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思维留声机
脑洞实验室
这里是科学星球
想要深入了解事物的本质
你必须对一些基本假设保持怀疑
并且重新审视那些看似早已有了答案的问题
比如今天咱们要聊的
空间是否具有三个以上的维度呢
当然
对于这样的问题
大多数人的回答都是没有
但有的时候
重新审视这种问题
你会打开一个全新的思路
而新的认知很可能会大大影响你的生活
我们也聊到
空间是某种具有粘性的物质
而不是一个空洞的背景
如果说你接受了这一点
那么现在就请你系上安全带
因为接下来的脑洞更像是坐过山车一样了
在咱们熟悉的三维空间之外
是否存在维度更多的空间呢
是否有某些粒子或者生物可以在这些维度里运动呢
那如果说真的有其他维度存在
这些维度又是什么样子呢
这些维度可以缩短我们去一个地方的路程吗
可以让我们抄近路去拜访遥远的天体吗
这些问题听起来好像挺荒谬的
但是大自然的真相往往就自带荒谬感
我们不知道答案是什么
不过有些很吸引人的理论认为
更高维度的空间是有可能存在的
当然啊
在正式说维度之前
咱们要先明确的定义一下维度
小说和电影里的维度
通常是指这样一个平行的宇宙
它是一个和我们的世界相隔绝的独立的空间
有一套不同的运行规则
那里的人可以拥有超能力
还可以通过时空门进入另一个平行世界
这类的故事很有意思
平行世界可能真的存在
但是科学家说的维度
并不是说这个意思
同一个词儿
在流行文化中的含义和在科学领域的定义是完全不一样的
这个其实往往是科学家的错
怎么说呢
当科学家需要给新的想法或者新的发现命名的时候
他们呢
一般会有这么几种做法
第一种做法呢
是创造一个新的词汇
比如说用戏外行星这个词儿来命名太阳系以外的行星
第二种做法呢
是使用一些具有相似含义的词
比如说啊
科学家用量子自旋表示粒子的某种物理属性
但是实际上这些粒子并不是真的在那自转
只是说这个属性和自转运动具有某些相似的数学描述
那科学家做的第三种做法呢
就是借用已有的单词
并且赋予它完全不同的含义
比如说
科学家在命名上夸克和下夸克的时候
并不是说真的是上夸克在上面
下夸克在下面
咱们今天说的维度也是这样的
在科学家的口中
维度并不是某一个平行世界
哎
知道这个真相的你可能会指着科学家的鼻子骂啊
哎
这不是他们偷换概念嘛
不过我劝你不要这样做
因为在几百年前
数学家和物理学家就已经开始使用维度这个词了
所以说呢
偷换概念呢
其实应该是科幻小说家
在物理学和数学的领域啊
维度指的是运动的方向
如果你画了一条直线
那么沿着这条直线进行的运动就叫做一维运动
在一个一维的世界里
所有生物都生活在一根无限长的线上
因为不存在其他的运动方向
所以一维科学家永远不能插队或者是彼此交换位置
他们就像是一条项链上的珠子和穿起来的棉花糖
他们前面是谁
就永远是谁
永远没法摆脱自己的邻居
接下来呢
请你再画一条直线
和之前的那条直线互相垂直
这样一来呢
沿着第二条直线的运动就完全独立于沿着第一条直线的运动了
如果两条直线的角度小于直角
那么沿着第二条直线的运动也会有一部分是沿着第一条直线的
它们有一定的叠加
在这样
两条直线决定了平面上的运动
它就是二维的运动
沿一条直线的运动拥有一个维度
而两条直线所构成的平面上的运动就具有了两个维度
现在
我们已经描述了一个一维的世界
也就是一条线
和一个二维的世界
也就是一个平面
要获得第三个维度也很简单
你只需要再画一条和前两条直线分别垂直的直线就可以了
第三条直线延伸的方向就是平面的上方和下方
这个就是维度的含义
每个维度都代表一个独立的运动方向
独立的意思是
你在某一个方向上的运动和其他方向上的运动是没有关系的
那么
下面我们就问
