四維與五維

查理德·韋伯++lollso+lo

四維——時間，大騙子

空間是由三維組成的，時間也是一個維度，它為什么如此與眾不同？

答：它沒什么不同。

物理學(xué)家彭羅斯在他的書《引力》中寫道：“空間和時間不是相互獨立的概念。”在愛因斯坦的狹義相對論中，時間和空間融合成一個整體。對一個觀察者來說只有空間坐標(biāo)不同的兩個物體，在另一個觀察者看來其時間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)可能都是不同的;同樣，在一個觀察者看來在同一地點先后發(fā)生的兩個事件，在另一個觀察者看來可能其時間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)都不同。

這與我們的日常經(jīng)驗大相徑庭，因為我們不夠快。這種觀察結(jié)果的差異只有兩個觀察者的相對速度接近光速——這個宇宙的速度上限——時，才會變得明顯。

愛因斯坦的物理理論揭示了一個深刻的真相：時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，但沿著時間我們只有單向的苦旅，從過去到未來。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：“這也是因為宇宙的速度有上限。”想象這樣一個思想實驗：在一個陽光燦爛的早晨，7點鐘，你拉開窗簾。如果太陽已經(jīng)在6點55分爆炸了，此時你還完全感受不到這一點，在我們的周圍仍然充滿陽光，因為光從太陽傳到地球，需要8.5分鐘。

在圖1（為了方便，只畫出了一維時間和二維空間）的這個例子中，宇宙中的任何事物，比如正在爆炸的太陽、站在窗邊的我們，都可以表示為時間坐標(biāo)中的一個點。由該點發(fā)出的兩條光線構(gòu)成的光錐，其中一個代表光從事件點出發(fā)遠(yuǎn)離事件點在時空中運動，另一個表示光朝著事件點運動。要想讓我們在太陽爆炸的當(dāng)下就在窗邊看見，就需要信息的傳播速度超過我們所處的光錐，即其速度大于光速，而宇宙不允許這樣。

舒爾曼說：“正是由于宇宙的速度有上限，使得宇宙的部分時空是不可及的。”它打破了時間和空間的對稱性，使我們獲取的信息只能是從過去流向未來的，這就是時間的單向性。

五維——進(jìn)入不可見區(qū)域

宇宙究竟有多少維？這個問題可能沒有唯一答案。

將時間看作第四維，這是愛因斯坦理論的精髓。德國數(shù)學(xué)家卡盧察做了一個更宏偉的設(shè)計。1919年，他給愛因斯坦郵寄了一篇文章，在文中，他提出通過給時空加入第五維將電磁力和萬有引力統(tǒng)一描述為一種力的兩個不同方面的想法。

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空，對此，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空的每一點。他開辟了物理學(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)，通過引入巨大的第五個維度，可能可以解決一個一直困擾物理界的難題：為什么萬有引力比其他的力都要弱？他們的模型認(rèn)為，我們熟悉的四維時空飄浮在一個無窮大的負(fù)曲率五維時空之中。電磁力和核力被限制在四維空間內(nèi)部，萬有引力卻可以滲透到第五維，因此在我們看來，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，五維時空是存在的，四維是我們生活于斯的時空，第五維雖然不可見，但對這個四維時空的作用產(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期困擾粒子物理學(xué)界的一個難題：質(zhì)量是如何產(chǎn)生的。根據(jù)這個理論，粒子的質(zhì)量有一個幾何起源。同時，該理論也解決了大爆炸的奇點問題：大爆炸開始時，宇宙處于無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來看，大爆炸只是一個幻覺，所以也就根本沒有這個問題。

五維空間的存在帶來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)希納提出一個猜想，某些有五個展開維而且包含引力的弦理論等價于四維無引力量子場論，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自宇宙邊界的投影一般縹緲。

這聽起來很神秘，但在很多領(lǐng)域，比如高溫超導(dǎo)物理領(lǐng)域這種高—低維理論的等價性已經(jīng)被成功地應(yīng)用到對困難問題的計算上，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地描述世界。這樣說來，“宇宙究竟有多少維”這個問題根本沒有唯一的答案。