四維與五維

查理德·韋伯++lollso+lo

四維——時(shí)間，大騙子

空間是由三維組成的，時(shí)間也是一個(gè)維度，它為什么如此與眾不同？

答：它沒(méi)什么不同。

物理學(xué)家彭羅斯在他的書(shū)《引力》中寫(xiě)道：“空間和時(shí)間不是相互獨(dú)立的概念?！痹趷?ài)因斯坦的狹義相對(duì)論中，時(shí)間和空間融合成一個(gè)整體。對(duì)一個(gè)觀察者來(lái)說(shuō)只有空間坐標(biāo)不同的兩個(gè)物體，在另一個(gè)觀察者看來(lái)其時(shí)間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)可能都是不同的;同樣，在一個(gè)觀察者看來(lái)在同一地點(diǎn)先后發(fā)生的兩個(gè)事件，在另一個(gè)觀察者看來(lái)可能其時(shí)間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)都不同。

這與我們的日常經(jīng)驗(yàn)大相徑庭，因?yàn)槲覀儾粔蚩?。這種觀察結(jié)果的差異只有兩個(gè)觀察者的相對(duì)速度接近光速——這個(gè)宇宙的速度上限——時(shí)，才會(huì)變得明顯。

愛(ài)因斯坦的物理理論揭示了一個(gè)深刻的真相：時(shí)間和空間是緊密交織、不可分割的，如同組成一件織物的經(jīng)緯線，但兩者之間也有明顯的區(qū)別：原則上，我們能夠沿著三維空間的任意方向旅行，但沿著時(shí)間我們只有單向的苦旅，從過(guò)去到未來(lái)。如何理解這一差異呢？

紐約克拉克森大學(xué)的物理學(xué)家勞倫斯·舒爾曼解釋說(shuō)：“這也是因?yàn)橛钪娴乃俣扔猩舷??！毕胂筮@樣一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)陽(yáng)光燦爛的早晨，7點(diǎn)鐘，你拉開(kāi)窗簾。如果太陽(yáng)已經(jīng)在6點(diǎn)55分爆炸了，此時(shí)你還完全感受不到這一點(diǎn)，在我們的周?chē)匀怀錆M陽(yáng)光，因?yàn)楣鈴奶?yáng)傳到地球，需要8.5分鐘。

在圖1（為了方便，只畫(huà)出了一維時(shí)間和二維空間）的這個(gè)例子中，宇宙中的任何事物，比如正在爆炸的太陽(yáng)、站在窗邊的我們，都可以表示為時(shí)間坐標(biāo)中的一個(gè)點(diǎn)。由該點(diǎn)發(fā)出的兩條光線構(gòu)成的光錐，其中一個(gè)代表光從事件點(diǎn)出發(fā)遠(yuǎn)離事件點(diǎn)在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)表示光朝著事件點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。要想讓我們?cè)谔?yáng)爆炸的當(dāng)下就在窗邊看見(jiàn)，就需要信息的傳播速度超過(guò)我們所處的光錐，即其速度大于光速，而宇宙不允許這樣。

舒爾曼說(shuō)：“正是由于宇宙的速度有上限，使得宇宙的部分時(shí)空是不可及的?！彼蚱屏藭r(shí)間和空間的對(duì)稱(chēng)性，使我們獲取的信息只能是從過(guò)去流向未來(lái)的，這就是時(shí)間的單向性。

五維——進(jìn)入不可見(jiàn)區(qū)域

宇宙究竟有多少維？這個(gè)問(wèn)題可能沒(méi)有唯一答案。

將時(shí)間看作第四維，這是愛(ài)因斯坦理論的精髓。德國(guó)數(shù)學(xué)家卡盧察做了一個(gè)更宏偉的設(shè)計(jì)。1919年，他給愛(ài)因斯坦郵寄了一篇文章，在文中，他提出通過(guò)給時(shí)空加入第五維將電磁力和萬(wàn)有引力統(tǒng)一描述為一種力的兩個(gè)不同方面的想法。

幾年后，瑞典數(shù)學(xué)家克萊因又深化了卡盧察的想法。顯然，日常生活中我們只能看到四維時(shí)空，對(duì)此，克萊因的解釋是：第五維的空間尺度很小，可能高度卷曲在四維時(shí)空的每一點(diǎn)。他開(kāi)辟了物理學(xué)在超空間隱藏的額外維中尋找力的統(tǒng)一性的思路，這一思想一直延續(xù)到今天的弦理論中。

然而，也許第五維并不像克萊因想象的那么微小。1999年，哈佛大學(xué)物理學(xué)家麗莎·藍(lán)道爾和約翰·霍普金斯大學(xué)巴爾的摩分校的拉曼·桑卓姆利用弦理論分析了高維空間的性質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)引入巨大的第五個(gè)維度，可能可以解決一個(gè)一直困擾物理界的難題：為什么萬(wàn)有引力比其他的力都要弱？他們的模型認(rèn)為，我們熟悉的四維時(shí)空飄浮在一個(gè)無(wú)窮大的負(fù)曲率五維時(shí)空之中。電磁力和核力被限制在四維空間內(nèi)部，萬(wàn)有引力卻可以滲透到第五維，因此在我們看來(lái)，引力比電磁力和核力要弱得多。

加拿大滑鐵盧大學(xué)的保爾·維森認(rèn)為，五維時(shí)空是存在的，四維是我們生活于斯的時(shí)空，第五維雖然不可見(jiàn)，但對(duì)這個(gè)四維時(shí)空的作用產(chǎn)生了許多有質(zhì)量的額外維粒子。這一方案可能解決了長(zhǎng)期困擾粒子物理學(xué)界的一個(gè)難題：質(zhì)量是如何產(chǎn)生的。根據(jù)這個(gè)理論，粒子的質(zhì)量有一個(gè)幾何起源。同時(shí)，該理論也解決了大爆炸的奇點(diǎn)問(wèn)題：大爆炸開(kāi)始時(shí)，宇宙處于無(wú)限高的溫度和密度狀態(tài)（注：這一論斷并非公認(rèn)結(jié)果）。在這里，基本物理學(xué)定律都失效了。而從五維宇宙的觀點(diǎn)來(lái)看，大爆炸只是一個(gè)幻覺(jué)，所以也就根本沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。

五維空間的存在帶來(lái)了一些更為精妙的結(jié)果。1997年，理論物理學(xué)家朱安·馬爾達(dá)希納提出一個(gè)猜想，某些有五個(gè)展開(kāi)維而且包含引力的弦理論等價(jià)于四維無(wú)引力量子場(chǎng)論，后者可以看成是前者的全息投影。這使得我們的日常世界如同來(lái)自宇宙邊界的投影一般縹緲。

這聽(tīng)起來(lái)很神秘，但在很多領(lǐng)域，比如高溫超導(dǎo)物理領(lǐng)域這種高—低維理論的等價(jià)性已經(jīng)被成功地應(yīng)用到對(duì)困難問(wèn)題的計(jì)算上，在馬爾達(dá)希納的示意圖中，四維理論并不比五維理論更真實(shí)地描述世界。這樣說(shuō)來(lái)，“宇宙究竟有多少維”這個(gè)問(wèn)題根本沒(méi)有唯一的答案。