三个以上的维度可能存在吗
前面咱们画出来的三个维度很简单
它涵盖了我们熟悉的所有的运动方向
上下左右
还有前后
在三维的世界里
我们再也找不到和这三个方向都垂直的第四个方向了
这样来看
我们的世界肯定是三维的
对吗
可是啊
我们的世界为什么不能有更多的维度呢
物理学家还无法解释这一点
要知道啊
在数学里
你可以拥有四维空间
七维空间
甚至是五千维空间都没有问题
那看到这里你可能会想了
那如果真的存在更多维的空间
我肯定能感受得到呀
真的是这样吗
我们真的可以判断是否存在维度更多的空间吗
这个问题咱们要认真的想一想啊
比如说啊
万一这个世界真的存在其他的维度
而我们却没有感觉
那怎么办呢
换句话说
你之所以坚信空间只有三个维度
也许只是因为你感受不到第四个维度
咱们来想象一下
如果你是个生活在二维平面里的二维物理学家
你像在书上的字和画一样被困在纸上
那么你的感知也会受到二维平面的局限
你看不到平面以外的东西
所以呢
你意识不到
你生活的扁平世界
它是漂浮在一个三维的世界里
同样
我们生活的这个三维世界
也有可能是漂浮在一个更高维的空间里
说不定四维
五维
六维空间里的物理学家一直都在观察我们
嘲笑我们的狭隘
就像我们嘲笑那些被圈住的蚂蚁一样
但是
我们要进一步问了
为什么我们看不到也感受不到其他的维度呢
表面上来看
这似乎很奇怪
但是仔细想想啊
这其实和你感知世界的方式是有关的
人脑是以三维的模式来感知世界的
事实也证明啊
这样的确有利于我们在地球上生存
但这并不代表我们可以感知这个世界的一切
相反
我们会无视那些和日常生活关系不大的部分
而这部分
很可能正是理解宇宙本质的关键
咱们打个比方
比如说啊
你对光线很敏感
因为有了光
你很容易发现天敌
但是你感觉不到也注意不到那些围绕着你的暗物质
而这些暗物质呢
正是宇宙运行规律的重要线索
我们在前面的节目也给你说过了
再来举个例子
你感觉不到每秒有一千零十一个中微子穿过每平方厘米的皮肤
如果你感觉到它们
你可能会了解很多关于太阳以及粒子相互作用的知识
其实啊
我们每天都沐浴在重要的信息里
这些信息对于现代物理学家来说是特别特别重要的
但是我们的身体无法直接察觉他们的存在
那是因为对于人类的进化
这类信息的获得既困难又没有什么用
在远古时代
对于我们最重要的事儿是找到食物
并且躲避猛兽
太阳到底是怎么运行的
对于我们来说
真的一点都不重要
咱们再来看看这个问题
我们的世界有可能存在三个以上的维度吗
答案其实是肯定的
从数学上讲
这个一点都不奇怪
我们感知不到的维度是可能存在的
那是我们完全不熟悉的维度
那么现在咱们就假设
四维空间真的存在
我来帮助你尝试理解一下四维空间
嗯嗯
如果你在三维空间的基础上添加一个维度
那么在这个新维度上运动会是什么样子的呢
我们很难想象三维以外的运动
那为了便于理解
咱们先降低一个维度再去思考
假设我们实际上就是二维平面上的人
然后我们突然发现自己可以在三维世界里移动
那就算你是三维世界里的二维人
你的二维身体仍然只能在三维世界里的一个二维切片里思考和感知一切
那通常的情况下
这就是你的极限了
不过呢
如果你忽然获得了在第三个维度里活动的能力
你就可以出现在三维世界的不同切片里
你的二维感知系统和二维世界观意识不到三维中间运动
但是如果不同切片里的事物看起来不同
发生了变化
但会发现自己所处的二维切片变化了
如果你可以打破原有的二维空间概念
发展出三维空间概念
那么你可以把所有这些二维切片的景象拼切成一个更大的三维世界
那么接下来
我们就能用这个方法来推断四维空间的情况了
如果说
世界确实有第四维
而你忽然可以在这个第四维度上运动了
那你就能观察到世界是如何沿着第四个维度发生变化的
在沿着第四维运动的时候
