宇宙的终极理论？弦理论以及它的11维时空

我们是怎么认识世界的

人类认识微观事物的过程

在我们认识事物的本真并且也有能力近距离观察事物的时候（显微镜、电子显微镜等等），我们逐渐发现所有物质都由分子组成，而又发现其由更小的原子组成，而原子又能再分为原子核与电子。在相当长的时间我们一度认为原子核是构成我们世界的基本单元，直到我们用大型强子对装机将其互相碰撞产生出一些列的基本粒子。

粒子对撞产生基本粒子

于是我们想进一步的研究基本粒子，但这时候问题来了，由于基本粒子太小，我们无法用肉眼观测到它们。也许你会说它再小又怎么样呢，加大显微镜的放大倍数不就行了么？也许还真没这么简单。

想一想我们要做的任何观测是不是都要用到光（电磁波），这些电磁波击打到物体上再反射回我们的眼睛被我们所观察到，人体通过感受这些携带信息的电磁波认识到事物的本貌。而基本粒子由于太小（如果一个原子核是太阳系，那么基本粒子就是地球上的一棵树）无法被电磁波所击中并反射。这时候你可能会说那我加大电磁波的频率（能量）让它能击中基本粒子不就行了？还真没那么简单，你击中是击中了，不过你自身所携带的能量大，其被高能电磁波击中性质发生改变也就不再是原来的基本粒子了。该经典现象被称为“海森堡测不准原理”，是物理学中十分重要的现象，也是量子力学的理论的基础。

海森堡测不准

说到量子力学，其认为构成我们宇宙的所有基本粒子都是空间上的一个特定电荷量与质量的点，然后其相互产生作用，这就是电子场论。它解释了很多问题，该理论认为各种基本粒子产生出不同的力相互作用构成了如今我们的宇宙。一切都似乎顺理成章合乎情理，不过它却对解释四大基本力之一的引力（重力）毫无办法。

四大基本作用力

在认识世界的过程中我们认为宇宙中存在的万事万物都是由基本粒子（当前公认）组成，而运动是绝对的，静止是相对的，运动就存在粒子间的相互作用--作用力。所以粒子在空间尺度上的相互作用力促成了我们所在世界的关键。

在当今科学研究中已知宇宙中存在四种基本作用力，下面让我们简单易懂的介绍下。

①强核力S（目前所知四种基本作用力中作用力最强的，就如强力胶水般存在于每个原子钟，将质子与中子粘在一起形成原子核。）其有多强大呢？我们通过破坏该强核力，释放出强核力将原子分裂，该过程就是原子弹爆炸。其威力想必大家已有所耳闻了。

使原子核形成的强核力

②弱核力W（将中子转化为质子，其现象便是辐射衰变，恒星中的氢聚变的过程就是由它启动）。

③电磁力EM（最形象的例子便是当你推一个物体的时候该物体反作用给你一个排斥力，而这个力便是电子产生的排斥力，也就是电磁力）。

电子间的互相排斥

④引力G（相较于电磁力等是一个相当弱的力，不过在宏观尺度上如星球间的引力来说，其又显得尤为重要，爱因斯坦的广义相对论更多的将引力看作一种类似于舞台的几何空间，宇宙今天结构的形成与引力密不可分）。

质量大的星体对时空造成的弯曲

针对宇宙间的四大基本力以前我们主要用到两种理论来解释：

①广义相对论：主要适用于研究宏观宇宙尺度上的物质，所以其重点解释了宏观物体间的引力。

②量子力学：在研究微观尺度上的物质时显得尤其适用，较完美的解释了强核力、弱核力与电磁力。

在上一节中我们提到了“海森堡测不准原理”，这一原理是量子理论中的核心基础，用量子力学来解释微观世界中的“强核力”、“弱核力”、“电磁力”再合适不过，不过量子力学却对“引力”的解释显得捉襟见肘。在很长一段时间里我们不能从原子与亚原子等微观层面（也就是量子力学）对其进行解释，而爱因斯坦的广义相对论可以。

