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人连四维都想不明白,为什么还说宇宙是十一维的?

其实……关于四维,人类已经想明白了……

至于为什么说宇宙是十一维的,这个故事比较长篇。要解释为什么说宇宙是十一维之前,可能需要先解释一下宇宙为什么是四维的。

其实……关于四维,人类已经想明白了……

至于为什么说宇宙是十一维的,这个故事比较长篇。要解释为什么说宇宙是十一维之前,可能需要先解释一下宇宙为什么是四维的。

在上世纪初,物理学家被一件事情困扰,就是迈克尔逊·莫雷实验的结果,迈克尔逊和莫雷利用迈克尔逊干涉仪测量地球在以太中漂移的速度,以太是一种虚构出来的电磁波传播介质。实验结果表明,无论地球怎样运动,都测量不到这个介质以太的相对速度。也就是说,无论地面上的干涉仪怎样运动,是随着地球向太阳系公转方向运动,还是逆着太阳系公转方向运动,干涉仪里面两道互相垂直的光束的速度似乎都没有改变。(下图是目前地球上最大的干涉仪,LIGO激光干涉引力波天文台)

人连四维都想不明白,为什么还说宇宙是十一维的?

这成了20世纪初的一个未解之谜。当时科学界没有人能真正解决这个难题,物理学家洛伦兹在数学上推导出洛伦兹变换能很好地解释实验结果,但是他依然紧紧抱着虚构的以太不放,最终解释并不完美。

直到1905年,一个奇迹般的年份,一个任职专利局的物理学博士生爱因斯坦接连发表了包括博士论文在内的5篇物理学论文,其中一篇《论运动物体的电动力学》针对光的各向同速提出一种革命性的假说:四维时空下的时间膨胀和空间收缩。只要把时间和空间统一成一个称为时空的整体,真空下光速各向同速的疑难就迎刃而解了。

人连四维都想不明白,为什么还说宇宙是十一维的?

你可以看到,为什么宇宙需要四维?因为加入第四维,一个原本难以解释的物理现象就被很合理地解释了。

那么为什么又说宇宙是十一维的呢?毫无疑问,同样也是为了解释物理现象。

在爱因斯坦通过广义相对论成功用时空几何解释了引力以后,他尝试用时空几何统一麦克斯韦的电磁理论,但是一直没能成功。但是有一位脑洞大开的数学家在四维时空里增加了一个空间维,变成五维时空,有趣的事情就发生了——引力和电磁力统一了。

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可惜好景不长,随着核物理的发展,弱力和强力被相继发现,五维时空搞不定了……

我不知道后来卡鲁扎有没有继续增加维度来统一弱力和强力,但很显然他是不可能成功的了,因为太复杂了。不过他开创了一个神奇方向——通过增加空间维度来统一不同的自然力。

在超对称理论被提出后,有科学家尝试在超对称理论基础上尝试统一四种力,即引力、电磁力、弱力和强力。结果他们成功了,他们把时空增加到十一维,就把四种力成功地统一了,这种几何化的统一理论被称为超引力理论。

人连四维都想不明白,为什么还说宇宙是十一维的?

虽然由于某些理论缺陷的原因,超引力理论最终还是被现实淘汰了,但它的精神不死,到目前为止,增加时空维度依然是寻找终极理论的优选方法,其中脱胎于超弦理论的M理论被誉为最有希望的终极理论候选者,它得到的时空维度就刚好是超引力理论计算得到的十一维!

人连四维都想不明白,为什么还说宇宙是十一维的?

对于我们这些只会看热闹的普通人,科学家怎么折腾时空我们是看不懂的,时空为什么是四维的我们也许懂,但时空为什么是十一维的,我们实在不懂……里面的数学推演常人可能是无法理解的,所以,我们尊重科学家在这些理论探索上的努力,但M理论的十一维时空只是一种理论尝试,它还远没有如四维时空一般已成定论。因此,他作为很多理论假说中比较流行的一种,我们了解一下就可以了。

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