一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

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一個看起來很基礎但是卻令科學家無比頭疼的問題,可能真的是這樣吧,越簡單的問題回答起來就越是困難,比如看門老大爺的奪命三問:你是誰?你從哪裡來?你要去哪?這樣的問題絕對能夠讓人無語,本期文章繼續來聊一個依然是很基礎但卻依然很深奧的問題,那就是關於空間維度的討論。

時間的維度有一個,空間的維度有三個

線——是一維的。

平面——是二維的。

立體空間——是三維的。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

圖解:三個空間維度

而我們就生活在一個三維的空間世界或者也可以叫做四維的時空中,時間的維度有一個,空間的維度有三個,我們可以前、後、上、下、左、右移動,卻也只能在這三個互相垂直的方向上移動,當我們確定了一個物體的長、寬、高以後它的形狀也就確定了,這個世界上有且僅有三個相互垂直的空間方向,不多也不少剛剛好,於是一個令無數物理學家掙扎的問題就又來了,為什麼我們所處的空間不偏不倚剛好三維呢?難道二維和四維就不可以嗎?

物理學界在解釋這個問題的時候往往是束手無策的,因為物理定律並不排斥更高或者更低的維度,一般來說,物理定律以及表示物理定律的物理公式在任何維度下都是成立的,比如我們上中學學物理時學的第1個公式「s=vt」,速度(v)乘以時間(t)等於路程(s),這個定律在任何維度下都是成立的,甚至連公式都不需要做任何的變形,有些公式在其他的維度下雖然也是成立的,但是需要做一定的變形,比如說萬有引力定律,在我們所處的三維空間世界中,引力和距離的平方成反比,而到了四維空間,引力就不是和距離的平方成反比了,它與距離的三次方成反比,到了五維空間中,引力和距離就成四次方成反比的關係了,以此類推等等。如果僅僅用物理定律成立的角度來看,似乎空間沒有必要必須是三維的,四維、五維、二維也是可以存在的。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

時間的維度有一個,空間的維度有三個

為什麼空間一定是三維的呢?

回答這個問題有一個特別流氓的定理,那就是——人擇原理。人擇原理非常的霸道,它似乎可以解釋許多我們完全無法理解的事物,但是人擇原理還有一個問題,那就是它可能幾乎就沒有回答或者說它的回答可能沒有任何的實際解釋價值。

人擇原理是這樣的:當我們嘗試解釋為什麼我們的宇宙是這樣的時候,人擇原理給出的回答是,因為只有這樣的宇宙才能允許人類這樣的智慧生命存在,才有可能思考宇宙這樣的概念,宇宙如果不是這個樣子,就不會有我們這樣的智慧生命來討論它,如果用人擇原理來解釋為什麼空間是三維的這個問題時呢?答案就是如果空間不是三維的,那麼就不會適合生命存在,就不會有像人類這樣的智慧生命去觀察和思考這個問題。

我們能夠提出這個問題的前提,正好是這個問題本身,這樣說可能稍顯有點複雜了,如果換句通俗易懂的話,就是為什麼空間是三維的呢?因為它必須是三維的。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

如果想用人擇原理回答,為什麼空間是三維的這樣一個問題,就必須承認一個事實,那就是只有三維空間才是像人類這樣的智慧生命所能產生的最佳場所,這似乎聽起來很有道理,比如我們的大腦是由三維中交叉的神經元組成的,我們的消化道是圓柱體的管道,我們的基因藍圖是一條三維的螺旋,也許空間的維度和其他一些物理學的常量,比如說引力常量、普朗克常量、光速常量一樣都是宇宙的基本常數,它們共同決定了這個世界是否有可能產生生命以及是否有可能產生像人類這樣的智慧文明。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

不可能被證偽的原理——人擇原理

從上面的分析可以知道,人擇原理與其說是原理,還不如說是一堆邏輯性的語言,它還有一個問題就是它也不可能被證偽,不過還是有一些學者認為「人擇原理」還是有一定的合理性的。1917年奧地利物理學家 保羅·埃倫費斯特(1880年1月18日-1933年9月25日)曾經寫過一篇文章,他證明了三維才是描述我們這個世界最完美的維度,想要解釋他的想法,就必須把經典力學中非常著名的定理貝朗特定理拉出來了。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

貝朗特定理,說起來也很複雜,它指的是對於所有受到向心力的支點,只有當向心力遵循平方反比定律或者胡克定律兩種形式時才有可能得到閉合的軌道。簡單來說,就是像行星圍繞恆星運動這樣的情況,只有當向心力遵循平方反比定律時,才有可能得到閉合的軌道。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