爱因斯坦的广义相对论认为重力区别于其他三种作用力，重力就如一个几何空间，例如一个蹦床，质量大的物体（如星球）能将其弯曲或延展，而这种在时空尺度上的弯曲或延展使两个物体互相靠近沿着另一物体对时空的弯曲形成的轨道进行运动，形成了我们所感受到的引力。

有质量的星体弯曲时空使我们感受到引力

而同样广义相对论解释了引力却不能解释微观尺度上的电磁、强核力与弱核力。这显然是不合理的，因为我们存在于一个宇宙，应该有一个普遍适用的物理学规则，那么有没有一个理论能同时包含量子力学与广义相对论的永恒理论呢？弦理论应运而生。

玄理论，万物的终极原理？以及其涉及的11维空间

在以前，主流科学认为粒子是点，和弦一点也不搭边。科学家们都是通过将粒子进行高速对撞后产生的各种微小粒子进行研究，随着对撞后产生的粒子种类增多，科学家们意识到自然界比他们想象的来得更复杂，几乎每个月都能产生一种新粒子，在对粒子的研究中科学家们提出了统一电磁力、强核力以及弱核力的标准模型以及量子力学，不过却不能统一我们所熟知的一种力——重力G。

1968年左右，一位意大利年轻的物理学家，在寻找一个描述强核力的物理公式时，无意中在一本古老的书中发现一个200年前的旧方程式（欧拉方程），而它似乎能用来描述强核力（从数学的角度）。而该公式通过学者间不断的流传最终来到一位美国物理学家Leonard Susskind面前，他通过不同的方式摆弄该方程，发现一些奇妙的结构，此方程在描述一种存在内部结构且能震动的无质量的粒子，就如弦一样能收缩、延长与摆动。而其被认为是构成这个世界的基本粒子。

弦理论对四大作用力的统一

此理论完美的解释了四大基本力之一的重力的运行过程，且与其他三种基本作用力进行了统合（即用该理论可以完美解释我们宇宙中的四大基本作用力）。

该理论曾被寄予厚望认为是可以解释一切事物的终极理论，它较为完美的描述了所有作用力与物质的运行关系。从极其微小的基本粒子到星球再到浩瀚无垠的星空，从时间的开端至结尾，一切尽归此理。

弦理论研究面临的问题

既然弦理论是解释宇宙的“真理”那我们理解了它是否就能理解宇宙间的万事万物以及运行规律了呢？世界也许就是这么奇妙，当你以为即将了解到宇宙的本源的时候总是会伴随着新的问题的产生。要使弦理论繁杂的方程式可解需要使我们的空间增加到10个维度（不过在M理论出现后弦理论被增加了额外一个维度变为11维，即10维空间加一维时间），而这时弦显现为一个扭转转曲的复杂微型结构。

根据弦理论，形状决定一切，而它是如何卷曲成如此独特的形状的？如果我们能缩小并了解到弦独特卷曲方式的六维结构里，弄清这些结构是如何扭转弯曲相互交叠，就能知道到弦是如何运动与震荡的。而这可能就是揭开宇宙神秘面纱的关键。

扭转卷曲的弦

而我们要揭开弦理论的面纱，其中最关键的就是理解多维空间以及其数学模型，进而从数学的角度来计算出弦的不同震动所代表的含义（就如我们的DNA序列一般）。

什么是维度空间

上文说到我们在认识宇宙本质的时候发现了弦理论，而理解弦理论的关键在于理解其在高维空间上的扭转与卷曲，并最终从数学上得以解答。

首先说明这里提到的维度空间仅仅是欧基米德提出的几何意义的多维空间与闵可夫斯基的高维时空是两个截然不同的概念。

在介绍多维空间之前首先让我们举几个都能理解的维度空间的例子。也许大家都听过这样一个例子来介绍我们的多维空间：

零纬空间：一个点。

一维空间：一条直线（过一点能做与这个点垂直的直线的空间）。

二维空间：一个平面（过一点能做出两条相互垂直的直线的空间）

三维空间：一个立体空间，拥有长宽高（过一点能做出三条纬互相垂直的直线的空间）

众所周知三维空间是我们所生存的世界，我们都是三维生物，所以对于三维以及三维以下的空间事物都能理解（其实并不能真正认识的三维）。这时我们不禁会想，四维空间、五维空间甚至于更高维的空间又是什么样子的？

