人类连四维都没有想明白,为什么就说宇宙是十一维的?
当然是为了“万物至理”的大一统梦想了。物理学发展到现在,出现了人类历史上最大难题:统一量子力学与相对论。
谁能做到,无疑就能获得诺贝尔物理学奖,而且会成为含金量最高的一届诺贝尔奖。要回答清楚这个问题,必须要大致了解物理学的发展史。
源于欧几里得的三维认知
作为古希腊几何的支柱,欧几里得几何(简称“欧式几何”)源于欧几里得所著的《几何原本》,可谓几何学开山巨著。对后世的影响一点不比《圣经》小。
这也是我们从小就开始学习的几何,根据平面与空间的划分,又分为“平面几何”与“立体几何”,这就是我们对空间三维认知的源头。
在“欧式几何”的长期影响下,我们都建立起了空间是“平的”认知。随着几何学的发展,“欧式几何”缺少曲面描述的弊端,显示了出来。
黎曼几何,高维理论的数学基础。
1854年,在哥廷根大学的就职演讲上,黎曼关于“几何基础”的论述,撼动了欧式几何2000多年的统治地位。随着以这场演讲内容《论作为几何基础的假设》的发表,改变了整个数学界对空间的认知,开创了“黎曼几何”。
而且黎曼是第一个将“力”解释为空间扭曲结果的人,比爱因斯坦早了60年。同时,黎曼建立的度规张量,能够轻松地描述任何维度的空间变化,成为了以后高维理论最坚实的数学基础。
只是19世纪的物理学界,显然还跟不上黎曼的思想,没人对黎曼几何做出有指导意义的物理诠释。直到60年后,爱因斯坦的偶然发现,才发挥了它最大的价值,将其作为了广义相对论的数学基础。
并且,在提出“力”是空间扭曲的结果时,黎曼无疑之中发现了,自然定律在高维空间中会更简单的秘密。这也是高维理论之后盛行的秘密所在。
爱因斯坦的四维时空论
第一个将高维思想用在物理学上的人,就是爱因斯坦。只是爱因斯坦是把“时间”作为了第四维度,然后运用黎曼的度规张量,统一了时间-空间,质量-能量,并建立起了它们两者之间的关系。
相对论之所以能成功,其本质就是爱因斯坦运用了多出来的第四维:时间,帮他统一了原来在三维空间内看似无法统一的东西,比如时间与空间、质量与能量。
只不过爱因斯坦当时可能并没有意识到这一点,他只是靠敏锐的物理直觉与超强的逻辑推导能力,完成了这一壮举。
卡鲁扎-克莱因理论的五维思想
在爱因斯坦完成广义相对论后,着手“统一场论”试图合并电磁力与引力,而一筹莫展时,一个不知名的数学家卡鲁扎,大胆地提出了一个五维理论,轻松统一了爱因斯坦相对论与麦克斯韦电磁学。
爱因斯坦被卡鲁扎大胆的天真想法所震惊,虽然犹豫,还是向全世界公布了卡鲁扎的思想。
随后,经过克莱因的完善,卡鲁扎-克莱因理论最终成型,成为了一个高维空间理论。
卡鲁扎-克莱因理论之所以能轻松统一引力与光(电磁力),也是因为多出来了第五维空间。高维空间再次起到了统一、简化自然定律的作用。
只是,20世纪随着量子力学的突然崛起,物理学家放弃了无法检验的卡鲁扎-克莱因理论。
弦理论的26维假设
随着,量子力学在20世纪高速发展了60年之后,“标准模型”成功的背后,是量子力学发展的后劲不足。标准模型”虽能解释发现的一切粒子的性质,但对不能解释的引力、暗物质等,却毫无办法。
于是,人们开始重拾卡鲁扎的高维理论,试图通过高维空间,来统一发现的众多粒子大军以及其他已知的所有物理现象。
弦理论横空出世,在26维中成功统一了所有的已知物理现象,把相对论、电磁学、杨-米尔斯场、夸克-轻子都统一了。
用的方法还是黎曼的度规张量。
超弦理论的10维假设
超弦理论是弦理论的简化,通过引入粒子的“超对称”,把维度降到了10维。所谓的“超对称”是粒子在高维空间中,才能表现出来的对称性。
而超弦理论的出现,掀起了一股弦论研究风潮,众多的学者投入其中。
1984年,物理学界爆发了第一次超弦革命,开发出来了5个超弦版本,加上1个超引力理论。
至此高维空间,成为统一自然定律最得心应手的一种方法。但由于技术手段的原因,超弦理论无法检验,也受到了不少学者的抗拒,不过超弦理论通过几何的方式统一了所有的自然定律,表现出了物理学最大的“美”,也让另一些学者难以抗拒。
到此,所有高维理论描述的高维空间,都是卷缩在普朗克长度以下的,也就是说非常非常小。
M理论的11维大统一
1990年,在第二次超弦革命中,作为弦论领军式人物的爱德华·威滕,在10维超弦的基础上,再加上1个空间维度,统一了之前5个不同版本的超弦论,而这1个维度不同于其他高维,并不是卷缩的,而是一个很大的维度。
自此M理论成了弦论的终极版本,而且宇宙被描述成了具有11个维度。
而在M理论中,多出来的最后的一个维度,将物质基础的“弦”拉成了“膜”,而M理论中最关键的就是狄利克雷膜概念,俗称D膜。
所以M理论,通俗的来说可以叫做膜论。
结论:
通过物理学的发展史,就可以看出:之所以会有高维理论,之所以宇宙会有11个维度,全因为高维空间可以让自然定律更简单,而要达到物理学追求的大统一,这是必不可少的。
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