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为什么宇宙是四维时空呢?

2018-06-11  |  火星一号 原创 收藏(101)  | 


在20世纪80年代,物理学家迫切希望把宇宙中的四种基本作用力统一起来。第一次尝试是发展成所谓的“超引力”,但由于大量的矛盾和未经证实的预测,最终不得不将其抛弃。此后,另一个新兴的理论是弦理论。

这个理论诞生于20世纪70年代,不过直到20世纪80年代才被人们关注,重新流行起来,物理学家开始认真研究这个理论。弦理论仍然是目前比较有希望的大统一理论之一,但是根据这个理论,宇宙可能存在于11维度的时空之中(超弦理论认为是26维)。因此,特别奇怪的是,我们只接触了其中四个维度,即三个空间维度,以及一个时间维度。

这个问题让哲学家和物理学家困惑不已,但最近发表在《欧洲物理快报》(Europhysics Letters)上的一篇论文似乎揭示了为什么我们的宇宙只存在于四维时空中。

亥姆霍兹自由能密度

从足够远的距离看物体时,维度就不存在。只有当我们近距离观察一个物体时才会出现一个维度。从一个相当长的距离来看一张纸,它似乎是一个点,看起来是一维的。当我们离的越来越近时,四条边会逐渐显现。现在,当我们极其接近的时候,会发现第三个维度:深度。

基本上,随着我们越来越深入地挖掘,会出现新的或更高的维度。就像洋葱一样,这些维度盘绕成很多层。因此有一个显而易见的假设是,在宇宙大爆炸之后的瞬间,所有的维度都挤在一起,但是出于某种原因,宇宙最终只把前四个维度展开并变平坦。物理学家怀疑,其他维度是卷曲的,它们蜷缩在最小尺度空间——普朗克空间之中。那么,为什么宇宙只展开四个维度呢?

论文指出,其他维度由于热力学第二定律而禁止展开。热力学第二定律是宇宙的基本定律,它表示宇宙中的熵会逐渐增加。新生的宇宙充满了辐射和亥姆霍兹自由能密度,这是一种对空间施加压力的热力学量。

宇宙大爆炸后的几秒钟,随着宇宙瞬间冷却,亥姆霍兹密度达到了最大值,宇宙立刻“冻结”了。在这一阶段,之前存在于所有维度中的宇宙,这时被限制于其中的四种。我们的宇宙向更多维度展开的唯一方式是它存在于临界温度之上,但宇宙在临界温度之上只持续不过一秒的时间。

物理学家的这个发现类似于水经历的相变。只有当冰块被加热到某个临界温度时,它才能转变成液态水。虽然这一理论最近得到了关注,但还有一种理论可以用于回答这种棘手的问题——人择原理。

人择原理

根据人择原理,如果宇宙有所不同,那么就不会有智慧物种来谈论它。

热力学第二定律主要解释了为什么时间只朝一个方向上移动,我们称之为“向前”。 该定律预测,我们宇宙中时间的移动方向与它无序度增加(熵增)的方向是相同的。然而,这种推理是不完整的。只有当我们把这种定律与人择原理结合起来时,才会有一个令人信服的论点。

如果宇宙的条件有任何不同,那么能够问“为什么时间只在一个方向流动?”的智慧生命不可能出现。我们看到的宇宙现在的样子,是因为如果它有什么不同,我们就不会在这里去观察它。这被称为人择原理。

我们只在四维空间中体验宇宙,因为四个维度对智慧生命的开始和维持是有利的。如果宇宙是二维的,生物体就无法相互环绕移动。它们只能越过另一个生物体或者在其下方滑动。我们身体中的食物消化和分解或血液循环的复杂方式在二维身体中是不可能实现的。我们根本就不会存在。

事实上,不仅是生物,就连宇宙中最简单的秩序也会消亡,因为地球将无法围绕太阳旋转。在四维时空中,当两个天体之间的距离增加了一倍时,引力强度减弱4倍,但在五维时空中减弱5倍,在六维时空中减弱6倍。在一个更高维度的宇宙中,地球可能无法在一个稳定轨道上围绕太阳运行。

也许与四维时空相比,在更高维度中形成太阳的引力压缩和气态膨胀会变得不同。如果我们引力定律发生变化,太阳本身可能就不会形成,而是坍缩成黑洞。物理学家发现,在更高维度中的原子可能也不会聚集形成复杂的分子以构成复杂的生命。

关于人择原理,霍金在《时间简史》中有过引述。人择原理看似诡辩,但有可能是真的,除非我们找到了相反的证据。

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