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古希臘神話中有這樣一個故事：一天，希臘的一個城邦飛來一只獅身人面獸。這只怪獸成天蹲坐在城門口，有人路過，就出謎語給他猜：“什么東西早上四條腿，中午兩條腿，晚上三條腿？”凡猜不出的，一律吃掉。后來這個謎被人猜著了，謎底是“人”。人在幼年時期用四肢爬著走，成年時用兩腿走，到了老年，拄著拐杖走，可不就是“早上四條腿，中午兩條腿，晚上三條腿”？于是怪獸自己就跳下懸崖摔死了。至于為什么自殺，故事里倒是沒交代，也許當初它曾許下過諾言，要是被人猜破，自己就去死？——那它也太老實了。 我們生活在三維的世界。我們也慣于認為，空間具有三個維度乃萬古皆然之理。不過最近，美國有科學家卻聲稱，宇宙的三維結(jié)構(gòu)也許并不是一貫如此的：在宇宙的兒童期，也就是離宇宙大爆炸不到億萬分之一秒的時期，那時的宇宙是一維的；而到了少年期，則變作了二維；到了成年期，才變做三維……簡而言之，宇宙的空間維數(shù)并不是一成不變的，而是會隨著宇宙年齡（或者更確切地說是宇宙的大?。┑脑鲩L而改變。若真這樣，那么宇宙的空間維度還真有點類似上面提到的那個關(guān)于“人”的謎語了！ 維度在成長 雖然這個觀點聽起來有點“石破天驚”，但按常識細想一下，似乎也蠻有道理。我們都知道，宇宙起源于一個奇點。一般來說，大家都認為奇點體積無限小、密度無限大，是一個真正的幾何點（雖然也有人提出奇點不可能無限?。?。幾何點的空間維數(shù)是零維?？墒俏覀儜T常認為的空間是三維的，在零和三之間，還間隔著一和二呢，所以假如空間的維度是逐漸從零維，一維，二維，三維……這樣“成長”起來的，總比從零維直接跳到三維更合理。 當然了，這點常識并不足以成為科學家提出這個怪理論的理由。事實上，這個“維度成長”理論是為了解決物理學中更基本、更高深的問題而提出來的。其中一個目的是協(xié)調(diào)量子理論和廣義相對論的關(guān)系。 我們知道，量子理論和廣義相對論是現(xiàn)代物理學的兩大支柱，但它們內(nèi)在是有矛盾的。好在量子理論主要適用于微觀粒子，而廣義相對論主要用于描述宏觀宇宙，它們各自的應(yīng)用領(lǐng)域不一，倒也“井水不犯河水”。可是在宇宙的早期，當整個宇宙都縮成一個微小粒子的時候，科學家就不得不同時搬請這兩位“冤家”一起來描述這個“小不點”的宇宙了，這樣一來，它們給出的描述自然也有很多矛盾之處?？茖W家們?yōu)榱私鉀Q這個矛盾，真是操碎了心，其中著名的超弦理論就是為此而提出來的。  既是冤家就不碰頭 超弦理論的解決方案是認為量子理論和廣義相對論在更高維的時空是統(tǒng)一的，這個更高維的時空存在于宇宙的早期。這好比一根水管從遠處看，是一維的，其它兩維只有在近處才看得出來，這個“近處”就相當于宇宙的早期。而我們現(xiàn)在這個“維度成長”理論則反過來，認為宇宙早期只有一維，而在一維的世界里是沒有引力的，所以廣義相對論在此期間不適用，只有量子理論才適用；等到廣義相對論適用的時候，宇宙已經(jīng)成長得足夠大，不需要把它當作一個粒子用量子理論來描述了。 這樣，通過不讓這兩個“冤家”理論碰頭的方式，科學家們也算解決了兩個理論打架的難題。雖然這種解決辦法不夠徹底（兩個理論并沒有在本質(zhì)上統(tǒng)一起來），但也自成一家之說。 根據(jù)這個新理論，既然宇宙能從零維成長為三維，那又有什么理由不讓它未來繼續(xù)成長到四維，五維……呢？的確，一個很自然的推論是，宇宙還將從三維過渡到四維。而且很可能空間的第四個維度已經(jīng)打開了，只是我們還沒覺察到而已。  低維宇宙何處尋？ 那么，假如宇宙的早期真是一維、二維的，它會給我們留下什么痕跡呢？