五维-进入不可见区域

宇宙究竟有多少维数？这个问题可能没有唯一答案。

将时间看作成第四维，这是爱因斯坦理论的精髓。德国数学家卡卢察做了更宏伟的设计。在1919年，他发给爱因斯坦一篇文章，在文中他主张，通过给时空加入第五维，可以将电磁力和万有引力统一描述为一种力的两个不同方面。

几年后，瑞典数学家克莱因在卡卢察的想法上更进了一步。显然日常生活中我们只看到四维时空，对此克莱因的解释是：第五维的空间尺度很小，可能高度卷曲地存在于四维时空的每一点。由此他开辟了物理学在超空间的隐藏额外维中寻找力的统一性这一思路，这一思想一直延续到在今天的弦理论中。

然而也许第五维并不像克莱因想象的那么微小。1999年哈佛大学物理学家Lisa Randall和位于马里兰巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学的Raman Sundrum利用弦理论分析了高维空间的性质，他们发现，通过引入巨大的第五个维度，可能可以解决一个一直困扰物理界的难题：为什么万有引力比其它的力都要弱？他们的模型认为，我们所熟悉的四维时空漂浮在一个无穷大的负曲率五维时空之中。电磁力和核力被限制在四维空间内部，而万有引力却可以渗透到第五维，因此在我们看来，引力比电磁力和核力要弱得多。

与此同时，加拿大安大略湖滑铁卢大学的Paul Wesson则认为，五维时空是存在的，其中四维是我们生活于斯的时空，而第五维对这个四维时空的作用是产生许多有质量的额外维粒子。这一方案可能解释了长期困扰粒子物理学界的一个难题：质量是如何产生的，它认为粒子的质量有一个几何起源。同时，该理论也解决了大爆炸的奇点问题：大爆炸开始时，宇宙处于无限高的温度和密度状态（注：这一论断并非公认结果），在这里基本物理学定律都失效了。而从5维宇宙的观点来看，大爆炸只是一个幻觉，所以也就根本没有这个问题。

五维空间的存在带来了一些更为精妙的结果。1997年理论物理学家Juan Maldacena提出一个猜想，某些有五个展开维而且包含引力的弦理论等价于四维无引力量子场论，后者可以看成是前者的全息投影，这使得我们的日常世界如同来自宇宙的边界的投影一般缥缈。

听起来神秘吧，但在很多领域，这种高-低维理论的等价性已经成功地应用到对困难问题的计算上，比如在高温超导物理。在Maldacena的图像中，四维理论并不比五维理论更真实地描述世界。这样说来，“宇宙究竟有多少维数”这个问题根本没有唯一的答案。

六维-两个时间

当物理学家提出涉及更多维数的宇宙理论时，他们通常只是指空间是高维的，并不涉及多维时间。

这也很好理解：如果时间是多维的，那么物体就满可以在高维时间坐标中沿环路运动，就是说，高维时间使得物体可以随意穿梭于我们所处的一维时间上的任意两点，这样就违背了光速上限，并且使我们可以进行时间旅行，而这与我们目前对宇宙观测是不相符的。

然而，到了1995年，洛杉矶的南加州大学的Itzhak Bars通过M理论巧妙地构造出了一种存在高维时间的理论框架，该理论允许第二时间维存在，且不违反光速不变且不存在时间旅行，这种模型能够解决粒子物理学标准模型所无法解决的一些问题。

（注：M理论是弦理论的推广。该理论的目标是成为万有理论，一个能解释所有的相互作用的物理理论。它试图把四种基本相互作用——电磁力、引力、强力和弱力——统一起来。它还试图结合当前所有五种超弦理论和11维的超引力理论。为了充分了解它，爱德华•威滕认为需要发明新的数学工具。M理论的“M”包含有许多意思，例如魔术（magic）、神秘（mystery）、膜（membrane）或矩阵（matrix）等等）

但这里有个陷阱：这个高维时间理论若要成立，必须同时存在一个额外维度的空间，因此在Bars构造的模型中，宇宙共有6个维度（4＋2），这个宇宙中的事物和我们熟悉的4维宇宙中的事物非常相像，唯一的区别是：

