我们都知道概率是一个0到1之间的数,0表示不可能发生,1表示绝对发生。那么概率为负数或者大于1这是什么?

针对这个问题,美国罗格斯大学的一个科学家洛夫莱斯提出了一个令人震惊的解决方案:就是把理论放到更高的维度里去。

通过计算,他们算出这个维度是25维。没错,就是25维,这比我们的3维世界高出太多了。那么,为什么弦理论下需要在25维下才能使计算结果有意义呢?

根据狭义相对论,任何有质量的物体的速度都无法超过光速,光子之所以能够以光速飞行,是因为光子的静质量为0。但是在量子力学里,时空中充满了量子涨落,我们通过不确定性原理对物体最低能量的探索,我们发现物体最低的量子涨落能量并不为0。

我们都知道弦是非常小的,在这么小的地方肯定也是存在量子涨落的,所以弦的最低能量也不为0,弦的这个最低能量加上弦振动的能量就是弦的整体能量。但是,光子的这个最低能量必须为0。

根据弦理论,在不同的维度里,这个弦的最低能量值千变万化,但是他们经过一系列的计算之后发现:光子的整体能量(最低能量+振动能量)与2+(D-1)×(1+2+3+4+5+……)成正比(其中D代表维度)。

早期弦理论(1960年代)假设基本粒子是一维弦,但在三维空间中推广时发现:

概率问题:计算弦振动时的概率幅时,得到负数或超过1的结果(如 P>1 或 P<0),这与量子力学的概率公理矛盾。

洛伦兹群矛盾:三维空间中无法满足弦理论的协变性(需更高维度容纳洛伦兹群的完整表示)。

解决方案:将弦理论嵌入更高维度时空,通过紧致化(compactification)隐藏额外维度。最终发现:

26维时空:当弦理论被限制在26维闵可夫斯基时空时,数学矛盾消失,方程自洽。

紧致化后:额外22维被卷曲成极小尺度(如Calabi-Yau流形),宏观世界仅观测到4维时空(3+1)。

欧拉的不可思议公式

欧拉一生的数学成功不计其数,但是可能让大家最为惊叹的就是下面这个欧拉公式:e^iπ+1=0

这个奇妙的公式,把数学里最常见的几个常数用这样的关系表示出来,说这是数学里最美的公式,相信也没多少人有异议。

但是,上面的欧拉公式虽然美,但不是我这里想说的,我这里要说的不可思议公式是这个:1+2+3+4+5+……=-1/12(正整数无穷项相加竟然得到负十二分之一这样一个负数,网上有视频证明,此处就摘录其证明过程)。这里的-1/12并不是通过直接相加自然数得到的,而是ζ函数在 s=−1 处的解析延拓值。

在量子场论和弦理论中,类似的发散级数会频繁出现(如真空能、路径积分中的无限项)。物理学家通过正规化(Regularization)和重整化(Renormalization)技术,将这些发散项转化为有限值。

我们直观地认为,正整数无穷相加怎么着都会得到一个非常非常大的数,怎么会得到一个负数呢,而且还是一个负分数。可以说,欧拉的这个公式赋予了无穷大意义。

有了欧拉的不可思议公式,我们把它代入到光子的能量公式光子的整体能量(最低能量+振动能量)与2+(D-1)×(1+2+3+4+5+……)成正比(其中D代表维度)里去,就可以得到当D=25的时候,光子的能量等于0,所以弦理论下的25维就是这么来的。

接下来,弦理论开始了大规模的升级,然后弦理论升级为超弦理论。

超弦理论跟弦理论不一样的地方在于:超弦理论的弦除了在普通空间的D维方向上振动以外,还在超空间的格拉斯曼数坐标的方向上振动。因此,光子的质量还要包含这两个方向的效果,所以在超弦里这个能量变成了弦理论的三倍。

于是:光子的整体能量(最低能量+振动能量)与2+3×(D-1)×(1+2+3+4+5+……)成正比。代入进去可以得到:2-(D-1)/4=0,算出来D=9。这就是说,超弦理论里只有当宇宙的空间的维度为9的时候,超弦理论才有效。

超弦理论建立起来以后出现了一个难题:科学家们发现在9维空间里存在5种形式不一样的超弦理论,这5种理论到底谁是对的谁是错的?