你会发现周围的三维世界正在发生一些变化
如果你拥有过人的智力和想象力
你就可以将所有的信息在脑内整合成一个四维模不行
在某种意义上来说
其实你已经在做这件事了
如果你认为时间是第四维的运动方向
那就更清楚了
你身边的三维世界会随着时间的推移而变化
你可以在头脑里将不同时刻的三维空间定格图像给它缝合到一起
形成一个四维的世界
也就是三维空间加一维时间
你无法想象这四个维度作为一个整体是什么样子的
但你可以把三维定格的图像沿着时间线串起来
你可以想象一个人从婴儿到成年到老年
到死去
虽然你在某一个时刻只能看到它一个样子
但是你可以在想象中脑补一个长长的像是肉虫子一样的物体
它在一端特别小
长的是一个婴儿
然后在中间体型比较大
在他的最末端
是垂垂老矣的一个老人的样子
当然了
无论你怎样发挥想象力
这个物体在你的脑袋中
它还是一个三维的样子
但是呢
可以帮助你理解第四维来建一个模型
但是啊
一旦我们把时间列为第四个维度
就会带来一些概念上的混淆
因为当我们把时间列为第四个维度
就很难去想象第五个维度了
所以呢
我们把话题收回来
还是把维度这个概念局限在独立运动的方向上
你可能还是会问
如果真的有第四
四个维度
这里我们说的不是时间了啊
而是第四个独立的运动方向
如果真的有第四个维度
那为什么从来没有人看到过它呢
我们之前也提到过
咱们无法驾驭或者感知自己在更高维度中的运动
因为这部分能力无关也无异于我们的生存
即便是这样
如果它和那三个寻常的维度一样
是一个线性的维度
那我们应该早已经注意到它了
就算我们只能在三维空间里感知事物
那如果有东西在其他维度上运动
我们也会看到它在三维空间里反复出现和消失
这个肯定很容易引起我们的注意
对吧 所以
我们可以相当肯定的说
在日常的情况下
不存在和其他三个空间维度相似的第四个维度
即使其他维度存在
也肯定是以某种隐秘的难以察觉的方式存在
有这么一种可能
我们已知的所有的粒和物质粒子
都无法进入这些高维度
也就是说
不会有物体在第四维中滑动
也不会有能量扩散到这些维度里
这类令人费解的维度有可能存在吗
有可能 但是
如果任何已知的粒子都难以进入这些维度
那我们能发现它或者研究它的机会也就微乎其微了
另外一种可能啊
是只有某些特定的粒子可以进入更高的维度
这些粒子比其他的粒子更稀有
更难研究
当然也更难以被发现
最重要的是
更高的维度也可能因为自身的特点而不易发现
那会是什么样的特点呢
比如说
这些维度可能是弯曲的
可以构成小的圆圈或者圆环
这就意味着
在这种维度中的运动
不会让你走的很远
你刚出发就马上回到原点
如果说你觉得维度可以弯曲成环状
这个想法有点过于匪夷所思了
你并不是唯一一个这么想的人
就连最聪明的物理学家也觉得这似乎难以理解
事实上
说不定所有的空间维度都是环状的
只不过
我们所熟悉的三个空间维度
这个环儿非常非常的大
比观测可及的宇宙范围还要大
假如说
这些高维度非常小
而且是环状的
只有少数特定的粒子可以进入
那事情就说得通了
在三维空间中的我们看来
物体在这些小的环形维度中的运动引起的变化并不大
实际上
现在的弦理论所持的观点就是这样的
你可以想象一根水管啊
一根水管
它实际上不是一个一维的东西
而是一个被卷起来的二维平面
如果你在近处看
会发现它是一个二维的
但如果你离得非常常非常的远
或者这根圆管的直径特别特别的小
那么在你的眼里
这根水管就只是一条一维的直线了
弦理论认为
我们的宇宙除了三维之外
还有很多其他的维度
只不过这些维度就像水管一样被卷曲起来了
而且他们卷曲的非常非常的小
所以在宏观世界里
我们是观察不到这些维度的
物理学家之所以认为更高的维度可能存在
他们不只是为了做智力上的游戏啊
一个重要的原因是
这些高维度的存在
