迷失在十维宇宙

该文原载《大科技。科学之谜》  作者：贺飞鸿。
本人觉得不错，上星期用word练习打字（主要练五笔输入法》打完了全文，现从电脑中复制出来与大家分享。

正文（一个小标题做一楼吧）：

面对三维空间的事物，比如一本书一只苹果，我们应付起来轻松自如。我们眼中的世界，正是这些具体的东西和容纳它们的空间所组成的，而空间在长宽高三个维度上无限的延伸着。这种景象在我们第一次睁开双眼探索这个世界时，就出现在我们的眼前和脑海中了。

　　当我们把时间加入世界，作为第四个维度时，情况变得有些复杂了。爱因斯坦告诉我们说，一维的时间和三维空间组成了不可分割的时空整体，而且宇宙中的时空是弯曲的。我们的想象力受到了挑战，因为时空弯曲的事实，并不是我们靠双眼观察出来的，这样的宇宙违反了我们的直觉。

　　四维时空让我们理解起来已经困难了，可是物理学理论仿佛有意跟我们作对。此后出于追求理论上完美统一的需要，物理学家不断引入新的维度，五维 七维 十维… …老天！我们也要差点迷失在高维的神经衰弱中了。

　　但是这些“怪论”毕竟让人深受启发，比如，在五维的世界里，引力和电磁力就有可能统一成一种力；而在十维的世界里，超弦也许是万物的起源，包括所有的粒子和作用力都可能来自那深奥怪异又十足诱人的“弦”… … 如此美妙的前景当然让科学家们在探索的道路上乐此不疲。

　　现在让我们跟着科学家进行一次史无前例的挑战直觉的游戏，开始一次维度之旅，依次经历从零维到十维的各种稀奇古怪的维度世界。小心，要做好神经衰弱的准备哦。

零维——一个点上的世界

　　零维就是没有长、宽、高，因此这样维度的世界实际上没有给任何事物留出栖身之所。那么，我们能否认为，零维空间就像安徒生童话中皇帝的新衣那样根本不存在？

　　的确理想的零维空间是不存在的，但近似的零维空间就在我们身边。现代物理学给我们展现了微观世界的许多稀奇古怪的现象，其中就包括一种叫做“零维半导体”的结构，也就是通常物理学家所说的“量子点”。 量子点虽然十分微小，但毕竟是有体积的，可以让一个电子刚好挤进一个量子点中。这么说来，量子点不能算作零维时空。

　　不过量子点是个古怪的陷阱，当电子一旦落入这个陷阱后，它们就不能移动分毫的距离，完全被限制住了。而且即使我们从外界向一个量子点中注入能量，不论能量大小如何，都不能改变量子点中的电子的状态，那些能量只能以光的形式再度被释放出来，量子点吃进多少能量，就又吐出多少。这样古怪的特性让物理学家干脆把量子点视为一种现实中的零维结构。

   
    我们可以把量子点加工成一种高效的光源，向其注入能量，它只会以光的形式将能量释放。由于量子点十分微小，所以这些点可以作为荧光标记工具，具体的方法是：在某些生物分子比如抗体上制造一些量子点，通过向其注入能量，观察量子点释放光的情况，就间接地跟踪了含有量子点的生物分子在生物体内移动的情况，于是可以判断诸如抗体之类的物质对生物的影响。

此外，由于量子点在俘获一个活跃的电子后，会刚刚好地释放出一个光子，于是他提供给我们一种可能的方式，能通过光子和电子的转换，传递信号。从长远来看，量子点可以作为存储工具，在未来的量子计算机中担当存储数据和发出指令的任务。 科学家估计，用这种方式制造出来的量子计算机，可以大幅度提升量子计算机处理信息的能力。

一维——在钢丝上行走

　　穿过让我们感到陌生的零维世界，我们来到了相对比较熟悉的一维世界。简单的一维空间就是一条直线，牛顿的运动定律可以在一维世界中起作用，让一维世界的物体可以向前或向后运动，或者干脆停在一个点上。

　　在量子学家看来，一维空间是真实存在的。比如，他们会制造出一些十分狭窄的微观“隧道”，让电子在其中驰骋。通常，当两个电子相遇时，本着电荷同性相斥的原理，它们会给对方让路。可是它们处在一维的隧道中，只能向前或向后运动，无法左右上下运动时，迎头相遇的两个电子会发生相互作用，一种结局是两者作为一个整体运动；还有另一种违反我们直觉的结局，那就是两个电子化作两个奇怪的粒子，一个只具有电子的电荷，而另一个只具有电子的自旋状态。