弦理论家威腾发现,这5种理论其实是一种理论的化身!既然现在已经知道5个超弦理论其实是某个更加神秘理论的5个分身,那么接下来的任务当然把它找出来。直到现在还没有找到,如此神秘,就起名为M【mysterious】理论。

虽然我们还未能揭开M理论神秘的面纱,但是我们知道那5个不同的超弦理论是在一个更高的维度里实现统一的,超弦理论的空间维度是9维,所以M理论的空间维度就是10维,再加上不论在哪里都存在的时间维,刚好就是11维!这就是11维度理论的来源。

根据M理论,如果我们的宇宙真的是11维的,那么为什么我们现在只能感觉到4维(3维空间+1维时间)呢?

这是因为其他几个空间在很小的地方蜷缩起来了,用术语说叫紧化了。这个也很好理解,比如我们远远地看一根电线,我们觉得它是一维的一根线,但是当你慢慢走近这根电线的时候,就发现这原来是一个二维的曲面,或者说三维的圆柱体了。也可以这样说,原本三维圆柱体状的电线慢慢缩小,缩小到一定的范围我们眼里就只有一条线了,其他几个维度的空间也是一样,这样缩小了,所以我们看不到。

也就是说,任何一个大于三维空间的维度,一定是一个“曲面”,懂了吗?和我们平时所理解的长宽高概念不一样了。

时空弯曲的秘密被编码在时空两个点之间的距离里,物理学家通常叫它线元或者度规,这两个概念对于理解时空很重要不同的线元和度规决定了你需要不同的时空,这在牛顿时空发展到相对论时空很明显。

所以只要第四个空间维度卷曲的足够小,四维时空的生物就很难被发现。在这个受限制的维度上的引力规律以四维时空的观点看来就像电磁力规律一样。电磁力和引力一样也能被解释为时空的弯曲,不过不像引力是不受限制的四维时空弯曲,而是第四个空间维度的弯曲。以五维时空的观点来看,只需要引力的规律就足够了,而不像四维时空通常观点,需要引力和电磁力两套物理学规律。所以说高维空间适合拿来统一物理学基本规律!

能读到这里你很有耐心,因为上面的内容尤其是涉足公式的内容,很容易让你放弃。看到这里之后,你有什么感觉?想说什么?

我在这里做一下总结,本文的标题是《时空存在性不需要怀疑》,而且本文的定义是“哲学”理论,不倾向于“科普”,但物理的东西确实得作为哲学的支撑。

还记得我一直强调的吗?对于不可想象的东西,我们要保持怀疑,所以高维度理论,高维度时空值得怀疑。并且目前没有实验数据支持高维度理论的存在!既不好想象,又没有实验支撑,那你凭什么让我放弃现在的时空观去相信更高的时空理论呢?就因为你看起来“漂亮”吗?不行,科学是实证主义,不是虚无主义!这就是我的哲学时空观,空间是三维的,加上一维度时间,是四维时空。

而且大家发现了没有,我们已经把“时间”作为一个空间维度来论了,但我们都知道,时间和空间似乎是天马行空,不相及的两个东西。我的意思是,如果真的高维度理论存在,那么是否还有像“时间”这样的维度!不局限“空间”这个东西了。当我们这样想的时候,问题就一个接一个,没完没了。比如说:“时间是弯曲的吗?”

所以我们还是站到实实在在的地面上来说话,才是正确的。哪怕真的存在高维度空间,在人类自身局限不能突破之前,你是“看不到”的,这种看不到和你看不到电场,磁场完全是不一样的概念。

而且你清楚,如果真的存在高维度时空,你肯定就在高维度时空中。佛家讲“无”,不讲时空。 “无”是最高的时空维度!“无”在一切之中。也就是说,你认为的高维度时空理论,可能像个圆,最大的星球比如太阳,可能通过一个“圆管”从一颗最小的粒子中“出来”。就好像我们现在看一粒沙子,放大,再放大,再放大……似乎是无穷无尽的。而这粒子沙子就是“蜷缩的维度”。

对于人而言,时空还是4维的好,大家记住。既然是时空,再单独说一下时间。我对于时间的定义:时间是物质在引力场中的位置以及运动速度的应变度量过程;它是物质存在的客观形式。

就是时间是存在的,你一定要相信这一点。时间的本质是什么?我早说过本质是变化!很多人奇怪为什么钟表可以表示时间?因为钟表在变化,明显地在变化。

什么不在变化之中,什么都在变化!所以本质来说,万物都是“时钟”,你可以通过太阳测量时间,你可以通过月亮测量时间,你可以通过银河系测量时间,你可以通过蚂蚁测量时间……没有任何问题,是可以的。但人的聪明就在于“利己”,我们要找到一般性的东西,我们找到“简洁”的东西来测量时间。这个就和金钱是一般等价物概念一致,也和我们简化公式,得出“最简洁”公式的过程是一致的。

知道我为什么反复强调人是一种局限吗?人应该不断试着突破局限,成为更加“逆熵”的存在。

就是因为我们周围的世界,确实存在着千变万化之中,我们确实有局限。就好比现在的物理学,标准模型已经建立,在这个系统中只有引力还没有被归纳进来,一切就好像要完成了。可是事实上呢?