有助于揭开一些宇宙的谜底
比如说
更高的维度存在
可以解释为什么引力这么弱
在四种基本作用力中
我们之前也讲了啊
引力的强度是非常非常弱的
它不能和其他三种力相比较
弱和力
强和力
还有电磁力之间也有一些强弱的差异
但是引力和它们三个比起来
就弱的太多了
物理学家真的不想看到这种不一致性
虽然他们平时总是聚在一起对各种事情争论不休
但是他们通常都向往物理定律的和谐和统一
所以呢
关于引力的众多疑问之一就是
引力这么弱
它意味着什么
为什么引力比其他作用力弱的多呢
更多的维度或者可以解释这个现象
大多数作用力沿着距离的增加会变弱
变弱的速度取决于空间维度的多少
空间的维度越多
被稀释到其他维度的力也就越多
你可以想象
有人在一个party上打开了一瓶臭豆腐
那会出现什么情况呢
那当然了
离这瓶臭豆腐越近
你闻到的臭味就越浓
而在远离这瓶臭豆腐的地方
臭气的分子会散播到空气里
并且被稀释掉
那么再换一种情况
如果这个打开臭豆腐的人在狭长的走廊里面
那么走廊里的每个人都会闻到很浓的臭味
那如果这个人站在几条走廊的交叉处
那么臭味儿会沿着不同的方向扩散
各个走廊里的人闻到的臭味会少一些
臭气的稀释速度取决于新鲜空气补充的速度
这个交叉的走廊越多
新鲜空气就越多
那稀释的速度也就比较快
虽然说没有味道啊
但是作用力也有这种特点
如果在我们所处的三个空间维度之外
还有两个空间维度
那么某个物体对我们的作用力
无论是引力还是电磁力
不仅会扩散到我们所在的三个维度
还会扩散到另外两个维度里
因此
当我们远离作用力的源头的时候
相比只有三个维度的情况
作用力减弱的速度就会更快
那需要注意的是
这些额外的维度必须是小于一厘米的环形
因为到目前为止
我们还没有发现它们
只有引力受这些维度影响
也就是说
其他作用力扩散不到这些维度
如果说存在第四和第五维
它的尺寸不超过一厘米
而且它们都是环形的
只有引力可以扩散到这两个维度
其他作用力都不行
那会出现什么情况呢
相距不到一厘米的物体之间的引力会被稀释到另外两个维度
于是力的强度随着距离的拉长会下降的很快
对于大于一厘米的距离
这两个维度就起不到这种稀释的作用了
这就可以解释为什么地心引力如此微弱了
在距离很近的物体之间
引力原原的强强和和其他作用力一样
可一旦超过了一厘米
大部分引力就会被稀释到其他的维度里
剩下的就很弱了
当然
说到这还只是一个假想啊
你不要特别当真
这个一厘米也只是为了说明问题
它不是一个严谨的科学定义
那引力是否真的像走廊里打开的那罐臭豆腐一样
它的臭气被稀释了呢
其实我们不敢肯定
更多维度存在的可能
以及它对引力的削弱作用
目前还停留在理论的层面
令人惊讶的是
我们其实还有其他办法寻找其他的维度
有更多的维度存在的想法听起来是不错的
这可以简单而直观的解释为什么引力比其他作用力弱很多
不过你可能也发现了
这个想法其实很容易检验
你要做的就是测量一段很短距离间的引力
如果说在非常短的距离下
引力很强
那就说明小的环状维度存在
因为在很小的尺寸下
这个引力还没有被稀释嘛
可惜的是啊
要做到这一点并不容易
测量引力听起来好像挺容易的
比如说你称体重
其实就是在测量引力
但是啊
那是因为我们习惯了远距离测量
当你站站在体重上的时候
你测量的是你和整个地球之间的引力
别忘了
你们两中有一个体积相当的大
你们的距离是地球的半径
那测量短距离引力就完全是另外一回事了
如果你想测量间距一厘米的两个物体之间的引力
强度
那么你必须使它们的质心相距不超过一厘米
这意味着它们的个头必须非常的小
这也意味着它们不会有很大的质量
而如果质量太小
引力也会弱的几乎测不出来
咱们举个例子
两个相距一厘米的轴承滚珠之间的引力
比一粒尘埃在地球上的重量还要小
