为一个特殊的维度被加入的,时间和空间虽然统一,却依然有着本质的区别,因此在爱因斯坦的大学老师闵可夫斯基为狭义相对论建立几何模型——闵可夫斯基空间时,对时间坐标做了虚数变换,用ict来度量时间维度,其中i代表虚数,ct则代表以光速在单位时间内经过的空间距离。

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因此,在狭义相对论统一的时空中,时间与空间始终不是一回事,空间依然是三维的。到了爱因斯坦研究统一电磁力的统一场理论的时候,有一位德国数学家西奥多·卡鲁扎尝试在引力场方程中增加一个空间维度,把时空扩展到五维。在五维时空里引力场方程多出了几组方程,除了原来的引力场方程外,还多出了一组方程,卡鲁扎发现多出的这组方程与麦克斯韦电磁学方程组等价,这样意味着当给时空增加一个空间维度,广义相对论就统一了电磁理论。

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这确实是一个非常好的创意,然而问题来了:第四个空间维度在哪儿呢?既然还有一个空间自由度,我们为什么会看不到也感觉不到?这时另一位瑞典物理学家奥斯卡·克莱因提出一种假设:第四个空间维度可能是蜷曲起来的,如果它本身蜷缩在普朗克长度下,我们就无法以任何方式观测到它了。至此,一个能统一引力和电磁力的五维时空理论就诞生了,科学界把这一理论以他俩的名字命名为卡鲁扎-克莱因理论。

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但是很显然,这一理论是不完整的,原因很简单,它忽略了自然界的另外两种基本力:强核力和弱核力。所以,随着理论的发展,这一五维理论渐渐淡出人们视野。

后来,关于费米子和玻色子之间对称性的理论:超对称理论被提出,科学家开始在超对称理论基础上升级卡鲁扎-克莱因的五维统一理论,直到把空间维数增加到十维,时空维数增加到十一维,几何化的引力理论终于包含了所有已知力。这种十一维的引力理论被称为超引力理论。

然而科学家很快发现超引力理论有两个致命的缺陷:会产生无穷大和失去手征性(弱相互作用下宇称不守恒与此相关)。所以这种复杂而优美的统一理论还是以失败告终。

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而与超引力理论同时发展起来的还有另一套高维理论:超弦理论。与超引力理论不同,超弦理论在九维空间下就统一了所有已知基本力,并没有出现无穷大,并且由于空间维数为奇数,因此也并没有失去手征性。一个完美的统一理论出现了?然而科学家同时发现了不是一个,而是五个……这五套不同的超弦理论都能得到相同的结果,很显然这五套超弦理论都是正确的,至少在理论上都是自洽的,那么我们该信谁?这时一个和事佬出现了,他就是美国的天才物理学家爱德华·威腾,他在五套十维的超弦理论基础上再增加了一个空间维,又把五套不同的超弦理论统一了起来,成为一套十一维的超弦理论,其中十个空间维和一个时间维。

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但是你一定已经发现了,空间维数又成了偶数,手征性又没了……不过威腾比较厉害,他想到了解决方案:空间还是九维,增加的那个额外的一维是连接两个九维空间的平行空间维,这样,每个单独的空间维数既保持了奇数,又把时空维数提高到十一维。而且威腾发现,这个十一维的超弦理论自动包含了十一维超引力理论,这样,一个完整解释宇宙所有已知相互作用(基本力)的统一理论诞生了!威腾把这套包含万有的理论称为M理论。

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那么我们怎么去证明这套伟大的统一理论呢?我们怎么去验证高维空间呢?很遗憾,目前没有任何办法……由于理论上仅有引力能穿透到高维空间,其它诸如电磁力、强核力、弱核力均无法脱离三维空间,因此,我们常规的测量手段均无法使用。而至于能否通过引力波进行测量?好像也不行,引力波的穿透能量太强了,基本无法反射信号,而且目前人类科技也没有制造可供测量的引力波信号的能力。

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目前人类科技唯一能做的,也许就是通过大型强子对撞机寻找超对称理论预言的超对称粒子了,但超对称粒子具体需要在多高的能量状态下才能产生科学家一无所知,因此也就是说我们并不知道具体要建多大的强子对撞机才能验证超对称理论……而且也仅仅是验证超对称理论,离验证真正的弦理论还远着呢。

M理论是成功的,因为它通过增加空间维度非常自然地统一了所有已知基本力,但它又是失败的,因为它无法做出任何在现有技术下可供验证的理论预言,这对于一个科学理论是毁灭性的,因为它意味着该理论失去了可证伪性,一个失去可证伪性的理论还能算是科学理论吗?

责任编辑:Geoffrey 来源:
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