就好像当年“物理学上空的两朵乌云”一样,当今的物理学,可能不仅仅有“两朵乌云”,太多了。如果让你选择出最重要的“两朵乌云”你会选什么?

很明显是CPT对称问题被破坏,而至今没有找到确切原因和解释。物理学定律满足宇称对称电荷正负对称时间反演对称这三种对称。物理学定律在C、P和T的联合作用下保持不变。CPT定理是物理学最基本的守恒定律。

具体来说如果粒子用反粒子替换,右手征用左手征替换,以及所有粒子的速度都反向,则物理定律不变,这被称作CPT定理

物理学定律在被称为C、P和T的联合作用(或对称)之下是不变的。这里,C指的是用反粒子代替粒子;P的意思是取镜像,也就是左右彼此互换;T指的是颠倒所有粒子的运动方向——这样的结果是使运动倒退回去。在正常的情况下,支配物质的物理学定律不会因为CP联合而自行改变。接下来,如果科学定律在CP联合作用以及CPT联合作用之下都不变,那么它们也必须在单独的T作用下不变。

T指时间反演,意思是同一事件正向发生和逆向发生的概率。如果我们假设打碎一个杯子,对于该事件而言,它的逆向发生表现为碎片变为杯子。而这是不可能发生的,因为该事件不能违反热力学第二定律,孤立封闭系统的混乱程度总在不断增加。然而,对于一个或数个粒子而言,它们没有熵,因此它们发生某个运动的话,正向发生和逆向发生的概率相等,也就是微观层次上的时间对称。在微观层次上,物理学几乎是完全时间对称的,也就是物理定律在时间流逝的方向倒转之后仍然保持为真。

大家再回头读读,我关于时间的定义,你会清楚地发现一个事实,就是时间是没有方向的!时间有方向是错觉,客观的时间一定是没有方向的。原因就是不能以群体“熵增”作为时间方向。牢牢记住,时间的本质是变化!是物质在引力场中的位置以及运动速度的应变度量过程!【具体关于时间定义的推理,大家可以在《变化》中阅读,这里不再赘述

CPT对称被打破,物理学家都知道,但作为普通大众,很多人并不知道。1956年,李政道和杨振宁提出弱相互作用实际上不符合P对称,就是镜像不对称。就是弱力使得宇宙和宇宙的镜像以不同的方式发展。

之后美国人詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇又发现K介子衰变过程违背宇称和电荷联合对称法则,他们都因此而获1980年诺贝尔物理学奖。

1999年3月,科学家称直接观测证明电荷宇称定律有误。美国费米实验室宣布说,该实验室以前所未有的精度,基本“确切无疑”地证明中性K介子在衰变过程中直接违背了电荷宇称联合对称法则。这一结果被认为是物质和反物质研究领域的一项重要进展。这一下子CPT对称都被打破了。

为什么上面“基本确定”加了双引号,是因为发现了不对称,但不算是直接观测发现,属于间接观测发现,所以打了双引号。但你自己去理解,由于CPT对称中任何破坏CP对称的反应也破坏T对称。也就是说任何破坏CP对称的反应的逆反应发生的可能性与原反应不同。

用我的大白话来说,时间,空间,物质是一体的,牵一发而动全身,物质和空间有不对称的现象,那么时间对称也就有了问题。

这时候你就可能惊呆了!时间对称对应着能量守恒定理【可以去参考诺特定理了解守恒】,CPT对称全都有问题了,那这个世界还有什么定理和定律是靠得住的?

你这样思考没有错,但也有错。没有错的原因是我们得正视这个发现,确实出现了问题,也就是说在某些情况下,能量守恒定律可能不守恒了。也有错的原因是目前CPT对称被打破,主要出现在弱相互作用中,尤其是量子层面。经典物理中没有出现一点征兆现实对称被打破了。但别忘了,弱电统一理论已经建立了,而且已经包含在标准模型中了。弱电统一理论顾名思义就是弱相互作用和电磁理论的统一。现在CPT对称被打破出现在了弱相互作用中,而弱电理论统一了,就说明这个“打破”要延伸到了电磁学理论中来。而力学理论又可以用电磁学理论来解释,你说这个事情可怕不!说恐怖一点就是,你看着镜子,看到的却不是自己!这个问题出在哪里呢?很明显我们会想,有人或者有东西在捣乱!

