有一天,来自另外一个宇宙的一名物理学家经由过程某种我们未知的体例,暗暗地来到了地球上,她的使命是尽量的领会我们宇宙中的一切°她所好奇的第一个问题即是:我们的宇宙事实有几个维度?

  

 

  她翻阅浏览年夜量的文献,并最先瞻仰星空,细心不雅测并记实恒星的行动°很快,她就发现恒星之间会遭到引力的感化彼此吸引,且引力的巨细会跟着它们之间的距离的平方递减°她揣度,这注解了空间是三维的°可是,当她最先推导星光在空间中是若何传布的方程时,却发现用四维的说话来描写最为合适°接着,她最先思虑一个更加艰深的问题:可否用一个单一的理论框架来描写引力和光?终究她发现,如许的一个理论最少需要十个维度°因而,她在笔记本中总结到:“三维、四维、也许更多”°

  

 

  她是若何得出这个结论的?让我们先从最根基的零维最先,最先维度的摸索之旅°

  0维

  在以上文字中,假如你留意到了一些标点中包括着点“.”,那末恭喜你,你已看到了0维°

  

 

  0维的概念很有一丝皇帝的新衣的意味°既然是0维,那也就是说没有能容纳任何工具的空间了,所以0维空间必然等于甚么都没有,对吗?纷歧定°在物理学中,就有一种0维半导体布局——量子点°任何工具,不管巨细,都是有一个尺寸的,但电子是可以因为被紧缩得太紧而底子没有可移动的空间的,如许就构成了一个电荷的0维圈套,被束厄局促在这类圈套中的电子会有很是希奇却又有效的行动°任何注入量子点的能量都不克不及用来转移电子,只能以光的情势释放°这使得量子点可以成为一种高效的低功耗光源°

  1维

  在1维的世界中,鸟儿只能朝一个标的目的飞,我们只需要一个数字就可以肯定它的位置°

  这是一个你只能沿着一条线进步或撤退退却的世界,不管是面前仍是死后,你能看到的都只有一个点°这就是1维世界,它是应用如牛顿活动定律等经典概念的完善世界°

  但恰是在量子理论中,1维的物理学才最先真正活矫捷现°以电子的行动为例,凡是,它们会为了避开对方而做任何工作,但一旦被困在一个1维通道中,它们就只能前后移动,并最先彼此感化,然后作为一个整体一路活动°但是,当前提适当时,工作就会朝着相反的标的目的成长:一个受束厄局促的电子可以表示得像是两个粒子,一个带有电子的电荷,另外一个带有电子的自旋°如许的现象有良多,它们不但仅是物理学家的乐趣,还具有不凡的利用意义°

  1.26维

  科赫雪花的维数年夜约为1.26维°

  1982年,数学家曼德博(Benoit Mandelbrot)在他的著作《年夜天然的分形几何》中描写到,云不是球体,山不是锥形,海岸线也不是圆形°事实证实,真实世界的维度并不是整洁的整数°

  例如,当你描摹一片雪花的精美轮廓时,跟着你不竭地放年夜,你会发现本身在遵守某种愈来愈复杂的模式,并且当你离得越近,你描画的线条就愈来愈长°可是你的画依然是一条线,可是它的皱褶所包括空间比直线更多°可是不管一条直线它有何等扭曲,都不成能跨越一维,不是吗?

  接待来到分形的世界°分形维数是穿梭在我们熟习的1维、2维和3维世界之间的不法则景不雅,它们与我们习惯前后、摆布和上下的维度纷歧样,但也紧密亲密相干:它们描写了一个复杂的物体在更细微的标准上填充了几多空间,并丈量了更多的细节°

  2维

  1884年,数学家埃德温·A·艾伯特(Edwin A Abbott)出书一部迷人的作品《平面国》°这部小说以第一人称的体例讲述了一个住在二维世界的方块师长教师摸索高维世界的故事°上图显示的恰是平面国中的一个通俗房子°

  对物理学来讲,二维的“平面国”仿佛是一个恰如其分的世界,它不像一维世界的物理那样简单,也没有三维世界的物理那末复杂紊乱,二维的世界恰好有足够的空间来制造有趣又有效的工具°此中,最有效且最广为人知的一种二维材料可能就是石墨烯薄片了,这类材料只有单层碳原子那样厚,它的利用普遍,电子几近可以不受阻碍地穿过这层薄片°与高温超导有关的谜团,极可能也埋没在这些二维的材料当中°

  当电子在接近绝对零度的温度下,被强磁场局限在一层二维半导体材猜中时,电子这类不成再分的根基粒子,仿佛会分化成分歧的粒子,且每一个粒子都带有一小部门电子的电荷°这类现象被称为分数目子霍尔效应,由此发生的粒子被称为“肆意子”,而肆意子的呈现也迫使我们从头思虑电子的素质°

  所以,二维的“平面国”长短常适用,且又很是深入的°

  3维

  我们的思路也许可以飘到2维的平面国或多维的超空间中去,但身体倒是处于3维空间中的°为何恰好是3维?

