一些科学家渴望进入四维时空。他们找到什么了吗?
进入四维空间实现穿越
在我们生活的时空里,有很多不同维度的空间。爱因斯坦曾提出11维空间的观点,认为人类只是处在三维空间中。而科学家们一直在急切地寻找四维空间和五维空间的秘密。这是因为科学家认为四维空间可能没有时间的概念,而五维空间可能没有空间的概念,这说明如果人类进入四维空间,就可以自由穿越过去和未来!
科学家急于离开三维空间。
当然,虽然我们可以实现穿越,但我们仍然面临一个问题,如果人类回到过去,我们不能对过去做任何改变,因为这会影响未来的发展,也许我们就不复存在了。在这种情况下,能够自由穿越时间和时空,并不一定是一件好事。那为什么科学家这么急着离开三维空间?
其实这是因为科学家认为自己可以把握尺度。因为人的一生太短暂,只有几十年的时间,以至于很多想做的事情没有足够的时间去完成。不要说未来几千年、几万年甚至几十亿年人类是否能在地球上发展,就是仅仅100年、200年地球上会发生什么?其实人类没有办法做出完整的预测,只能根据目前的发展给出一个合理的猜测!
但是如果人类可以随意穿越过去和未来,结局就不一样了!比如,在地震、海啸等重大灾害来临之前,我们可以准确穿越“预判”,采取疏散等措施,避免人身和财产安全受到侵害。这么想起来,是不是觉得寻找多维空间穿越也很“香”?
事实上,在20世纪80年代,物理学家们不顾一切地想把宇宙的四种基本力(引力、强相互作用、弱相互作用和电磁力)统一成一个单一的综合力。他们首先试图开发所谓的超重力,但由于大量不一致的研究结果和未经证实的预测,不得不放弃。另一个新兴理论是弦理论。
这个理论诞生于20世纪70年代,但在80年代之前,它基本上被忽略了。20世纪80年代,这一理论再次流行,物理学家开始认真研究。弦理论仍然是我们完整理解宇宙的最佳猜测之一,但根据这个理论,宇宙存在于26个维度中!所以,很奇怪科学家只触及其中的四个——空间的三个可互换维度和一个世纪前发现的时间维度。
这种荒谬一直困扰着哲学家和后来的物理学家。他们太好奇了,无法毫无疑问的接受现实,他们想知道现实为什么会这样。然而,最近发表在《欧洲物理快报》上的一篇论文似乎揭示了为什么我们的宇宙可能只存在于四维空间中。
从足够远的地方看,维度就不存在了。只有当我们近距离观察一个物体时,维度才会出现。从相当远的地方看,一张纸看起来是一维的。但是,随着我们越走越近,这四个方面也会逐渐出现在我们面前。现在,当我们走近时,我们会发现第三维度:深度。
想第四维度有点难,但是随着科学家越挖越深,新的或者更高维度就会出现。像洋葱一样,维度是多层次的。有一个显而易见的假设,所有维度都在大爆炸后的一瞬间占了上风,但出于某种原因,宇宙随后决定只膨胀前四个维度。物理学家怀疑其他维度在奇点空间是弯曲盘绕的!
