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【墨香溢苑】 宇宙在童年只有一维
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宇宙在童年只有一维

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。至于为什么自杀,故事里倒是没交代,也许当初它曾许下过诺言,要是被人猜陂,自己就去死?——那它也太老实了。

我们生活在三维的世界。我们也愤于认为,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,也就是离宇宙大爆炸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”理沦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沦和广义相对论的关系。

我们知道,量子理论和广义相对沦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缸“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,真是操碎了心,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于‘架的难题。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。
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