现在让我们分别来探讨下各个维度的空间。

低维空间

这是所指的低维是相对于我们人类所处三维空间而言，即二维，一维，甚至零维。

举个例子我们看见一个球，无论它所做何种运动，在我们眼中它仅仅是一个球面（二维），即可以说我们三维生物是用二维的方式来感知事物的。既然我们能用二维的方式来感知事物，那么我们就能看到（二维）事物真实的样子。

同理二维生物能感知到一维事物真实的样子却不能认识到二维事物真实的样子。（例如一二维生物看见一线段逐渐远离自身，本来线段是会变短的，不过这时候我们把线段拉长，其观测到线段的长短无变化不认为其在远离自身，认为该线段无任何改变）

二维生物与三维生物“对话”

换言之作为三维生物的我们从某种程度上讲，也不能认识到我们所处世界的真实模样。

而当一个四维生物以三维的方式来感知我们（三维）的世界，它就可以看穿事物，看到物体（三维）本来的样子，同时看到一个物体的上下左右外部内部，每个细节都一清二楚。

四维空间

顺着以上思路推论，我们不难得出四维空间就是过空间中任意一点能做出四条互相垂直的直线。

我们也可以换个思路想一想。

①零维：一个点。

②一维：由无数的点组成的线。

③二维：由无数线组成的面。

④三维：由无数面组成的立体空间

顺着思路四维即是由无数个三维空间组成，不过那不是简单的堆砌更多三维空间（就如同二维平面增大面积一样），那还是三维空间。

是不是很难想象那是一个怎样的场景？正常，因为我们是三维生物，我们的大脑感官只能感受平时的三维空间，就像二维生物理解三维空间物体或者生物一样，所看见的仅仅是三维物体在二维空间的一个投影，是局部、片面且不完整的，不能认识到其真实原本的样子。

对于四维空间最有名的例子就是超立方体了，为四个互相嵌套的立方体，其所有的邻边都相互垂直，所有的对边都相互平行，每个顶点有四条线相连（相互垂直），有点像如下图所示，而这只是在我们三维的一个投影而已。

超立方体

我们无法知道或想象超立方体的模样（只知道其定义），或者任何一个四维空间物体，因为由三维物质组成的我们的三维感官不能想象与感知四维空间的事物（只有四维生物能感知），同时我们对三维空间的感知也是不全面的。

对高维空间的思考

针对四维或以上得高维空间，许多物理学家认为维度是非常轻微的针对上一个维度得弯曲。

这个理论的一大依据是认为没有任何事物是真正绝对无限的，让我们把视角回到维度。

①一条直线，当其一直延伸经历了非常遥远的延伸后，它最终会变成一个圆，就如我们人类向前走一般，无论其行径路线为何最终会回到起点，也就形成了一个面，即二维。

②而一个面，如果你将其无限扩展，其必将经历极其轻微的弯曲，最终会形成一个球体，即三维。

③同理我们的三维空间经极大扩展后也会形成四维宇宙。

通过以上不同视角的思考，我们也基本可以得出以下共识：低维空间总是存在于高维空间之中，无数的低维空间组成了高一维度的空间，以此类推。

高维时空与高纬空间

高维时空与高维空间是两个截然不同的概念，上文中对高维空间做了一些简单的介绍，相信大家有了一个基本的概念。下面来说一说多维时空。

高维时空

①四维时空（三维空间＋一维时间）：我们是四维生物，而随着时间的推移世间万物都在变化，而我们所感受到的每一刻发生的事件组成了我们的人生。三维生物只能看到每一个时间点所发生的事，这就是我们的三维时空。

