說到三維世界,我們肯定最熟悉不過了。如果讓我們來描述壹個三維的物體或者空間,我們肯定會首先描述它的長、寬、高,或者在坐標系中描述出它所處的X、Y、Z坐標值,這些描述使得三維物體或者空間,壹下子有了形象的概念,從而很容易在我們的想象中確立起它的邊界和大小。
作為處在三維空間中的物體,由於無時無刻不在發生著運動(相對運動),那麽無論是在感知中,還是在物理體系中,都會賦予它壹定的時間存在標誌,那就是加入壹個時間的維度,使其擁有著隨著運動過程所帶來的狀態改變。因此,三維+時間 四維時空,不但成為我認知周圍世界的標準和尺度,同時也是各種物理理論所默認的支撐載體。
大家在學習牛頓力學、電磁學、愛因斯坦相對論、熱力學等等物理知識時,估計都會有壹個感覺,那就是對於這些現象所處的維度環境根本沒有什麽要求,而是通用性的,比如在二維平面或者三維空間裏,計算出的結果都是相同的,如果拓展到更高的維度,那麽結果也會壹樣。
直到“超弦理論”的出現,將原有物理體系中對維度不加限制的情況打破了,提出宇宙中必須要有壹個特定的維度,否則就會出現大問題。
超弦理論來源於“弦理論”。弦理論的壹個基本觀點,就是將自然界中的基本單元,看成並非是由電子、光子、中微子等之類的點狀粒子,而是很細很細的線狀“弦”,這種“弦”的不同振動、不同運動會產生不同類型的點狀粒子,從而給成了我們現實的世界。
科學家們之所以會提出“弦理論”,其中壹個重要原因就是想借之來統壹廣義相對論和量子力學,同時也借之統壹宇宙中的四種基本作用力(強核力、弱核力、引力和電磁力),這種假設出來的理論,可以很好地完成當今物理學領域最大的難題-大統壹問題。不過,這種理論仍然存在較多的問題,需要做相當多的工作,來對假設條件進行優化和完善。
按照弦理論的相關描述,科學家們壹開始也認為,該理論也與之前的力學、電磁學等理論壹樣,對不同的維度也具有普適性,不過在應用弦理論來解釋和計算三維空間中的物理現象時,發現有的計算結果超出了三維下物理量的閾值極限,比如計算壹種現象的發生概率時,有時會出現大於1的情況,有時也會出現負數的數值,這已經遠遠超出了我們的認知,在三維中根本是不可能的,問題出在哪裏了?難道弦理論是錯誤的嗎?
事實不是這樣的,弦理論沒有出現問題,錯就錯在維度的數值上出現了偏差,因為在計算中科學家想當然地將維度默認為三維。後來,有科學家提出了壹個大膽的方案,就是將弦理論放到壹個更多的維度中去計算,結果發現,當設定的宇宙維度值為25維的時候,計算出的概率值正好處於0和1之間。
所以,按照“弦理論”的模擬試錯反推的結果,宇宙空間是25維的,後來隨著弦理論的發展和演化,這個維度最終計算出來的結果隨著發生了變化。
科學家們是利用光子的靜止質量為零這個得到科學界公認的定理,來應用弦理論反推出宇宙的維度的。簡單地說,在量子力學中,時空內無時無刻、無處不充滿著量子漲落現象,我們應用不確定性原理,對物體的最低能量進行 探索 ,發現物體最低的“量子漲落能量”並不為0,同理“弦”的最低能量為不為零。而“弦”的整體能量是這個最低能量加上弦振動的能量,既然光子是由“弦”的振動所產生,那麽光子的靜止整體能量必須是零。
為了解決這壹矛盾,科學家們繼續研究,發現光子的整體能量,即最低能量和振動能量之和E,與2+(D-1) (1+2+3+4+5+……)成正比(D代表著維度)。如果僅看這個公式,乍壹看無法求解,但是別忘了有壹個神奇的公式-歐拉公式:1+2+3+4+5+……=-1/12,即無窮個正整數相加,結果是-1/12,不可思議吧,這裏就不列舉推導過程了,有興趣的朋友可以搜索查壹查。
那麽,我們根據歐拉公式反過來推導壹下,要想使E 0,那麽D的數值就必須是25,於是通過弦理論計算出宇宙的維度是25維。
經過不斷地修正和改進,物理學家們把超對稱性這個概念,加入到了弦理論中,於是產生了“超對稱弦理論”,簡稱“超弦理論”,其中“超”字的含義就是指超對稱性。
這種拓展的結果,使得弦的振動,不但在原有的D個維度上進行,還會在超空間的格拉斯曼數坐標的方向上振動,於是在“超弦理論”模式下,上述推導光子整體能量為0的公式,就演化成了E與2+3 (D-1) (1+2+3+4+5+……)成正比,將後面連續正整數和為-1/12代入,我們得出D的新值為9。
在這種9維空間中,科學家們發現了5種不壹樣的“超弦理論”,為了探求這5種理論哪個是正確的、哪些是錯誤的,科學家愛德·威滕繼續為之不斷奮鬥,結果不但沒有發現5種理論的任何漏洞,而且它們都***同指向了壹個***同的理論,這說明這5種理論也是統壹的,只是這個終極理論的5個“分身”而已。
然而,到目前為止,科學家們也沒有找到這個大統壹理論的“集大成者”,於是發現這其中隱藏奧秘關聯的愛德·威滕,將這種理論稱為擁有“神秘、魔法”性質的理論,於是取英文單詞的***同首字母-M,將其命名為M理論。
由於M理論是基於9維空間更高壹層的維度實現的,所以M理論的空間維度也就是10維,如果再加上時間這個維度,那麽我們宇宙的維度就剛好是11維。
如果想要回答這個問題,難度是很大的,因為我們壓根就不知道M理論是什麽,也不知道11維時空的具體含義和表象。不過,按照超弦理論的解釋,我們或許能夠得到壹些安慰。
超弦理論指出,宇宙雖然由11維時空所構成,但除了時間維度以及我們能夠感知的三個維度外,其余的7個維度,都在很小的空間中蜷縮了起來,言外之意就是,雖然存在,但是我們就是看不到。
這就像我們觀察壹根木棍壹樣,在很近的距離,我們可以看到它是壹個三維的圓柱,如果再遠壹點,我們只能看到壹個具有長度和寬度的二維圖像,如果距離達到壹定程度,我們只能看到壹條線,它在我們的感知中就變成了壹維的物體。宇宙的其它維度,道理應該是壹樣的。