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我们的宇宙为什么是四维时空?

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发表于 2012-5-9 20:47:31 |显示全部楼层

我们的宇宙为什么是四维时空?
   

            
                 
    大多数人应该知道:我们身处在由三度空间和时间所组成的四维时空(或称为四次元)中。但是,为什么?

 终极重力理论(ultimate theory of gravity)若能将量子力学与相对论统一起来,应该可以解释宇宙为何是四维的,而这四维时间又是如何产生的?在9月24日出刊的物理评论快讯(Physical Review Letter,PRL)中,荷兰物理学家Renate Loll等人的研究显示:当把所有可能的微观时空效应加在一起时,就会产生一个四维的宇宙!

 解决根据爱因斯坦广义相对论,时空会受到质量和能量的扭曲而变形,因而使经过的光或物体受到此变形而改变方向,这就是重力的起源。也就是说,爱因斯坦认为时空是具有伸缩性的动态实体。大尺度宇宙的时空,基本上由相对论主导。

  但是,根据量子力学(quantum mechanics),动态实体的超精密状态是不确定的,所以当长度小至10-35公尺以下时,时空就不再是平滑的,而是如同搅拌过的泡沫一样不规则且不可预期。这种「量子泡沫(quantum foam)」让研究人员几近疯狂,若要理解如何由非常小的时空结构组成现在所见的大尺度宇宙结构时,便要先在时空尺度非常小时,使量子力学与重力互相协调;但此时有很多诸如「前后」或「快慢」的概念都丧失了意义,故先前的研究即使将所有量子泡沫的结构、特性等通通加在一起,也无法解释四维时空究竟怎么从这些粒子泡沫中产生的,只能制造出2维时空,或无数维度时空的状态,与我们所认知的宇宙状态不同。

  Loll等人尝试引进量子泡沫每一个特别的型态都有其因果关系的概念。她们利用计算机结合一些扁平的三角形小片(其中一个方向代表时间,另外三个方向代表三维空间),以产生所有可能的时空弯曲与泡沫的近似型态。不过,与先前的研究相比,她们多加了一项广义相对论中的「因果关系」限定条件:在每一小片时空中,任何东西的运动速度一律不准超过光速,因此一定不会有本末倒置的现象,当然也就不可能发生「回到过去」的情形;此外,每一小片时空之间的边缘地带,也必须保持因果的关系。她们想看看这样的情形会产生什么样的大尺度时空结构。

  您可能会想:既然每一小片时空都是四维的,那最后产生的大尺度时空一定就会是四维的时空啊,那有什么稀奇的!这个论调,可不见得正确喔!如同一根一维空间的线可以在弯曲后形成2维的平面或3维的立体空间一样,或者是如同把2维的白纸平面可以揉成3维的球状,或是卷起来变成近似一维的管状一样,每一小片时空连结时的「弯曲」的方式大大地影响了最后大尺度空间的样貌。

  最后的结果就像上图,如同艺术家将不同大小的三角形磁砖的、边缘对边缘黏接起来后所形成的抽象化雕塑一样,她们确实获得了由一维时间与三维空间所形成的四维时空—我们宇宙现在的样貌,而且更让她们惊讶的是:这样的结构刚开始形成时虽非常小,但之后便会不断地向外扩张,如同宇宙大霹雳之后的现象一样。

  对物理学或宇宙论而言,这都是非常重要的工作,因为我们知道至少有一种方式可以制造出四维时空宇宙,他们称之为「量子重力理论(theory of quantum gravity)」。虽然没有什么理由这个宇宙一定要有因果关系,Loll等人的限制条件只是人为的规定而已,但从她们的结果看来,似乎因果关系是形成我们现在宇宙的一个重要条件。




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