目前CPT破坏没有出现在强相互作用中。即至今为止仍然没有任何发现量子色动力学破坏CP的试验。为什么会出现这样的情况呢?我会把这一原因归结为“夸克禁闭”,是因为强相互作用相对于另外三种基本作用比较“封闭”。

而CPT对称的破坏,从哲学高度去理解,可以用“量子涨落”或者“微扰”理论去解释。

所以回到正题来,相信时间是存在,但不要相信它是不变的;相信时间是存在的,但不要相信它是有方向的;相信时间是存在的,但不要相信它是不可捕捉的!

前两个“相信”的答案,我已经讲过了,就在CPT对称里面。后面一个“相信”的答案,我现在来说。为什么很多科学家,都相信时间是不存在的,有人说爱因斯坦也不相信,说时间是人脑中虚幻的。我不知道此话是否出自他本人,我对此高度怀疑,认为不太可能。

但也有可能,因为时间的“存在”是一个稍纵即逝的东西,我在科普书中反复说时间强调当下和此刻。可是当我们说“此刻”的时候,此刻已经过去,造成的错觉就是“此刻”不可追,“此刻”不可说,从而导致时间不可说,时间不可追。这就是我偶然看到佛家说:“过去心不可得,现在心不可得,未来心不可得。”的时候,为什么相当震惊的原因了。

我是写完《变化》这本书之后,看到佛家这句话的,我突然想释迦牟尼肯定没有学过物理,他是怎么思考到时间的这个特性的。不过他最后还是认为“时间是无”,因为一切如“梦幻泡影,如露亦如电。”就是因为看到上面那句话,我还专门花了些时间去读佛家的一些经典。

我还是坚持时间是有的,不是“无”的,虽然在追寻“时间”上,我们确实无法追上它,但你确实拥有“时间”。你很清楚这一点!而且别忘了,时间,空间,物质是一体的。你能看到一面墙,其实就是看到了时间!

至此,本章就要结尾了,我的时空观念,不知道你明白了没有。其实就是一句话:“时空存在性不需要怀疑。”四维时空是真实的,不是虚拟的。高维度时空有想象的空间,但目前我们想象不到,想象不来,所以值得高度怀疑!

后面这句话很重要,为什么说有“想象的空间”,是因为“意识”是神奇的,就是我们竟然可以意识到这一点【意识到高维度空间是存在的,是可以想象的】。但目前想象不到,问题在哪里呢?

也就是说,在我们还没有把“意识”存在的形式研究得很透彻的情况下,不能有一刀切的思维去否定事物的想象空间!

生命在于运动,更在于探索。短短1万4千多字,阅读需要1小时多,而我断断续续写了一个星期,但最终写完的时候,有那么一点轻松,但到了明天我就会知道,这一切都过去了。该有新的思考,新的开始了。

此刻是凌晨4点50分钟,我即兴写一首诗歌吧《睡在黎明中的人》:

黎明就要到来了

我刚要睡去

昨晚——是个不可说的黑夜

我去偷窥了每一个睡在黑夜里的人

我看到他们的梦

梦的内容千变万化

我把这些梦变成一个符号

钉在了我写作台的对面

看了一天,又一天

梦是会飞的——

它会变成记录黎明的时钟

在朦胧寒冷冬夜里

发出宏厚而悠扬的钟鸣声

这声音你只要听过一次

这一生就不会再忘记了

摘自独立学者,作家灵遁者哲学书籍《重构世界》

作者简介:灵遁者,中国独立学者。原名王银,陕西绥德县人。1988年出生,现居西安。哲学家,艺术家,作家。代表作品《触摸世界》《行者乾坤》《探索生命》《变化》《相观天下》《手诊面诊色诊大全》《笔有千钧》《非线性波动》《见微知著》《探索宇宙》《伟大的秘密》《自卑之旅》《云淡风清》《我的世界》《牙牙学语》等。其作品朴实大胆,富有新意。

个人座右铭:生命在于运动,更在于探索。

灵遁者热读书籍有:科普五部曲,国学三部曲,散文小说五部曲。

科普五部曲分别为:《变化》《见微知著》《探索生命》《重构世界》《观自在大千世界》。

国学三部曲分别为:《相观天下》《手诊面诊色诊大观园》《朴易天下》。

散文小说五部曲分别为:《伟大的秘密》《非线性波动》《从今往后》,

《云淡风轻》《我的世界》《春风与你》。