　　一维空间中的古怪现象其实量子学家已经司空见惯了，而且他们对此非常兴奋，因为电子设备制造的越来越小时，类似的一维空间日益成为设备中的常见结构。科学家目前正在研究一维碳纳米管，准备以它作为导体或者半导体材料，用来制造未来的速度更快的计算机芯片。

　1.5维——分形的风景
　　我们自己生活在三维空间，这个空间可以看成一维的线和二维的平面组合而成的结构，这是一个我们生活舒适可以理解的世界。但是我们不要以为，世界的维度一定得是整数的，比如1.5维就挑战了我们头脑中的惯性思维。

想像一下数学中的分形现象。一条线，不论是笔直的线还是经过弯曲的线，都是一维的。可是雪花的轮廓呢？我们观察雪花的精细轮廓，随着雪花被不断放大尺寸，我们会发现自己在面对一个不断复杂的轮廓图案，我们观察的越细致，我们绘制的雪花轮廓线就越长。数学家早就知道，只要我们观察的足够细致，云就不是团状的，山峰也不是锥状的，而海岸线也不是圆弧形的。

   
   分形图案的雪花轮廓算几维呢？雪花轮廓线上细微的“锯齿”让它比纯粹的直线占据了更多的空间，它显然不是一维的。雪花轮廓这样的分形图案介于一维和二维之间，我们姑且算其是1.5维。
　　

    不仅仅是雪花，许多自然界的物体都具有分形几何的特征，比如河流网络，分支闪电，云朵和花椰菜。我们甚至可以宣称，自己就生活在一个分形的1.5维的空间景观中。比如数学家已经确认，对于英国弯曲的海岸线，当测量精度提高后，海岸线长度能多出25%；而光滑的南美海岸线，提高相同的测量精度后，海岸线长度只增加了2%。

二维——充满希望的平原
　　在数学和物理研究中，一维过于简单，而三维又过于复杂，二维的“平原”刚好可以让研究者们有足够的空间发挥自己的才智。但二维并不仅仅是草稿纸上的虚拟空间，它在现实中的价值也很大。

2004年，科学家首次在实验室生产出了“二维物质”，——只有一个碳原子厚的平板，类似于通常人们熟悉的石墨。这种石墨板有许多让人兴奋的用途，比如电子可以射穿它的表面，却不会被阻挡。

   
   这种二维的石墨有什么用途呢？如果前面提到的一维的碳纳米管可以做未来的计算机的导线的话，那么二维的石墨板就将是未来的计算机的电路板。这还不是它的全部用途，人们已经知道，某些材料可以在温度大约130K时出现超导现象，大概是绝对零度和室温的中间值。超导材料的电阻为零。为什么这些材料可以产生超导现象，确实是人们长期没有搞清楚的事情。现在，人们逐渐发现，这和超导材料中一些二维的结构有关系，如果我们能够完全参透超导现象背后的物理原理，就有可能利用诸如二维石墨这样的材料，制造出能够在室温下工作的超导体。
　　
   当我们把电子用强大的磁场限制在二维层面的半导体材料中，并冷却到仅比绝对零度高 1/3K时，电子这种被人们认为是基本的不可分割的粒子在效果上会破裂成多个粒子，每一个粒子都拥有电子的部分电荷。这些粒子有时被科学家称为“任意子”，因为它们可以显示出各种不同的粒子特性。任意子和量子点一样，也可以称为信息传递的中枢，因此在研制未来强大的量子计算机时，使用任意子传输信号，也是一种可能的方式。
　　总之，在二维的平原上，从新型药物到平行宇宙等各种美妙的事物都可能会涌现出来，一切就看我们如何“挖掘”了。

三维——为什么我们一定得呆在这里？
　　二维的平原和高维的时空是思想家的游乐场，但是我们的身体依旧停留在三维的空间中。为什么我们不是生活在二维 四维 五维或者更高维度的空间中？最近物理学家试图把引力和量子理论联系起来，解释时空的本质，彻底解决我们为什么生活在三维空间的问题。
　　根据弦理论，空间可以是从零维到十维的任意模样，这让物理学家很困惑，既然各种可能的维度的宇宙都存在，但我们看到的一切都处于三维的宇宙中，这该如何解释呢？2005年美国的物理学家在计算机上挑起了“维度战争”，他们建立了一个软件模型，让不同维度的宇宙漂浮在一个扩张的十维超空间之中，当这些宇宙碰撞时，它们彼此作用，有时会消灭对方。计算表明，经过一番你死我活的争斗，三维宇宙和七维宇宙是战争中最可能幸存的宇宙类型。