假如空間的第四維已經(jīng)打開了，我們又該如何探測這一超出我們想像的維度呢？ 我們知道，宇宙間最快的速度是光速，而光速是有限的，這就決定了我們現(xiàn)在接收到的遙遠天體發(fā)出的光，實際上是很久以前發(fā)出來的。比如說，你要是現(xiàn)在觀察到一顆距離我們100億光年的天體，那就意味著這束鉆進你望遠鏡的光，是該天體100億年前發(fā)出來的。距離越遠，我們觀察到的宇宙就越早。望遠鏡實際上就相當于一架可以回到過去的“時間機器”。 如果早期的宇宙是二維的，那么那時它發(fā)出的光就都應(yīng)該在同一個二維平面內(nèi)；如果時間更早，宇宙還處于一維時期，那么發(fā)出的光就只有一束（即一維）了。 說來湊巧，科學家很早就發(fā)現(xiàn)，一些產(chǎn)生于宇宙極早期的高能粒子，它們射向地球的方向幾乎在同一個平面內(nèi)，像俗語說的“放在一個盤子上端上來的”。雖然之前，科學家已經(jīng)為此提出了種種別的猜想，但這會不會是早期宇宙只有二維的緣故呢？ 即使我們不能從天文觀測中找到直接的證據(jù)，事實上我們也還可以在歐洲大型強子對撞機上模擬，看看宇宙在極早期究竟有多少個維度。  高維空間如何尋？ 讓我們再來談一個更感興趣的話題：假如我們的宇宙業(yè)已“開啟”了第四維空間，我們該如何探測這一額外的維度呢？ 這可不是一件容易的事。你不妨試想一下，假如一個生活在二維平面的平面人要想直接探測空間的第三個維度該有多難吧。一個主要的麻煩是他無法把三維物體的投影跟本世界里的真實物體（當然也是平面的）區(qū)別開來，比如他會把一個三維人的影子認作是他那個世界的一個平面黑人……這就得求助于各種理論的預(yù)言了。我們的這個“維度成長”理論目前沒有提供這方面的“好消息”，但另一些理論倒是做了一些預(yù)言。 譬如說，美國杜克大學的兩位教授通過他們的理論預(yù)言，如果存在高維空間，那么有些存在于早期宇宙的黑洞就會存活至今；而如果不存在空間的第四維，那它們早就蒸發(fā)了。這些黑洞的質(zhì)量大約相當于一顆小行星的質(zhì)量，在整個太陽系中至少有幾千個，離我們最近的一個大概在冥王星軌道附近。 冥王星離我們并不算遙遠，那這個黑洞總應(yīng)該對我們有所影響吧？你也許會這么認為。但要知道，連地球那么大質(zhì)量的行星要變成一個黑洞，半徑也不過一粒黃豆大小，而一顆小行星要是變成黑洞，這個黑洞的視界半徑有多小你就可以想像了。所以即便這樣的小黑洞存在于太陽系中，對地球也幾乎不產(chǎn)生什么影響，因此是極難被探測到的。 不過科學家說，我們或許可以通過引力透鏡來尋找這些小黑洞。我們知道，光經(jīng)過黑洞附近的空間時，會嚴重扭曲，就好比一股水流在前進中遇到一塊石頭一樣，先分成兩股，繞過石頭之后再匯合在一起。這種現(xiàn)象叫“引力透鏡”。如果來自同一光源的兩束光匯聚之后，就會發(fā)生光學上的干涉效應(yīng)，產(chǎn)生漂亮的彩色條紋（你見過肥皂泡膜上的美麗圖案嗎？那就是光的干涉產(chǎn)生的）。小黑洞自身是不容易發(fā)覺的，但干涉條紋卻是容易探測的。只要觀察到這個干涉現(xiàn)象，我們也就可以間接地推知小黑洞的存在。 預(yù)計2012年8月歐洲航天局將發(fā)射一架大面積的空間望遠鏡，它擔負著尋找來自太空的伽馬射線的干涉條紋的使命。如果能捕捉到這一現(xiàn)象，那么不僅證明了太陽系中小黑洞的存在，也間接證明了高維空間的存在。 本文源自大科技〈科學之謎〉 雜志文章 歡迎您關(guān)注大科技公眾號：hdkj1997 |
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