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宇宙在童年只有一维

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发表于 2018-1-10 21:33:56 显示全部楼层
古希腊神话中有这样一个故事:一天,希腊的一个城邦飞来一只狮身人面兽。这只怪兽成天蹲坐在城门口,有人路过,就出谜语给他猜:“什么东西早上四条腿,中午两条腿,晚上三条腿?”凡猜不出的,一律吃掉。后来这个谜被人猜着了,谜底是“人”。人在幼年时期用四肢爬着走,成年时用两腿走,到了老年,拄着拐杖走,可不就是“早上四条腿,中午两条腿,晚上三条腿”?于是怪兽自己就跳下悬崖摔死了。至于为什么自,故事里倒是没交代,也许当初它曾许下过诺言,要是被人猜破,自己就,?——那它也太老实了。
我们生活在三维的世界。我们也惯于认为,空间具有三个维度乃万古皆然之理。不过最近,美国有科学家却声称,宇宙的三维结构也许并不是一贯如此的:在宇宙的儿童期,也就是离宇宙大,不到亿万分之一秒的时期,那时的宇宙是一维的;而到了少年期,则变作了二维;到了成年期,才变做三维……简而言之,宇宙的空间维数并不是一成不变的,而是会随着宇宙年龄(或者更确切地说是宇宙的大小)的增长而改变。若真这样,那么宇宙的空间维度还真有点类似上面提到的那个关于“人”的谜语了!维度在成长虽然这个观点听起来有点“石破天惊”,但按常识细想一下,似乎也蛮有道理。我们都知道,宇宙起源于一个奇点。一般来说,大家都认为奇点体积无限小、密度无限大,是一个真正的几何点(虽然也有人提出奇点不可能无限小)。几何点的空间维数是零维。可是我们惯常认为的空间是三维的,在零和三之间,还间隔着一和二呢,所以假如空间的维度是逐渐从零维,一维,二维,三维……这样“成长”起来的,总比从零维直接跳到三维更合理。
当然了,这点常识并不足以成为科学家提出这个怪理论的理由。事实上,这个“维度成长”理论是为了解决物理学中更基本、更高深的问题而提出来的。其中一个目的是协调量子理论和广义相对论的关系。
我们知道,量子理论和广义相对论是现代物理学的两大支柱,但它们内在是有矛盾的。好在量子理论主要适用于微观粒子,而广义相对论主要用于描述宏观宇宙,它们各自的应用领域不一,倒也“井水不犯河水”。可是在宇宙的早期,当整个宇宙都缩成一个微小粒子的时候,科学家就不得不同时搬请这两位“冤家”一起来描述这个“小不点”的宇宙了,这样一来,它们给出的描述自然也有很多矛盾之处。科学家们为了解决这个矛盾,真是碎了心,其中著名的超弦理论就是为此而提出来的。既是冤家就不碰头超弦理论的解决方案是认为量子理论和广义相对论在更高维的时空是统一的,这个更高维的时空存在于宇宙的早期。这好比一根水管从远处看,是一维的,其它两维只有在近处才看得出来,这个“近处”就相当于宇宙的早期。而我们现在这个“维度成长”理论则反过来,认为宇宙早期只有一维,而在一维的世界里是没有引力的,所以广义相对论在此期间不适用,只有量子理论才适用;等到广义相对论适用的时候,宇宙已经成长得足够大,不需要把它当作一个粒子用量子理论来描述了。
这样,通过不让这两个“冤家”理论碰头的方式,科学家们也算解决了两个理论,的难题。虽然这种解决办法不够彻底(两个理论并没有在本质上统一起来),但也自成一家之说。
根据这个新理论,既然宇宙能从零维成长为三维,那又有什么理由不让它未来继续成长到四维,五维……呢?的确,一个很自然的推论是,宇宙还将从三维过渡到四维。而且很可能空间的第四个维度已经打开了,只是我们还没觉察到而已。低维宇宙何处寻?那么,假如宇宙的早期真是一维、二维的,它会给我们留下什么痕迹呢?假如空间的第四维已经打开了,我们又该如何探测这一超出我们想像的维度呢?
我们知道,宇宙间最快的速度是光速,而光速是有限的,这就决定了我们现在接收到的遥远天体发出的光,实际上是很久以前发出来的。比如说,你要是现在观察到一颗距离我们100亿光年的天体,那就意味着这束钻进你望远镜的光,是该天体100亿年前发出来的。距离越远,我们观察到的宇宙就越早。望远镜实际上就相当于一架可以回到过去的“时间机器”。
如果早期的宇宙是二维的,那么那时它发出的光就都应该在同一个二维平面内;如果时间更早,宇宙还处于一维时期,那么发出的光就只有一束(即一维)了。
说来凑巧,科学家很早就发现,一些产生于宇宙极早期的高能粒子,它们射向地球的方向几乎在同一个平面内,像俗语说的“放在一个盘子上端上来的”。虽然之前,科学家已经为此提出了种种别的猜想,但这会不会是早期宇宙只有二维的缘故呢?
即使我们不能从天文观测中找到直接的据,事实上我们也还可以在欧洲大型强子对撞机上模拟,看看宇宙在极早期究竟有多少个维度。高维空间如何寻?让我们再来谈一个更感兴趣的话题:假如我们的宇宙业已“开启”了第四维空间,我们该如何探测这一额外的维度呢?
这可不是一件容易的事。你不妨试想一下,假如一个生活在二维平面的平面人要想直接探测空间的第三个维度该有多难吧。一个主要的麻烦是他无法把三维物体的投影跟本世界里的真实物体(当然也是平面的)区别开来,比如他会把一个三维人的影子认作是他那个世界的一个平面黑人……这就得求助于各种理论的预言了。我们的这个“维度成长”理论目前没有提供这方面的“好消息”,但另一些理论倒是做了一些预言。
譬如说,美国杜克大学的两位教授通过他们的理论预言,如果存在高维空间,那么有些存在于早期宇宙的黑洞就会存活至今;而如果不存在空间的第四维,那它们早就蒸发了。这些黑洞的质量大约相当于一颗小行星的质量,在整个太阳系中至少有几千个,离我们最近的一个大概在冥王星轨道附近。
冥王星离我们并不算遥远,那这个黑洞总应该对我们有所影响吧?你也许会这么认为。但要知道,连地球那么大质量的行星要变成一个黑洞,半径也不过一粒黄豆大小,而一颗小行星要是变成黑洞,这个黑洞的视界半径有多小你就可以想像了。所以即便这样的小黑洞存在于太阳系中,对地球也几乎不产生什么影响,因此是极难被探测到的。
不过科学家说,我们或许可以通过引力透镜来寻找这些小黑洞。我们知道,光经过黑洞附近的空间时,会严重扭曲,就好比一股水流在前进中遇到一块石头一样,先分成两股,绕过石头之后再汇合在一起。这种现象叫“引力透镜”。如果来自同一光源的两束光汇聚之后,就会发生光学上的干涉效应,产生漂亮的彩色条纹(你见过肥皂泡膜上的美丽图案吗?那就是光的干涉产生的)。小黑洞自身是不容易发觉的,但干涉条纹却是容易探测的。只要观察到这个干涉现象,我们也就可以间接地推知小黑洞的存在。
预计2012年8月欧洲,局将发射一架大,的空间望远镜,它担负着寻找来自太空的伽马射线的干涉条纹的使命。如果能捕捉到这一现象,那么不仅明了太阳系中小黑洞的存在,也间接明了高维空间的存在。
本文源自大科技〈科学之谜〉 ,文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997
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