    如果这个软件模型反映了真实的情况，那么前面的问题就大大的简化了，我们只要考虑，为什么我们不能离开狭窄的三维空间的王国，而居住在一个七维的空间王国呢？
　　
       欧洲的物理学家也许回答了这个问题。根据物理定律，他们模拟出了各种维度的空间，发现这些空间可以彼此粘合在一起，就像搭积木一样，形成弯曲古怪的“大宇宙”。
     
    我们是否生活在大宇宙中一小块“积木”即三维空间呢？
　　
     未必！在我们的三维空间中，我们知道原因和结果是有先后次序的，比如我们用力推一辆静止的小车，然后小车运动起来，力是原因，小车的运动是结果，我们的世界是严格遵守这种因果关系的。
　　
     但当物理学家将必须严格坚持因果关系这样的限定条件施加到模型中时，结果发现绝大多数的空间都不能满足条件，只有一种空间满足要求，即一维和三维空间构成的宇宙。没错，它就是我们的家园。
   
    看来我们还得继续呆在三维空间中，因为我们没有其他地方可去。

四维——时间是一个大骗子？
　　
   我们的宇宙空间包括了三个维度，而科学家告诉我们说，时间也是一个维度。那么时间为什么和空间的长宽高不一样呢？

    答案是，它没有什么不一样的。时间和空间并不是彼此独立的两个概念，根据爱因斯坦的狭义相对论，时间和空间融合成一个整体——时空。就像一块布匹上的线有经纬两个方向一样，爱因斯坦的物理学告诉我们，如果我们把世界看做是一块布匹，空间和时间就是时空布匹上不同方向的织线，它们一起织就了时空。

   不过还是有件事让我们觉得时间和空间是不一样的，原则上，我们可以在三维空间中向任何方向旅行，但在时间维度中，我们只能以一个方向旅行，即从过去到未来的前行方向，不能逆时间而行。我们如何解释这个现象呢？
　　  
   
   比如想象一下，在一个阳光明媚的清晨，7点钟你拉开了房间中的窗帘，假设此时此刻，太阳已经不存在了，它在6点55分发生了爆炸，但你并不知道这件事情，因为光线从太阳到达地球需要8分半钟时间。

    在这个场景中，太阳爆炸是一个事件，从这个事件中出发的光会在四维时空中飞驰，形成一个四维圆锥，物理学家把它叫光锥。只有处于这个光锥中的人，才会目睹太阳的爆炸。因为光速是宇宙中的速度极限，而7点钟的时候，由于光还没有跑到地球的位置，所以你还没有被光锥包含进来。要在此时看到太阳爆炸，我们必须运动得比光还快，进入太阳爆炸的光锥之中，但这违反了我们宇宙中的光速极限。

   所以物理学家认为，正是由于有光速的限制，时间这个维度变得和空间三个维度不同，让我们只能看到各种信息从过去向未来流淌，从来看不到时光倒流的现象。

   五维——进入不可见的王国
　　
    把时间看做第四个维度，是爱因斯坦狭义相对论的贡献。而德国数学家卡鲁扎有更宏伟的设计。
   
    早在1919年，他给爱因斯坦寄了一篇论文，他认为在四维时空中增加一个第五维，引力和电磁力就有可能统一成一种力了。几年后，一位瑞典数学家克莱因发展了卡鲁扎的设想，他认为我们可能确实生活在一个五维的世界中，但这第五维太微小了，它卷缩了起来，让我们无法感知它的存在。两位数学家的设想引发了人们给四维时空添加更多的维度，以统一各种力的研究热潮，一直延续到今天。
　　
     1999年，美国科学家发现，如果真的存在第五维，就可以解释一个令人烦恼的谜团，即为什么引力比自然界的其他力都弱得多。根据他们的五维时空模型，我们熟悉的四维时空漂浮在一个无限大的负曲率的第五维上。对于四个基本力来说，电磁力和两个核力（强作用力和弱作用力）停留在一个四维的时空膜上，而引力有一部分泄漏到了第五维里，于是处于四维时空膜上的我们就发现引力很弱。
　　
    与此同时加拿大的科学家还提出了一个石破天惊的观点，认为五维时空曾经存在，但它已经破裂成两部分：一部分是我们熟悉的四维时空，另一部分是我们世界中各种东西所包含的质量！这个理论不但解决了为什么万物都有质量的难题，还解释了宇宙开端的奇点。根据大爆炸理论，奇点具有无限大的温度和密度，当时所有的物理理论都失效了，而我们的宇宙就是由奇点扩张出来的，这真让人匪夷所思。但如果我们的宇宙是五维时空，奇点就好理解了。
　　

