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高维空间以及额外维度的存在问题 , 一直是物理学研究的前沿 。
因为很多物理现象 , 在三维空间中已经无法理解和解释 。
关于物理学里曾经有一个著名的实验:量子纠缠实验 , 证明了相互纠缠的量子可以在远距离瞬间相互联系 。
当时爱因斯坦就猜测 , 肯定存在着一种尚未探测的物理量或者是更高的维度 , 使量子在超过3维度的情况下发生联系 。 所以才会出现瞬间联系的超光速无数倍现象 。
后来 , 科学家贝尔设计了一个贝尔检测实验 , 来检测是否存在额外的维度 。
但是 , 现在经过越来越严格的实验证明 , 额外的维度在贝尔检测中是不存在的 。
然而 , 这并不能否认整个宇宙中不存在额外的高维度 。
已故著名物理学家霍金就认为在黑洞中存在着连接高维度的通道:在三维空间中黑洞是封闭的 , 在高维度黑洞是开放的 。
可以在一张纸上画一个封闭圆圈 , 对于平面上爬行的蚂蚁来说 , 这个圆环就是封闭的 , 但是在我们人类看来 , 它是开放的 。
在数学里 , 维度和矩阵的阶数是相关的 。 在三维空间中每一个点的坐标 , 可以由三个独立的数字表示 , 它们分别对应于x、y和Z轴 。
在任意N维空间中的向量 , 可以由基本向量和坐标向量的乘积来表示 。
我们知道 , 力都是向量 , 所以在物理学里 , 力也可以用矩阵来描述 。
物理学最大梦想是实现4种力的大统一 。 现在电磁力、弱互作用力和强互作用力已经实现了统一 。 这种所谓的统一 , 就是用统一的矩阵形式来进行描述 。 电磁力是1阶矩阵 , 弱互作用力是2阶矩阵 , 强互作用力是用3阶矩阵表示的 。
如果引力能够完成统一 , 在数学形式上要求有一个5阶矩阵 。
所以 , 从物理学的发展方向上来说 , 如果数学能够描述万物 , 那么必然存在更高的维度 , 对应数学里的高阶矩阵 。
当然 , 额外的高维度可能存在于更大的空间 , 也可能存在于更微小的空间 。
先讨论第1种情况 , 额外的高维度存在于更广大的空间中 , 整个宇宙都附着在其上 。
根据目前人类对整个宇宙的观测 , 我们宇宙是一个封闭的球体 。 这个球体和我们通常看到的球体是不一样的 。
宇宙的性质和附着在三维球体上的二维球面的性质类似 。
从我们宇宙任何一个点笔直向前出发 , 只要经过足够长的时间 , 就会回到起点 , 这样的球体是一个三维超球体 。
正如二维球面附着在三维球体上一样 , 三维超球体也会附着在一个四维度的超结构上 。
根据科学家们的观测 , 我们的封闭宇宙正在膨胀 , 这个膨胀的速度是每100万秒差距(326万光年)每秒钟膨胀70公里 。
这个膨胀的过程可以想象成往一个气球里面吹气 , 引起气球表面扩张的过程 。
所以从地球上看宇宙中的遥远星系都会发现在做远离地球的退行运动 。 正如在一个不断扩张的气球表面观察任何周围的一点 , 都会发现在做远离自己的运动 。
那么 , 是不是在四维空间中存在着什么力量来让我们的三维宇宙膨胀呢 , 这是有可能的 。
2020年的诺贝尔物理奖获得者 , 数学物理学家彭罗斯提出 , 宇宙是一个轮回循环 , 这样的循环必须附着在更高的维度上 。
如果在更高的维度存在着智慧的生命 , 他们看我们的三维封闭宇宙就是开放的 。 他们看我们的人体也是开放的 , 如果他们愿意 , 确实可以操纵我们人类 。
当然 , 还有另外一种可能 , 更高的维度蜷缩在更微小的世界里 。
著名数学家丘成桐证明了在有6个维度的微小空间 , 可以存在一个无质量分布的引力场 , 这就是所谓的卡拉比~丘成桐空间 。
这个空间非常小 , 比质子的半径还要小 , 无法用仪器检测 , 但是它的存在是合理的 。
根据《计算神经科学前沿》(Frontiers in Computational Neuroscience)发表的一项研究 , 蓝脑项目国际研究人员团队获得了神经科学领域从未见过的结果 。
借助代数拓扑的数学方法 , 科学家研究了人类大脑中的网络结构 , 最新的研究成果表明 , 人脑所包含的结构和形状可能具有多达11个维度 。
所以 , 生命体本身很可能含有通向连接高维度的结构 , 而这些连接高维度的结构 , 很可能就是生命之所以有生命的本质特征 。
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