我们的宇宙,是否超过三个空间维度?
我们生活在三维空间中,从空间中的任何一点,可以向其他方向自由移动。爱因斯坦在相对论中,增加了时间维度,让三维空间变成四维时空,并且根据相对论,时间和空间密不可分,时间对应着万物的空间维度关系。
但是时间并不属于空间维度,除了我们熟知的三维空间,科学家一直在寻找额外维度,如果能够发现额外维度,很多物理难题都可以获得全新的解决思路。我们的宇宙,真的还有第四维甚至更高的空间维度吗?
我们的宇宙是否存在额外维度:
作为三维生命,我们对第四维空间毫不知情,简单来说,就像和二维生命讨论高度,这对于二维生命来说是完全未知的概念,额外的第四维对于三维生命来说,同样是难以理解的概念。
但是从宇宙探索的角度来看,如果宇宙的空间维度超过三维,那么我们想要了解整个宇宙的物理法则,就必须了解宇宙的全部维度,因此人类作为三维生命,一直在思考第四维度以及其他额外维度的可能性。
我们探索四维空间的方法,主要是类比二维生命,推测四维生命的可能性。
首先,对于二维物体来说,三维生命可以将二维物体“抬”起来,从第三维度将二维物体移动到其他位置。而且从三维空间,可以直接观察到二维物体的内部,也可以直接接触到内部。
因此对于四维空间的生命来说,三维物体可以从第四维轻松移动,并且三维物体在四维生命眼中,是完全透明的,而且可以随意触碰到内部的物体。
但是目前为止,并没有人能够想象出四维空间,宇宙或许存在更高维度,但是目前人类科技无法干涉、也无法观察。
什么证据可以证明额外维度
如果一个二维生命在平面上说话,声波会传递到三维空间吗?我们可以偷听到二维生命说话,还是声波只会在二维空间传播?
从三维生命的视角来看,声波只在平面上传播让人匪夷所思,因此科学家一直在寻找三维空间产生的影响,有没有“泄露”到额外维度。
科学家通过强子对撞机,对两个粒子进行了引力、重力测试,然而在目前的设备精度下,没有检测到任何作用力有“泄露”的情况,所有作用力都在标准范围内,并没有影响到其他维度。
虽然目前的实验,没有任何数据可以证明额外维度的存在,但是人类的科学设备精度有限,按照目前的数据,科学家认为有以下几种可能:
- 额外维度并不存在,三维空间就是宇宙的全部空间维度。
- 强子对撞机的精确度不足,无法捕捉到作用力微小的“泄露”。
- 三维空间的事物,只能影响三维空间。二维生命说话,声波只沿平面传播。
弦理论暗示“十维空间”,我们就生活在多维空间中?
虽然目前没有任何实验结论证明额外维度的存在,但是由量子力学延伸而来的弦理论,却表示宇宙至少存在十个空间维度。
弦理论认为所有微观粒子都由“弦”振动形成,“弦”在十维空间中振动,才能产生足够复杂的振动方式,进而形成足够多种类的微观粒子。
既然宇宙存在十维空间,为何人类找不到任何证据?弦理论学家认为,我们很有可能已经生活在十维空间中,但是十维空间被限制在三维框架内,因此让我们误认为宇宙是三维空间。
总结:
科学家对多维空间一直保持开放的态度,因为很多物理学问题在三维空间和一维时间的四维时空框架中难以解决,如果在宇宙中增设额外维度,就可以得到很多自由的理论,轻松解答物理学谜团,比如弦理论。
虽然多维空间理论受到欢迎,但没有找到多维空间存在的直接证据之前,相关的多维理论必然会受到各种怀疑。
三维空间和一维时间是物理学的基础框架,但是额外维度的可能性非常诱人,你想象的四维空间是什么样子呢?