維度的壓縮:為什麼我們只感知到四個維度?

其實現代科技簡單地說不過是在極大尺度(相對論)、極小尺度(量子理論)、複雜性(生物學意識/大腦)這三個基點上不斷演進。我們下邊闡釋的是萬物理論的主要候選者之一被認為是弦理論或其更廣泛的版本——M理論。但它做出了一個我們幾乎永遠無法檢查的預測——隱蔽的、緊湊的測量。

維度的壓縮:為什麼我們只感知到四個維度?

弦理論

試圖將量子力學與廣義相對論結合起來,還試圖解釋自然界中觀察到的粒子和力的譜系。該理論的最新表述,即矩陣理論,有11個維度。它的支持者面臨著弦理論最大的問題之一——解釋額外維度究竟是如何被 “壓縮 ”的,使得它們無法在我們的四維世界中觀察到。夯實也明確了該理論最有趣的特性。

弦理論認為,世界是由十維時空中不可思議的小振動弦組成的。1995年,在第二次超弦革命期間,愛德華-威騰提出了M理論,它結合了所有五種不同型別的弦理論。這是一個包含超引力的11維理論。對於名字中的 “M ”代表什麼,科學家們並沒有達成共識,但許多理論家都認為這個字母代表著 “膜”,因為該理論包含了幾個不同維度的振動表面。M理論缺乏精確的運動方程,但在1996年,羅格斯大學的湯姆-班克斯及其同事提出將其描述為 “矩陣理論”,其主要變數是矩陣。

將這個11維的理論壓實到4個變化,絕非易事。夯實的字面意思是將理論的附加維度 “摺疊 ”到很小的維度。例如,為了壓縮二維空間,我們把一個百吉餅——或者說是撕裂(那是一個二維表面)——壓縮成一個截面很小的圓或環,然後把這個環壓縮成一個點。如果沒有一個足夠靈敏的探頭可以記錄。 “壓縮 ”的測量,這個迴圈看起來是一維的,而點看起來是零維的。M理論假設我們談論的是10-33釐米量級的尺寸,而這些尺寸又絕非現代裝置所能記錄。原來,經過七維的壓縮,我們周圍的世界看起來是四維的。

但本身是一個什麼維度?直觀地看,每一個維度似乎都是一個獨立的方向,我們(或某個物體)可以在其中移動。所以,原來我們生活在三個空間維度——“前進-後退”、“左右 ”和 “上下”,以及一個時間維度——“過去-未來”。總的來說,這是四個方面。但我們對維度的認知是與尺度有內在聯絡的。

想象一下,從遠處觀察一艘船駛入港口。起初它看起來就像地平線上的一個零維點。過了一會兒,你發現它的桅杆指向天空:現在它看起來像一條一維線。然後你注意到它的帆,這個物體現在看起來是二維的。當船離碼頭越來越近時,你終於注意到它有一個長長的甲板——第三維。

這並沒有什麼奇怪的,就像一個百吉餅,縮小到不可思議的大小,看起來是一個零維點一樣,沒有什麼奇怪的。問題是,我們無法檢測遠距離的測量結果。這就順理成章地引出了上面所說的:可能還有其他的維度,但它們太小了,以至於我們無法感知它們。

回到尺寸的壓實。想象一下,你是一隻生活在無限長的樹幹上的松鼠。從某種程度上來說,樹幹是一個圓柱體。你可以在兩個獨立的方向上移動——“沿 ”和 “繞”。一旦你厭倦了,你就會搬到一棵樹,樹幹更細,其周長更小。現在你的維度 “周圍 ”比以前小了很多。你只需要走兩步就可以完全繞過樹幹。你跳到一棵更細的樹上。你現在繞著樹幹一步步走,多達一百次! 測量的 “周圍 ”已經小到讓你無法察覺。樹幹越細,你的世界維度就會縮小到一個。

維度的壓縮:為什麼我們只感知到四個維度?

這正是弦理論中六維(M理論為七維)額外維度的情況。每當你的手在空間中移動時,你就會繞過隱藏的維度,次數多得不可思議。

如上所述,壓實後的尺寸在10-33釐米之間,與普朗克長度(1。6×10-33釐米)相當。需要指出的是,我們在近期不太可能有機會直接對其進行實驗。儘管如此,科學家們還是希望進行一些測試,然而,測試的結果在很大程度上取決於幸運的巧合。

琴絃的形狀和尺寸對於模擬其振動和相互作用極為重要。我們需要了解它們是如何圍繞著六個盤繞的維度進行扭轉的。壓實所形成的確切的表面結構改變了弦所引起的物理學。

有幾種方法可以將額外的尺寸捲入這樣一個小空間。然而,目前還不知道這些方式中哪種方式最終會通向常規物理學。

此前,人們曾多次嘗試用六託體來夯實矩陣理論,但都沒有成功。 透過卡拉比丘流形的測量壓實有助於避免矩陣理論的一些複雜情況。

這無疑是一組很有希望的緊湊化組合,但目前還沒有明確的答案,發現的顯形體數量已經增加到10500個,弦理論家之一布萊恩-格林最近在與肖恩-卡羅爾的播客中指出。

維度的壓縮:為什麼我們只感知到四個維度?

弦理論家對於M理論是否真正以最小尺度描述世界尚無清晰而明確的理解。但是,正如愛德華·維滕指出的那樣:“如何構建一個包含引力的理論,但它最初僅基於規範理論,真是令人驚訝。”弦理論是一種複雜的數學工具。正如克利福德·約翰遜和布萊恩·格林在我們的雜誌採訪中指出的那樣,很難說這個理論實際上是在描述現實。但是,即使事實證明它與現實無關,但這絕對將是邁向更大的一步的重要一步-相比我們以前所知的任何事物更準確,更優雅地描述宇宙的理論邁出了重要一步。