科学家们之所以如此热衷于寻找传说中的十一维,其实原因很简单,就是为了找到最终的万物理论,也就是大统一理论。

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现代物理学有两大基石,量子力学和相对论,分别统治着微观世界和宏观世界。微观与宏观并不存在明显的分界线,并非泾渭分明,因此两大理论不应该有什么矛盾的地方。

但是,当物理学家们试图统一量子力学和相对论时,却遇到了难题,以至于一百多年过去了,仍旧没能统一两大理论。

毫无疑问,如果谁能最终统一量子力学和相对论,不仅能获得诺贝尔物理学奖,而且势必会成为人类历史上含金量最高的诺贝尔奖。这也是为什么科学家们对高维概念如此“趋之若鹜”的原因所在。

让我们先从爱因斯坦提出的四维时空说起。

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爱因斯坦是第一个把高维用在物理学上的科学家,他把时间作为第四维度,利用黎曼的度规张量,统一了时间和空间,质量和能量,也建立起来两者之间的联系。

在爱因斯坦看来,时间和空间是有机的整体,两者不可分割,我们不可能抛开时间维度单独谈论空间维度,那是没有意义的。时间和空间必须同时存在。

而且,时间作为第四个维度,本质上与空间维度并没有什么区别,都是真实存在的维度。很多人总是会下意识地认为时间维度太缥缈了,甚至认为时间维度不存在,但其实仔细想想,空间维度一样缥缈。

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而爱因斯坦恰恰利用时间这个多出来的第四个维度,统一了在三维空间里看似无法统一的东西,比如刚才所讲的时间和空间,质量和能量。

接下来是更高的五维思想。

在爱因斯坦提出广义相对论之后,就开始着手统一电磁力和引力,朝着统一场论的方向努力。但当时的爱因斯坦几乎一筹莫展,不知道该如何着手。这时数学家卡鲁扎站了出来,非常大胆地提出了五维理论,统一了相对论和电磁学。

卡鲁扎的大胆想法彻底震惊了爱因斯坦。后来经过克莱因等后人的不断完善,最终发展为卡鲁扎-克莱因理论,一个高维空间理论。

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该理论统治了引力和电磁力,就是因为第五个维度的存在。

科学家们发现,在低维度里很难解释的难题,或许需要非常复杂的数学和物理过程才能解释的难题,利用高维思想就变得简单多了,高维空间给人们的感觉如此简洁,如此优美。

但是,高维思想也有致命的缺陷,很难通过实验检验。这也是为什么随着量子力学的崛起,物理学家们一度暂时放弃了高维的思想。

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但是,在量子力学高速发展了几十年之后,逐渐显得有些后劲不足。尤其是在粒子标准模型提出之后,虽然把微观粒子进行了很好地分类,到哪一直不能解释引力和引力子,还有更神奇的暗物质等。

思来想去之后,物理学家们又想起了高维理论,既然很多物理学难题利用高维思想就会变得很简单,那么引力子和暗物质等概念能否用高维思想去解释呢?

之后我们见证了弦理论的横空出世,在多达26个维度的理论中,统一了量子力学和相对论。

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之后,弦理论经过不断发展,又发展出了超弦理论和M理论。

超弦理论是弦理论的简化版,引入了粒子的超对称,把26个维度降低到了10维度。所谓的“超对称”指的就是粒子在高维空间里才能表现出来的对称性。超弦理论之后又发展出了5个不同的版本,还有一个超引力理论。

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而高维理论中的高维空间,都卷缩在普朗克尺度以下,很难被我们观察到。不过也有由于技术手段等原因,超弦理论同样无法在实验中检验,也造成了很多学者对超弦理论比较抗拒。

除了超弦理论之外,还有M理论。

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物理学家在超弦理论的基础上,增加了一个空间维度,也统一了之前拥有五个不同版本的超弦理论。

增加的这一个维度很特别,并不是普通的维度,不是卷缩在很小的空间,而是一个很大的维度。

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最终,M理论成为了弦理论的终极版本,告诉我们宇宙有11个维度。而多出来的这一个特殊的维度,把原来物质的基础“弦”改成了“膜”,因此M理论也叫膜理论。人们直接观测所及的好似无边的宇宙,其实只是高维时空中的一个四维超曲面,就像薄薄的一层膜,而我们的世界就被困在这个膜里。

总结

通过高维理论的发展过程,可以看出,物理学家们之所以对高维理论如此执着,关键就在于高维会让大自然规律变得更简单,更优美,而物理学家们认为大自然本应该就是简洁优美的!