在6维世界中，描述物质的构成和相互作用的理论是6维标准模型，而当这个高维模型投射到四维时，将产生很多不同的4维版本，而其中的每一种都描述一个不同的四维宇宙。

八维-冲浪者的天堂

八维是八元数能够自然存在的空间。八元数是一种非常奇怪的数学结构，正如加利福利亚大学Riverside分校的数学家John Baze所说：“它是那个人们永远要锁在阁楼上的疯叔叔。”

八元数是仅有的可以进行除法运算的四种数制（注：实数、复数、4元数、8元数）之一，能够允许所有的代数运算，但八元数的运算方式复杂异常，不像我们熟悉的传统数制中的任何一个，见下图：

为什么物理学中要引入八元数呢？这是因为在某些物理学问题中它是极为有用的工具。由八元数组成的矩阵可以构成一种叫做E8特殊李群的复杂的数学结构，这种数学结构是某些弦理论的核心内容。

2007年时，E8群成为热门话题，物理学家Garrett Lisi没有采用弦理论就构造出了统一引力和其它三种相互作用力的统一理论，他的理论正是基于E8群结构的。Lisi本人没有大学职位，他花了相当多的时间在夏威夷冲浪。对他工作的报道触怒了一些人，比如伦敦帝国大学的Miachael Duff。他说道：“弦理论家自从上个世纪七十年代末就开始研究E8，我们不需要冲浪好手来告诉我们这是有趣的。”

（注：Lisi本人的数序基础不错，但是物理学很差，其理论在物理上完全占不住脚，只是一个计算得比较正确的数学练习而已。）

Duff本人对八元数的价值持不可知的态度，他指出所有由此提出的理论都还未经过实验的检验。他说道：“任何人都还不知道到底八元数是否与真实世界有关。”

十维-弦论的世界

“也许物理学家从更高维数带回的最石破天惊的想法就是所有可能的宇宙都存在”

十维，我们最后到踏上了弦理论的神话国土。

罔顾所有针对弦理论的刻薄话，弦理论仍是目前尝试统一量子力学和广义相对论的最热门理论，也是“万有理论”的最热门候选人。

该理论认为构成物质的粒子和传递相互作用力的粒子都是由弦构成的，弦的不同振动模式对应于不同的粒子。弦是1维的，它却在由1维时间9维空间构成的10维时空中振动。

为什么是10维呢？一句话，因为该理论在较少维数时行不通。如同物理学家Michael Green和John Schwarz于1984年指出的那样，在更少的维度中，在小到10^-35米的普朗克尺度上，数学上的反常会导致时空存在剧烈的量子涨落，这种量子效应会破坏理论的对称性，从而使理论不再自洽。

这些并不意味着10是就是个魔力数字。实际上弦理论的一种过时的早期形式具有26维。目前存在5种完备自洽的10维弦理论，它们都能解释我们宇宙的存在，没有哪一种理论比其它理论更正确，这些不同的理论可以被统一成一个更宏大的理论――11维的M理论，这5种弦理论只是M理论在某些情况下的特例。

M理论认为：这些额外维度是很小并且高度卷曲的，它的尺度如此之小，以至以现有的手段无法观测到。而这些高维空间卷曲存在的形式是特定的。

关键是，它们可能的存在形式有无限种，如何找出产生我们宇宙的那种高维空间的存在形式，仍是一个问题。

伦敦帝国学院的Michael Duff说道：“这将理论物理学家分成了两派。”

那些认为我们最后将解决这个问题的人面临着逐渐增多的支持“多宇宙论”的反对派。

因为，既然M理论允许存在无限多种可能的宇宙，又没有一个物理学原理来解释到底为什么我们生存在我们的宇宙中，那么，我们是否要接受人择原理，承认我们之所以观察到今天的宇宙，只是因为我们正好生活在这样一个宇宙中呢？

也许，所有的可能存在的宇宙，实际上都是存在的，这才是物理学家对高维空间进行探索之后，所得到的最令人震惊的结论。

来源：科学松鼠会