    打个比方，生活在平面上的二维生物怎么也想不通，为什么平面上一个金属圆点会有极大的质量；但在三维生物的角度看，那不过是一根针扎在一张纸上而已。我们站在四维时空中看到奇点很奇怪，大爆炸令人匪夷所思，但也许对于五维时空的生物来说，奇点和大爆炸并没有什么让人费解的地方

六维——骑在两条时间轴上
　　

  每当物理学家往自己设计的宇宙中添加维度时，他们添加的基本上都是空间维度，让空间中的物体可以自由移动。但其实，如果宇宙可以具有更多的维度，那多增加一条时间维度是否也可能呢？
　　

许多物理学家反对这种想法，因为宇宙中有更多的时间维度，物体就可以借助其他的时间维度，在我们已知的一维时间中穿来穿去，一会出现我们身边，马上又会出现在数亿光年外的其他星球，这等于超越了光速极限，甚至回到过去的时间旅行都可以实现了。至少在我们宇宙中，时间旅行并没有发生，而多维时间也许仅仅是设想，而不是现实。

   
    但是在1995年，美国科学家提出了一个叫M论的理论，统一了当时各种弦理论。在M论中可以具有二维的时间。不过科学家补充说，即使宇宙中具有了二维的时间，这样的宇宙中也无法实现时间旅行。
　　

     在M论中，宇宙是11维的。在稍微低一些的维度时空中，是否可能有多维时间呢？从理论上讲，在我们的四维时空中增加一个时间维度，就必须相应地也增加一个空间维度，以平衡结构。这样形成的六维宇宙其实和我们生活的四维宇宙结构很相似，只是在六维的世界中，会包括许多四维宇宙的投影，而我们所熟悉的物理学定律到了那里，也不适用了。

也许宇宙真是一片片的呢。。。

十维——你听，弦在歌唱
　　
    进入十维宇宙，我们就抵达了弦的国度。物理学家一直希望把量子力学和广义相对论融合在一起，形成一个既适用于微观又适用于宏观的“万有理论”，而弦理论是万有理论的“候选人”之一。
　　
   弦理论认为，万物都是由微小的弦构成的，弦不同的振动方式，产生了各种粒子，这些粒子最终又构成了宏观的物体。组成物质和传输力的所有粒子都来自微小的弦的振动。这些弦虽然是一维的，但他们周围的时空却足足有十个维度，其中九个空间维度以及一个时间维度。
　　为什么要有十个维度呢？这是因为物理学家计算后发现，少了任何一个维度，弦理论无法成立，甚至会出现严重的错误，比如时空中出现小于普朗克长度即10^-35米的时空尺度，这是违背物理学常识的。


    十维并不是我们宇宙可能具有的维度上限。前面我们提到的M论就有11个维度，它正是为了统一5种不同的弦理论而出现的。一些物理学家认为，我们的宇宙就应该是十一维的，只是其中的七个空间维度都卷缩到了我们观察不到的地步。还曾经有一种弦理论认为，宇宙有多达26个维度！
　　
    我们没有提到七维、八维、九维或者3.5维之类的宇宙，这是因为物理学家们无法设计出那样维度的时空，因为他们违背了物理学原理，是不可能存在的。当然理论是发展的，它们也许有死灰复燃的机会，比如2007年，一位物理学家就抛弃了弦理论，而使用另一种数学方法，成功的构建起一个八维的时空结构，似乎把引力和其他三种基本力都统一起来了。
　　

    如今，物理学家们分成两大阵营，一派认为宇宙具有某个固定的维度，我们需要做的就是确定宇宙的维度，搞清宇宙的真实结构；而另一派则认为，也许存在许多个宇宙，他们的维度并不一样，而我们恰好生活在一个四维时空的宇宙中。
　　
   我们的维度之旅暂时告一个段落了，我们没有在险象环生的古怪时空中迷路，真是一个幸事！

楼主修改一下文字的大小，并配些图，就是相当不错的科普文章。

弦理论，的确挺玄的，呵呵

回复 12# gohomeman1


    稍微编辑了一下，把字体放大了一点。图片就实在暂时无法弄到了。那位朋友有的帮个忙，上传一下？

学习了。

太长了，坐下来慢慢看

慢慢看....    难理解..

科学家都是疯子！  吃拉饭没事干 ！不一定说的都是对的。。。。。

相当受教了，但是我现在的任务是脚踏实地拉!