但是物理学家有个特点啊
几乎不可能的事情
只会让他们更兴奋
更重要的是
这个实验有可能证实更多维度空间的存在
所以呢
总会有一些特别聪明的人大开脑洞
去设计各种实验方案
这些实验很复杂
咱们不说了啊
只说结论
在过去的几年里
物理学家经过不懈的努力
已经测出了引力在毫米尺度上随距离变化的情况
他们发现
至少在相隔一毫米的时候
引力的强度依然遵循大尺度上的规律
但这并不代表其他维度一定不存在
这个结果只是说明
如果这些维度存在
那它们的尺寸是小于一毫米的
物理学家还有一个特点啊
对于没有通过实际测量证实或者否认的现象
理论学家会不管三七二十一的随意开脑洞
反正还没有经过证实嘛
咱们先想想也不要钱
物理学家可以说
这个理论适用的尺度低于目前实验可以达到的最小尺度
所以说
在这件事上
我们唯一可以肯定的是
如果存在其他维度
那它们的尺寸必须小于一毫米
那到底有多小
谁也说不准
测量引力啊
可以检测其他维度是否存在
但这不是唯一的办法
粒子对照机也可以帮助人们检测到其他维度那些动不动就标价一百亿美元
长度达到二十多公里的机器
除了能发现西格斯波瑟子之外
还能发现别的东西
那么
我们要怎么利用粒子对撞机探测其他的维度呢
你想象一下啊
你的手心里有一个微小的粒子
比如说是一个电子吧
这个粒子不仅出现在我们熟悉的三维空间里
它也可能同时在其他维度里运动
那些维度是环状的
所以我们熟悉的维度中
这个粒子看起来是静止的
那这个粒子在其他维度中的运动会有什么影响呢
如果这个粒子在其他维度中也运动
那就意味着它在那些维度中是有动量的
也就是说
它有额外的能量
不过
这个粒子在我们熟悉的维度里并不运动
所以额外的能量在我们看起来会体现为额外的质量
这是根据爱因斯坦的理论啊
质量和能量是密切相关的
换句话说呢
如果粒子在其他的维度里运动
那你就会发现
它比那些没有在其他维度运动的粒子会更重
这一点
也就是我们利用粒子对撞机探测其他维度的方法
我们让粒子相撞
如果发现一个粒子看起来非常像电子
也就是电荷相同
自旋相同
各个方面都相同
但是它又比普通的电子更重
我们就有理由怀疑
它是一个在其他维度中运动的电子
事实上
如果真的存在其他维度
我们应该可以找到已知所有粒子的对应版本
它们和原先的粒子唯一的差别就是质量更大
多维空间理论预测
存在一种特定粒子组成的塔
英文就是tower
这个塔的名字呢
叫克鲁扎克莱因塔
咱们经常说的那个代表四维空间的克莱因湖也是这个名字啊
这些粒子可以以一个固定的间隔
按照质量的大小进行排列
如果能找到这样一组可以规则排序的粒子
我们就可以证明多维空间的存在
在这个塔里面
从轻到重的粒子
质量越轻的
它们运动的空间维度就越少
在五维空间中运动的粒子就比在四维空间中运动的粒子更重
咱们接着往下聊
更多的维度存在
还意味着什么呢
其他的维度啊
即便是那种很小很小的环状维度
如果存在
还有别的事情会变得特别有意思
按照物理学家所说
引力之所以这么弱
是因为它的强度被其他的维度稀释了
也就是说
引力原本和其他作用力是一样大的
它不是一个软蛋
而是一个伪装成弱者的超级英雄
这就意味着
制造黑洞没有我们以前想的那么困难
通常来说
你需要把大量的质量和能量放到一个很小的空间
才能制造出黑洞
但是粒子
特别是具有相同电荷的粒子
比如说质子啊
他们不喜欢彼此靠的太近
我们需要借助某个毁灭性的事件
比如说恒星坍缩
使足够多的粒子靠的足够近
才能够达成形成黑洞所需要的临界密度
但如果说引力的短距作用力很强
那么加强版的引力会让质子形成黑洞的过很容易发生
甚至说
一台大型的强子对撞机就能做到这一点
假设存在小于一毫米的其他维度
那么大型强子对撞机可以每秒就制造出一个黑洞来
这听着是不是有点太可怕了