  1917年,奥地利物理学家埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)写过一篇富有开导性的文章“In what way does it become manifest in the fundamental laws of physics that space has three dimensions?”°在文章中他罗列了为何3维是描写我们这个世界最完善的维度的证据°埃伦费斯特留意到太阳系中行星不变的轨道和原子中的电子静止状况需要力的平方反比定律°好比,假如引力是与距离的立方呈反比,而不是平方,那末行星的轨道就不会是不变和椭圆的°

  物理学家依然在摸索这个问题°理论家曾提出了人择道理:宇宙中存在各类可能的维度,但我们之所以能看到我们所看到的,是由于像我们如许的生物需要一个3维的栖息地°

  2005年,兰德尔(Lisa Randall)和卡奇(Andreas Karch)提出了一个可能性°在他们的模子中,很多分歧维度的宇宙漂浮在一个不竭膨胀的10维超空间中°当这些宇宙相撞时,它们会彼此湮灭°计较注解,3维和7维宇宙最有可能在如许的相撞中幸存下来°假如你接管了这个设定,就仿佛已回覆了这个问题°可是为何我们不是糊口在一个广漠的7维空间里,而是挤在狭小的3维宇宙呢?这也许可以注释为,空间不是一个同一的整体,而是由无数的小块构建而成的°

  4维

  三个空间坐标和一个时候坐标是肯定我们在四维时空中的位置所必需的°

  以上就是我们熟习的三维空间,那末是不是存在第四个维度呢?其实,早在18世纪末,法国数学家让·勒朗·达朗贝尔(Jean le Rond d’Alembert)和约瑟夫·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)就意想到,描写时候的数学说话与描写空间的数学说话实则很是类似°很快,那时的数学家就对时候是第四个维度告竣共鸣°

  为何空间和时候会如斯分歧呢?其实其实不°空间和时候是不成以分隔思虑的概念°在爱因斯坦(Albert Einstein)的狭义相对论中,它们融会成了一个实体°在一小我眼中仿佛只在空间上分隔了的两个物体,在另外一小我来讲却可所以在空间和时候上都分隔了的°一样地,两个仿佛只在时候上分手的事务,也可能从另外一个角度上看会发现它们产生在分歧的处所°这是有悖我们的平常经验的,那是由于我们的速度不敷快°只有当两个不雅察者的相对速度接近光速时,才会闪现出这类较着的分歧°

  1907年,闵可夫斯基(Hermann Minkowski)意想到狭义相对论可以用四维时空的说话来描写°爱因斯坦在成长全新的引力理论——广义相对论时应用了这一思惟°固然空间和时候被同一成时空,但这二者之间也有较着的区分°理论上说,我们可以在三维空间中的任何标的目的上活动,但在时候上我们只能朝一个标的目的迟缓进步,那就是从此刻走向将来°

  (广义相对论预言了星光在颠末太阳时会产生曲折,读者可进一步浏览:《爱因斯坦的1919》)

  5维

  故事并没有逗留在四维时空°到了1919年,德国数学家卡鲁扎(Theodor

  Kaluza)给爱因斯坦寄去了一篇论文°在论文中,卡鲁扎展现了只要增添一个额外的空间维度,引力和电磁力就可以被同一成统一种力!爱因斯坦被这一设法迷住了,但假如卡鲁扎是对的,那末,这额外的维度埋没在哪里?

  1926年,物理学家克莱因(Oskar

  Klein)给出了谜底:第五个维度会卷曲成很是小的圆圈°一个经典的例子是吸管°从远处看,它看起来就像是一个一维的物体,但假如你不雅察得足够细心,就会发现它有第二个维度°所以在空间中无处不在的第五个维度应当是一个很是小的圆°固然卡鲁扎和克莱因的理论终究以掉败了结,但在几十年后,他们的思惟获得了苏醒°

  到了1999年,兰德尔(Lisa Randall)和桑卓姆(Raman undrum)提出,也许第五维其实不像克莱因所认为的那末小°他们认为,也许我们糊口在一张悬浮在高维时空的庞大的膜上°如许的一个膜理论可以解决物理学中的一个重年夜问题:为何比拟于其它三种根基力(电磁力、强核力、弱核力),引力是如斯的弱?谜底很简单:引力会进入到额外维度中去°

  6维

  假如存在一个额外的时候维度,时候便可以向前也能够向后流逝°

  宇宙中是不是存在第6个维度?假如有,那末这第6个维度将是空间维度仍是时候维度°你会发现,当触及到更高的维度时,增添时候维度其实不受青睐°这是有缘由的°由于假如有更多近似时候的维度,物体便可以在一维时候的肆意点之间顺次经由过程其他的时候维度、避开对光速的限制进行往返穿梭°也就是说,时候观光是有可能的°但在我们的宇宙中,环境仿佛并不是如斯°