那为什么只有四维?热力学第二定律禁止其他维度的膨胀,这是宇宙的基本定律。初生的宇宙充满了辐射和亥姆霍兹自由能密度(对空间施加压力的热力学量)。
就在大爆炸后的几秒钟,随着宇宙的瞬间冷却,亥姆霍兹密度达到最大,宇宙立刻“冻结”。在这个阶段,宇宙曾经存在于我们认为存在的每一个维度,而现在只局限于其中的四个维度。我们的宇宙膨胀到更多维度的唯一方法是如果它存在于临界温度之上,这是一个地狱般的温度,它肯定会在创建后的短短一秒钟内冷却下来。
物理学家的发现类似于水的相变。一块冰变成液态水的唯一方法是加热。虽然这一理论直到最近才受到重视,但让科学家转向解决这一困境的原理是人择原理。
根据人择原理,如果宇宙中存在任何差异,质疑其结构的智能物种将不会存在。
热力学第二定律主要解释了为什么时间只朝一个方向运动,科学家称之为“向前”。定律预言宇宙中时间的方向和无序的方向是一样的。然而,这种推理是不完整的。
就像熵似乎在增加一样,时间也在增加,因为宇宙还处于膨胀阶段,有利于智慧生命的萌发。我们只在四维空间中体验宇宙,因为只有四维空间的盛行才有利于智慧生命的开始和维持。
如果宇宙是二维的,生物就不会四处活动。食物消化分解或血液在体内循环的复杂方式,在二维人体中是不可能的。然后,提出并研究为什么宇宙中有四种智慧物种,而它们根本不存在。
事实上,生物本身,即使是最简单的生物,也会灭绝,因为地球将无法围绕太阳旋转。两个物体的距离增加一倍,引力的强度下降四倍,但在五维空间下降五倍,在六维空间下降六倍。在更高维度的宇宙中,地球可能无法实现稳定的绕太阳轨道运行,所以生物会被冻死。
也许形成太阳的引力压缩和气体膨胀在更高维度中会有所不同,在四维空间中是如何发生的。也许太阳本身会过早坍缩成黑洞。甚至更高维度的原子也不会聚集形成复杂的分子,进而形成复杂的生命。
科学家们渴望进入四维空间,这可以解决我们这个物种的长期之谜。这对物理学家来说也是很有启发的,因为这代表了人类寻求统一四种基本力的巨大飞跃,最终代表了人类对宇宙如何诞生、如何发展以及可能走向的理解。
首先,科学家并不像题主说的那样急于进入四维时空,因为我们生活在四维时空里。
爱因斯坦创立了相对论,统一了时间和空间,一维时间和三维空间变成了连续的四维时空。那么,如果再多一个维度,比如空间维度高一个维度,五维时空宇宙会是什么样子?或者四维空间会是什么样子?
目前没有人知道四维空间是什么样子,甚至连高维空间的存在都不清楚。但是理论上第四维是可以存在的,我们可以通过低维类比来推断五维时空应该是什么样子。
没有大小的点是零维空间,无数个点组成的直线是一维空间,无数个直线组成的平面是二维空间,无数个平面组成的立体是三维空间,以此类推,无数个立体组成的超体是四维空间。相对于三维空间,除了长、宽、高三个维度,还有一个我们无法感知的第四维。
那么,如果四维空间存在,生活中的生物会是什么样子呢?如果人类进入这样的高维空间会发生什么?
四维空间,可以参考克莱因瓶。与三维空间中的瓶子不同,克莱因瓶没有内外的概念,因为第四维空间连接了三维生物视野中的“内”与“外”。如果有苍蝇,它可以直接从克莱因瓶的“外面”飞到“里面”,不经过瓶子就可以穿越第四维。
但是,像人类这样的三维生物,在四维空间可能无法生存。因为作为一个三维生物,它的身体结构只有三维,身体在第四维没有支撑,所以身体内部会通过第四维直接暴露出来,所以无法正常生存。
如果有四维生物,他们可以通过第四维直接看到三维空间中的内部。如果有人在一个封闭的房间里,四维生物可以直接通过第四维把房间里的人转移到房间外面,而不需要通过房间里的门窗或者其他通道,这对于三维空间的我们来说是非常不可思议的。
如上图所示,想象一下,我们可以通过第三次元把圈子里的二维生物(如果存在的话)直接转移到圈子外面。
另外,因为有了额外的维度,高维生物可以直接看到我们从生到死的过程,而四维时空发生的事情,其实就是三维空间在一维时间轴上的演化。我们在三维空间中每一刻看到的东西,可以说是四维空间中每一刻事物的三维“剖面”。
根据M理论,宇宙中的时空维度达到11维,但我们只能感知其中的4维,其他7维都是高度卷曲的,我们无法感知。不过这只是理论上的推测,目前还没有实验证据。