上述已提及到物理定律在不同的維度下,可能是需要作一定程度的變形的,以最經典的萬有引力定律來說,在三維世界萬有引力和距離的平方成反比,而到了四維空間,行星在圍繞恆星運動時,它所受到的萬有引力和距離的三次方成反比,根據貝朗特定理,四維空間的行星是無法形成像我們這個世界中的橢圓和閉合的軌道的,這就意味著恆星系統是無法穩定的存在,不會有像我們太陽系這樣穩定的星系,這就會帶來一個問題,那就是不穩定的星系很難使生命自然萌芽和發展。

與萬有引力類似的是原子核與電子之間的電磁力,描述這種作用的定律是「庫倫定律」,庫倫定律和萬有引力定律類似,在三維的空間中它和距離的平方成反比,而在四維空間中與距離的三次方成反比,所以四維空間中,電子無法形成穩定的圍繞原子核旋轉的軌道,也就是說在更高的維度上,不存在穩定的原子結構,電子會因為輻射而掉進原子核裡面,如果原子都不復存在了,那麼世界會變成什麼樣子呢?我們不得而知,我們只知道一點,像我們這樣的生命是不會出現的。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

還有其他學者從其他的角度論證了三維世界才是最穩定的世界,比如「超弦理論」,超弦理論有一種「膜」宇宙的說法,超弦可以理解成我們的宇宙其實是一張三維的「膜」,漂浮在更高維度的空間中,除了我們的宇宙之外,其他的每一個宇宙都可以理解為一個不同維度的「膜」,在一個多維的世界中,有一個結論,那就是「膜」的維度越高,就越容易和其它的「膜」碰撞,這個結論是如何產生的呢?為什麼維度越高就越容易相互碰撞的呢?

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

關於這點,可以舉一個低維空間的例子:

比如在一張紙上,如果我們隨意畫兩條直線或者隨意描兩個點,那麼是兩條直線相交的概率高,還是兩個點相遇的概率高呢?

答案是顯而易見的吧,兩條直線如果是不平行的,那麼在平面上就一定會相交,而平面上有無數個點,兩個點重合的概率幾乎可以忽略,推廣到三維空間結論也是一樣的,比如在我們的宇宙中如果隨意畫兩個面,再隨意畫兩條直線,那麼是兩個面相交的概率大還是兩條直線相交的概率大呢?

答案也是確定的,一定是兩個面相交的概率大,因為面是二維的,而線是一維的,在超弦理論「膜」宇宙假設所創設的世界中,維度越高的宇宙和其他的宇宙相碰撞的概率也就越大,當碰撞發生的時候,「膜」就有可能融合,然後湮滅形成引力子。

有科學家曾經做過一個電子的模擬實驗,按照「膜」宇宙的理論,他們模擬了一個早期的九維超空間世界,這個世界中有無數個三維、四維、五維、六維、七維、八維的宇宙,計算機模擬的結果表明宇宙從九維演化到三維的幾率是最大的,那些高維的宇宙很可能短暫地存在過,但在激烈的相互碰撞中煙消雲散,只有三維的宇宙能夠在很大的程度上減少碰撞以後被消亡的命運,於是我們所處的宇宙倖存了下來。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

二維世界能夠產生生命或者智慧生命嗎?

剛才有兩個理論分析了一個能夠產生智慧的文明,不太可能超過三維,現在問題來了二維世界能夠產生生命或者智慧生命嗎?如果按照「膜」宇宙的理論,二維的宇宙應該是更不容易和其他的宇宙發生碰撞,留下來的可能性應該更大才對,那麼二維的世界中能否存在生命嗎?

存在或者不存在,這個真的挺難說的,畢竟目前為止科學界連生命的定義都沒有完全的達成一致,這裡暫且認為二維的世界可能存在生命並且給它取一個名字——「紙片人」。紙片人是一個生活在二維紙面上的人,對他來說只有前、後和左、右兩個維度,沒有上也沒有下,他們是用一條條線組成的一個平面的形狀,紙片人想要存在的話,首先要解決2個非常棘手的問題。

  • 第一個問題——引力。

按照廣義相對論的理論,在二維的空間下,時空應當是處處平坦的,處處平坦代表什麼呢?就是不存在引力,可如果引力都不存在的話,那麼這個世界又應當是如何的混沌呢?這個世界很難有生命的產生,於是沒有辦法,科學家只好開一個更大的腦洞,既然廣義相對論讓二維的時空不太適合產生生命,那麼就乾脆假設廣義相對論在二維的空間中不成立好了,他們改進了廣義相對論的引力理論,使得時空在二維空間的宇宙依然是不平坦的,依然能夠產生引力,這樣的二維世界中依然可以產生與我們宇宙類似的行星系統。

