基于思想實驗的多維世界初探

沈敏

摘 要：以“物理規律在多維世界一脈相承具有延續性”為前提，基于思想實驗，對物理現象在多維世界中呈現的景象進行了闡釋，從而對多維世界有一個淺顯易懂的解釋，并與現有權威理論相吻合。

關鍵詞：多維世界;思想實驗;大爆炸

一、引言

1948年，俄國出生的美國天體物理學家伽莫夫等人在前人基于愛因斯坦廣義相對論理論的基礎上正式提出了大爆炸宇宙論。大爆炸宇宙論認為宇宙起源于一個溫度極高、密度極大的奇點，該奇點經過一次大爆炸使物質擴散，溫度逐漸降低而終于形成了今天的宇宙。這一理論到目前為止一直都是最具權威性的，但是，它在解釋奇點的來歷時遇到了困難，而且它對超四維世界（如五維、六維甚至更高維）的存在的揭示也不夠通俗。能不能有一種更淺顯易懂的解釋呢？

二、物理規律在多維世界的一脈相承性

在現實生活中，我們經常可以見到這樣的現象：一滴油滴落在水面上，油滴隨著時間的推移在二維的水面上擴散。利用這個例子，我們可以模擬性地解釋所謂“宇宙大爆炸”開始時那個奇點的來歷，從而感受到超四維世界的存在，并對超四維世界有一個感性的認識。

我們考察油膜在水面上的擴散，也能順其自然地逆推其擴散之初應該存在一個奇點：油滴。而就和宇宙起源的那個奇點很難在三維空間的基礎上加以解釋一樣，油滴處在這一奇點時也很難在二維平面的范疇內得到簡單的解釋，因為那時的油滴更體現為體積，已經超出了二維而涉入了更高維——三維。

如果我們想到以下簡單現象：油滴隨著時間的推移從空中落到水面上--物質從四維世界（三維空間+一維時間）進入到三維世界——化為油膜并開始擴散，那么我們就比較容易接受這樣一個觀點：宇宙物質起源的那個奇點從超四維世界進入到四維世界并開始膨脹，從而感受到超四維世界的存在。而且我們不妨相信宇宙在大爆炸那一瞬間和接下來的一小段時間里那些目前在四維世界里尚難以解釋的現象（如空間的“彎曲”以及從“沒有物質和時間”到“忽然間有了物質和時間”）在超四維世界里將很容易解釋，因為我們看到，油滴剛落到水面上時的振蕩（平面的“彎曲”，從而由二維平面涉入了三維空間）以及水面上從“沒有油膜”（當然也就沒有“油膜在水面上的時間”）到“忽然有了油膜”（這下“油膜在水面上有時間”了）等現象在三維世界（水面上）雖然難以解釋，但在比三維高的四維世界（空中和立體水域）里解釋起來卻很容易。

從上面的模擬性解釋中我們已經能感受到超四維世界的存在，不但如此，我們還發現，在以上我們容易接受的理解方式上，從三維到四維與從四維到超四維是一脈相承的。更令人激動不已的是它啟迪了我們展開聯想的翅膀沿一條更具延續性的路線在從二維到超四維的眾多世界間自由地翱翔！因為我們看到，愛因斯坦在他1905年發表的“論動體的電動力學”這篇具有劃時代意義的論文中作了以下假設：

物理規律對所有慣性系都是一樣的，不存在任何一個特殊的（例如“絕對靜止”的）慣性系。（愛因斯坦稱其為“相對性原理”，“我們稱之為愛因斯坦相對性原理”。）

而我們不妨也作一個類似的假設：

物理規律在所有維數的世界里都是一脈相承的，具有延續性的，不存在任何一個特殊的世界。

而接下來請看以下用以進一步給出對超四維世界的感性認識的推導：

設一個一維物體從一直線外運動到該直線上并沿該直線運動一段時間后又脫離了該直線，那它的運動軌跡不可能只限于一維直線（二維世界）而至少要涉及二維平面（三維世界）。而這一運動在二維世界中所呈現的是這樣一種奇特的景觀：一維物體在直線上“忽然出現”（從超二維世界進入到二維世界）并沿著直線運動一段時間后又在直線上“忽然消失”（運動軌跡脫離了直線，超出了二維世界，返回超二維世界）。于是，我們通過一維物體在二維世界中的這種奇特的運動而對超二維世界有了一個感性的認識。

依此類推，設一個二維物體從一平面外運動到該平面上并沿該平面運動一段時間后又脫離了該平面，那它的運動軌跡也不可能只限于平面（三維世界）而至少要涉及三維空間（四維世界）。而這一運動在三維世界中所呈現的則是這樣一種奇特的景觀：二維物體在平面上“忽然出現”（從超三維世界進入到三維世界）并沿著平面運動一段時間后又在平面上“忽然消失”（運動軌跡脫離了平面，超出了三維世界，返回超三維世界）。于是，我們通過二維物體在三維世界中的這種奇特的運動而對超三維世界有了一個感性的認識。

再依此類推，設在三維空間與一維時間構成的四維世界中有一個三維物體“忽然出現”并在此三維空間中運動一段時間后又從三維空間中“忽然消失”，那它的運動軌跡也不可能只限于四維世界而將涉入超四維世界。而這一運動在四維世界中所呈現的也是一種奇特的景觀：三維物體在三維空間中“忽然出現”（從超四維世界進入到四維世界）并在該空間中運動一段時間后又在三維空間中“忽然消失”（運動軌跡脫離了三維空間，超出了四維世界，返回超四維世界）。

于是，我們又通過三維物體在四維世界中的這種奇特的運動而對超四維世界有了一個感性的認識。而前面的“宇宙物質起源的那個奇點從超四維世界進入到四維世界”的觀點與“三維物體在空間中‘忽然出現’（從超四維世界進入到四維世界）”不但相互之間十分吻合，而且也都能解釋“奇點”的出現。更奇妙的是，現在有一種同樣基于愛因斯坦廣義相對論的理論認為宇宙物質膨脹到一定程度后將會逐漸收縮，最后又收縮為一個奇點并消失。這與三維物體“在三維空間中‘忽然消失’（運動軌跡脫離了三維空間，超出了四維世界，返回超四維世界）”居然也是這樣地吻合。而這些也進一步證實了超四維世界的存在。

三、結束語

上述通過對低維實例的類比研究，使學生對高維世界有了一點感性的認識，即存在超四維世界，并且從超四維世界可以簡單解釋宇宙大爆炸和奇點。就像宇宙起源時的那個奇點在n維世界里可以被看成日常生活中落到水面上的油滴一樣，宇宙在“奇點”和“‘熵’值最大”二者之間的循環震蕩在n維世界里看起來也許就像我們在日常生活中看到的彈簧振子的振動一樣簡單。