為什么一致認為我們的宇宙是三維空間，而不是九維空間或十維空間呢?
近日，日本科學(xué)家為人們解釋了三維宇宙如何從原來(lái)的九維空間演變而來(lái)，他們利用超級計算機模型模擬我們宇宙的誕生。
在我們鉆研這個(gè)令人費解的問(wèn)題之前，先來(lái)了解一下它的背景。是一些非常令人信服的觀(guān)測證據已證明宇宙是如何誕生的大爆炸理論，包括宇宙微波背景輻射的測量和元素的相對豐度。宇宙學(xué)家解釋?zhuān)钪娲蟊ǖ膸酌腌妰?，它開(kāi)始存在，并形成一個(gè)小點(diǎn)。但對于這一點(diǎn)，無(wú)法用物理學(xué)來(lái)解釋。我們需要一種新的理論，把相對論與量子力學(xué)相結合，使對那一刻的解釋合理化。
物理學(xué)家在20世紀苦心拼湊起了一個(gè)合理有效的物理學(xué)“標準模型”。他們的模型作品不依靠額外維度，它將電磁與強和弱的核力量結合起來(lái)，并為大而嘈雜的亞原子粒子“家族”提供一個(gè)整潔的理論框架。但有一個(gè)張口狀的洞，標準模型不包括引力。這是為什么詹妮特 溫特森(Jeanette Winterson)的小說(shuō)《宇宙的均衡》(Gut Symmetries)中的物理學(xué)家朱庇特(Jove)把這個(gè)標準模型稱(chēng)為“飛篷布” ，“它大、丑陋、有用的，涵蓋了你想要的，忽略重力?！背依碚?Superstring theory)旨在堵塞那個(gè)洞。
根據弦理論家，我們每天經(jīng)歷全尺寸的三個(gè)空間維度，一個(gè)時(shí)間維度，以及在普朗克尺度揉皺的6個(gè)額外維度，就像皺巴巴的紙。弦是自然界中最基本的單位，在普朗克尺度中振動(dòng)。這些額外維度的幾何形狀，有助于確定弦振動(dòng)的共振模式。這些振動(dòng)模式?jīng)Q定形成的基本粒子類(lèi)型，產(chǎn)生我們周?chē)^(guān)察到的物質(zhì)力量。在原理上，與電場(chǎng)和磁場(chǎng)振動(dòng)產(chǎn)生整個(gè)光譜大致相同，或小提琴振動(dòng)的弦產(chǎn)生不同的音符。所有的物質(zhì)(和所有的力)都由這些振動(dòng)組成，包括重力。弦振動(dòng)相當于受重力作用的粒子。
廣義相對論現已量化，這意味著(zhù)弦理論可以用來(lái)探索我們的宇宙誕生的無(wú)限微小的點(diǎn)。還有一個(gè)問(wèn)題，就是額外維度，我們的世界只有三個(gè)維度。物理學(xué)家已經(jīng)設計出這個(gè)非常有說(shuō)服力的假設情況如何出現。大爆炸之前的宇宙是一個(gè)完美對稱(chēng)的九維宇宙(加上時(shí)間維度是十維)，四個(gè)基本力量在難以想象的高溫中得到統一。但是，這個(gè)宇宙極不穩定，并破裂成兩個(gè)，在雛形宇宙中發(fā)出一個(gè)巨大的沖擊波。其結果是分裂成兩個(gè)獨立的時(shí)空：我們所居住的展開(kāi)的三維空間，一個(gè)六維的時(shí)空劇烈收縮成一個(gè)微小的普朗克球。隨著(zhù)我們的宇宙的膨脹和冷卻，四大力量一個(gè)接一個(gè)地分裂，首先從重力開(kāi)始。今天我們所看到的一切都只是原來(lái)九維宇宙的一個(gè)碎片。
支持這一觀(guān)點(diǎn)的物理學(xué)家還不能確定為什么會(huì )發(fā)生這些變化，但他們懷疑這可能是由于令人難以置信的張力，以及需要維持一個(gè)超對稱(chēng)狀態(tài)，使不穩定的狀態(tài)穩定下來(lái)。試想一下，您家的床單洗了以后略有縮水。你設法把床單鋪到床的四個(gè)角，床單被拉得很緊，織物上充滿(mǎn)張力，拉到這個(gè)角，那個(gè)角的床單會(huì )蜷縮。跟床單一樣，原來(lái)的十維時(shí)空結構被拉長(cháng)，處于超對稱(chēng)狀態(tài)。但張力變大，時(shí)空就一分為二。其中一部分蜷縮成一個(gè)小球，宇宙破裂的余震使另一部分向外迅速擴展，這一時(shí)期被稱(chēng)為膨脹期。這成為我們現在見(jiàn)到的宇宙。
日本科學(xué)家的模擬結果表明：宇宙誕生之時(shí)有9個(gè)空間維度，但其中只有3個(gè)維度經(jīng)歷了擴展。這是一個(gè)三維的宇宙如何從九維空間出現的第一次實(shí)際演示，為理論的有效性提供了有力的支持。這一切發(fā)生的機制是什么?對于一個(gè)10維的宇宙，超對稱(chēng)性有數百萬(wàn)種的方式突破。新的模擬可幫助我們了解這個(gè)對稱(chēng)性破壞使宇宙成為目前的狀態(tài)。
日本科學(xué)家Jun Nishimura、Asato Tsuchiya 和Sang-Woo Kim 利用弦理論制定的矩陣模型(matrix model)解決了這個(gè)問(wèn)題。該設計模擬復雜的弦的相互作用。對于非常復雜的技術(shù)原因，矩陣模型和現實(shí)世界之間的連接有點(diǎn)模糊，主要是因為：第一，假設弱相互作用，其實(shí)弦之間的相互作用是相當強的;第二，運算中的時(shí)間變量不會(huì )在數學(xué)意義上被視為“真實(shí)的”。這些新的模擬假設強相互作用，并把時(shí)間當作一個(gè)真正的變量。因此，弦理論家現在有一個(gè)有用的工具用于分析超弦理論的預測分析，揭示膨脹、暗物質(zhì)和宇宙的加速膨脹等棘手的問(wèn)題，而這也解釋了為什么我們的宇宙看起來(lái)是現在的樣子。
聯(lián)系客服