  1995年,物理学家鲍尔什(Itzhak

  Bars)构建了一个答应第二个时候维度存在的理论框架°在这个框架中,时候观光是被制止的°这类有两个时候维度的理论很是具有吸引力°例如,它也许能消弭粒子物理学的尺度模子中的一些不完善的地方°但问题是,这类环境只有在存在额外的空间维度时才有用°

  鲍尔什发现,我们所看到的世界只是一个六维世界的“影子”,就比如是一个三维物体,好比我们的手,和它在墙上构成的二维暗影那样°就像因为按照光源的分歧位置,手在墙上的暗影可以有良多分歧的版本一样,六维世界也可能有很多分歧的四维暗影,每种城市在我们的世界中激发一系列分歧的现象°

  鲍尔什还发现尺度模子现实上只是他的六维理论的一个影子°按照鲍尔什的研究,引力在其他的暗影中,终究它将可以与尺度模子连系起来°

  8维

  E8

  8维空间是一个罕见空间,它是八元数的发源°八元数是一种希奇的存在°它们是唯一的四种答应除法存在的数字系统之一,是以可以进行所有的代数运算°但是,八元数彼此感化的体例特殊辣手,这与任何我们熟习的传统数字系统都有所分歧°

  那末为何要用八元数呢?这是由于,它们对理论物理中的一些问题来讲,是一个非常珍贵的东西°由八元数组成的矩阵是一种奇异的数学布局——E8非凡李群的根本单位°

  2007年,E8成了头条新闻,那时一位物理学家试图用E8群把引力和其他三种根基力同一°这个物理学家名为里斯(Garrett Lisi),他其实不附属哪一所年夜学,他的年夜部门时候都在夏威夷冲浪°里斯的发现激发了剧烈的会商°不外由八元数衍生出的理论还并未获得尝试的查验,是以,八元数是不是与实际世界有关,还是物理学家需要思虑的问题°

  10维

  在弦理论中,位于空间每一个点的外形不是圆或球,而是一个具有六个额外维度的外形°

  我们终究抵达了弦理论中的传奇领地——10维°虽然人们对弦理论提出过各种尖刻锋利的攻讦,但它是今朝试图将量子力学和广义相对论连系成“万有理论”的最有潜力的理论°它认为所有组成物资或传递力的粒子都源自于细小的弦的振动°这些弦是一维的,但它们晃悠的空间不是,它具有10个维度:9个空间维度,1个时候维度°

  这是为何?简而言之,这个理论其实不合用于更少的维度,在比普朗克长度(10-35米)还小的标准上,忽然呈现的数学异常会转化为时空布局的猛烈波动°

  但这其实不代表10就是阿谁奇异的数字°事实上,弦理论初期还有过一个26维的变种°有五个分歧界说的十维弦理论在竞相注释宇宙,并且没有任何迹象让我们分辩哪一个是准确的°但这些分歧的理论可以同一成一个理论——M理论,它有11个维度°

  假定M理论的额外维度必需以某种体例被紧缩到一个我们看不见的尺寸,那末实现这一方针几近有没有限种方式,而若何找生产生我们宇宙的那种体例则还是一个问题°这个问题将理论家分为两个阵营°一部门人认为我们终究会找到解决法子,还有愈来愈多的人则撑持“多重宇宙”的不雅点°认为所有可能存在的宇宙都确切存在,也许是物理学家在摸索高维空间时能想到的最古怪不雅点°我们所知道的宇宙之所以如斯,是由于它刚好就是我们所糊口的宇宙°

  真的存在额外维度吗?

  此刻的问题是,不管是不是存在第5维(或是6、7、8、9、10维),我们要若何找到它们存在的证据?物理学家曾寄但愿于年夜型强子对撞性能够发现蛛丝马迹,但今朝并没有找到任何证实额外维度存在的尝试证据°2017年,科学家发现了双子中子星归并发生的引力波,他们丈量了引力波传回地球的时候,但也没有发现任何引力进入到额外维度的证据°

  我们极可能永久也不会直接看到更高的维度,但这其实不意味着我们找不到使人佩服的证据°举一个例子,夸克是组成万物的最根基粒子,科学家从未发现过一个孤立的夸克,可是夸克模子在注释更年夜的复合粒子(强子)的特征方面长短常成功的°正由于如斯,科学家一致认为夸克是存在的°一样地,假如我们可以或许搜集到足够的证据证实额外维度理论是有用的,即理论可以注释现有的数据并作出成功的猜测,那末我们就有来由相信额外维度是存在的°

 

  到此刻,我们已很清晰为何来自另外一个宇宙的物理学家会得出:“三维、四维、也许更多”的结论°也许,她已把握了某种手艺,前去将来的某个节点,并得悉了关于我们宇宙中是不是存在额外维度的奥秘°