这些黑洞难道不会越长越大
然后把整个地球吞噬掉呢
答案当然是不会了
因为显而易见
强子对撞机已经运行这么久了
我们的世界不是还安然存在吗
幸运的就是
即使大型强子对撞机能够创造这样的小黑洞
他们的力量也远远不及恒星坍缩形成的大黑洞
这些小家伙还来不及吞噬地球
就迅速蒸发了
那根据霍金的理论
质量越小的黑洞
它蒸发的速度也就越快
一个直径小于一毫米的黑洞
在我们还来不及发现它的那短短一瞬间
就已经蒸发干净了
另外一个能让你松口气的理由是
高能粒子轰击地球和相互碰撞已经有数亿年的历史了
如果说粒子碰撞就真的能产生足以吞噬行星的黑洞
那该发生的早就已经发生了
我们根本就不会存在
那么说到维度
不得不提的一个理论就是贤理论
刚才我们也说了一下
在这儿咱们再展开聊一聊
物理学家一直在试图以一个统一的
自洽的
完整的理论模型描述所有的基本作用力
也就是引力
强合力
弱合力
还有电磁力
无论这个理论是否存在
这都是一个非常崇高的目标
虽然说最终的答案离我们还很遥远啊
但是人类已经获得了很大的进步
在这个过程里
物理学家提出了一些有趣的候选理论
其中一个最重要的就是先理论
弦理论指出啊
宇宙不是由零维点状粒子构成的
而是由微小的一维的弦构成的
这里说的小有多小呢
它是十的负三十五次方米
那样的尺度
咱们也不打比方了啊
反正作为常人来讲
我们没法想象那样小的尺寸
在理论上
这些弦能以多种方式震动
每种震动模式就对应着一种粒子
远距离观察的时候
这些弦状的结构就不明显了
人们会觉得这些弦看起来有点像点状的粒子
这个理论有一个特点啊
如果在这个理论里引入更多的维度
数学描述起来会更简单也更自然
显理论也有分支啊
每一种分支预测的宇宙的维数啊
各不相同
超显理论认为宇宙有十维空间
波瑟显理论认为有二十六维宇宙空间
甭管说有多少维啊
这些多出来的二十多个维度都在哪里呢
为什么我们没有发现它们呢
和那些试图解释引力的强度为什么这么弱一样
弦理论为了和我们的经验相符
增加的这些维度也是自我闭合的环状维度
而不是那种可以无限延伸的直线维度
最后来给你总结一下
了解宇宙的几何结构
对于理解这个世界来说
是非常基础的环节
在揭开宇宙真相的过程中
你会发现
世界原来不是我们想象中的样子
这个过程会带给你无与伦比的满足感
当然了
除了让人们获得满足感
寻找其他的维度还具有一些更实际的意义
或许我们会发现
这些维度的存在还有别的用处
比如说
他们或许能储存能量
或者让我们进入以前无法达到的空间
说不定还有别的神奇的功能
谁知道呢
另外啊
找到其他维度
有助于我们研究宇宙是如何运转的
也就是前面我们说那百分之九十五
我们还不理解的
宇宙是如何运转的
就算我们最终发现这些维度并不存在
这个结论也很重要
有了这个结论
我们就可以思考
为什么空间只有三个维度
而没有四个维度
三十七个维度
或者一百万个维度
三维空间有什么特别之处吗
到目前为止
在短距离上测量引力的实验并没有带给人们意料之外的结果
大型强子对撞机也没有发现任何黑洞以及任何在其他维度中运动的例子
换句话说
还没有任何证证据表明
弦理论对世界的描述是正确的
或者说
引力可以扩散到其他维度里去
现在我们还是不知道宇宙空间究竟是几维的
更奇怪的是
还有这样一种可能
宇宙中的不同区域具有不同的维度
也许就我们这一小块空间是三维的
但宇宙其他的地方存在四维或者更高维度的空间
如果说你读过三体
那这个概念你肯定不陌生
那么这一期
关于维度
我们就聊这么多
前面看了大家的留言
有说喜欢听故事的
也有人说喜欢单纯听科普的
因为留言的数量不太多
所以呢
我也没有得到一个足够客观的样样本
我就暂时按照自己的安排来
如果你喜欢听这样的故事
或者是不喜欢听这样的科幻故事
都希望你告诉我
咱们下期再见