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  • 第二個問題——消化系統。

紙片人要解決的第二個棘手的問題是如何吃東西的問題,任何生命都需要與外界交換能量,科學一點的說法是從外界吸進負熵,庸俗一點的說法是吃、喝、拉、撒。二維的世界中,如果紙片人也需要吃飯,並且吃進的食物不能完全消化還要排出體外的話,就會面臨很大的困難了。

人類這種三維世界的生物可以有一條隧道,從口腔一直到肛門,一直貫穿全身完成整個消化的過程,但對於二維世界的紙片人來說,如果也給他加上一條直貫穿全身的隧道,紙片人立馬就會被這條隧道一分為二,分成兩半了,所以二維生命很難像三維生物這樣有一條直貫穿全身的消化隧道。對於紙片人來說,這個問題也不算特別難解決它們有兩條路徑可以選擇:

  • 第一個選擇:把肛門和嘴巴合二為一。
  • 第二個選擇:它們不能同時打開肛門和嘴巴,只要肛門和嘴巴不會同時打開,身體就不會解散。
一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

目前沒有任何確切的理論能夠排斥二維空間中能夠產生生命的可能性

二維比我們現在生活的三維空間少了一個維度,讓我們想像二維空間世界顯然比我們想像四維世界要簡單的多,如果二維世界和二維生物真的存在的話,在它們的眼中我們恐怕就像神靈一般了,我們甚至可以像神靈觀察世間一樣,處於一個上帝的視角,站在一個它們完全感受不到的地方進而觀察它們的一舉一動,在它們的世界中囚禁一個罪犯,只要畫一個圓弧把它關進去就可以了,可是我們就像神一般可以通過其他的維度輕易的把它們關進去的罪犯拿出來。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

在紙片人的眼中,我們又是什麼樣的形狀呢?

由於二維生物只能感受到平面上的事物,所以三維的物體在二維生物的眼中可能只有一個截面,假設紙片人只能看到我們身體其中的一個橫截面,那麼對於它們來說我們可能一直處於不規則的變化之中,比如站著和躺著的時候形狀是完全不同的,隨便活動一下形狀也都一直在變化,對它們來說它們完全不能理解我們的形狀為何如此變化多端,也完全不能夠理解為什麼我們能夠讓它們囚禁的罪犯輕易的越獄。對於不能理解的事情,人類往往歸咎於神靈,二維世界的紙片人應當也是一樣的吧。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

如果能夠解決二維生物看待我們的情況就不難理解四維生物在我們三維世界中會是什麼樣子的了

四維空間的生物對我們來說其實也同神靈一般,它們可以輕易地把我們所在保險柜中的金銀珠寶拿走,沒有任何人能夠完整描繪它們的模樣,因為它們的模樣也一直在不斷地變化,過了一會它很有可能消失不見,有一句非常悲哀的話,但是很有道理,想像一下,當你抬起腳殺死一隻螞蟻是多麼簡單的事情,而四維空間的生物想要弄死我們,也許比我們踩死一隻螞蟻還要簡單。

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黃媂結語·宇宙中的人類

我們依然生活在這個三維的世界中,提到的二維宇宙、四維空間以及其他維度的生命,目前來說都是理論上才存在的東西,在現實的世界中我們根本找不到,現實的世界中我們還是王者,所以大家沒有必要過度的悲哀。

這期文章主要討論了宇宙為什麼必須是三維的,科學家也舉出了很多假說來證明宇宙一定要是三維的才能適合生命的存在。可是在我們偌大的宇宙中,很多現象是我們完全沒有辦法解釋的甚至完全沒有辦法想像,也許整個銀河系也只不過是某個外星人手中的一顆棋子罷了,能力有限想像無限,也許正是我們對這個宇宙應該有的態度,因為畢竟未來的某一天,我們註定將會離開這個我們生存了幾十億年的地球,成為宇宙中的人類。

一個看似是很基礎但卻依然很深奧的問題——空間維度

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我是【黃媂】,【科普新星培訓營】95後女學員,今日頭條青雲計劃精選文章獲獎者。創作有關(天體生物學領域.太空生物學領域.科學.科技.科研.科普)的文章,歡迎點贊.評論.轉發.關注互相學習。