我们所处的四维时空

②五维时空（四维空间＋一维时间）：简单地说，假如有四维生物，那么处于四维时空中的生物能一眼看到一个人一生的整个全貌，经历的所有事，就如由每个时间点发生的事情组成的整个人生（一条线）。

我们所感受到的仅仅是5维时空的一个切片

③六维时空（五维空间＋一维时间）：按照低维时空处于高维时空之中的规律，可以看出五维时空即是包含了人在世间不同可能性的集合（并性），例如根据一个人不同的选择他可能成为医生、律师、老师、工程师等等。包含这一切可能性的多重人生的集合（一个面），便是五维时空。同理，如果有五维生物的存在，那么它一眼看去能看尽四维生物的我们不同可能性的多种人生。

一个人的不同可能性

④高维时空（高维空间＋一维时间，此时跳过7、8、9维空间直接来到高维）：到了这个地步也许就有点难以设想了，在高维空间与时空总是包含着低一维时空的无数种可能性这一原则的前提下我们不妨设想，我们生活的这一宇宙还有其他的平行宇宙，那些宇宙拥有不同的物理规则。而高维时空就是包含了我们所在宇宙的不同物理规则宇宙的集合，也就是流行的多元宇宙论。

关于多元宇宙的假说相信大家也有所耳闻，而这在弦理论中被用数学计算出来，我们的宇宙存在于11维空间这层巨大的膜上，此外还存在其他宇宙所形成的膜。如果弦理论真的成立它也能解决大爆炸之谜。

弦理论与它的11维时空

说完了高维时空空间，让我们回到解释万物的弦理论。

很多科学家认为高纬度是存在的，因为它们是由弦理论公式计算出来的，弦需要在多于三维的空间中运动。而根据弦理论方程式认为世间存在11个维度（10个空间维度与一个时间维度），我们只看到其中的四维时空（三维空间＋一维时间），我们看与感受不到更加高维的空间，因为由三维空间物质构成的我们的感官只能观察到到三维空间的物体。

而如果十一维确实存在，通过方程式计算出来后，它们看起来就像薄膜或面，它使单根弦延伸成了薄膜，膜可以是三维也可以是更多维的，给它足够的能量它可以变得和宇宙一样巨大。巨大薄膜与额外维度的推论存在，会得出一个令人惊奇的结论，那就是我们的宇宙存在于一个更大更高维空间的薄膜上。

弦理论中的宇宙大爆炸

现在普遍认为的宇宙大爆炸学说认为在宇宙诞生之初，宇宙是一个极小的点，而大爆炸拉伸延展了宇宙的空间结构，变得非常大并引发了一连串的反应形成我们今天所熟知的宇宙

宇宙的开端

再让我们回到宇宙爆炸之初那极小的一个点时，当一个点包含无限大的密度时（就如黑洞），我们所熟知的物理规则将不复存在，所有的物理公式变得不再适用与无意义。让我们用弦理论的方式来认识解释宇宙的起源。

一些弦理论学者认为大爆炸不是起源，在大爆炸前我们的宇宙已经是如今这样，只不过我们所居住宇宙的薄膜与更高维度其他宇宙的薄膜彼此靠近然后发生碰撞发生能量大交换即宇宙大爆炸。

而更加激进的说法是宇宙成为如今的模样并非只经历了一次多维宇宙间的碰撞（大爆炸），而是周而复始的发生。按照此理论，将来也必将发生宇宙大爆炸。

不同膜宇宙间的相互碰撞

不得不承认这是一个很有创意的理论，如果弦理论真的正确，那么大爆炸也就能如此解释。不过看似能解释一切的弦理论也有自己的问题，我们都知道科学来源于数学猜想与实验验证，而弦是如此的小，导致我们观察不到实验结果（海森堡测不准原理）也无法验证其正确性（未来利用引力波也许有希望），科学与科幻（哲学）在此刻模糊了界限。

科学精神是实事求是，反复验证的过程，为使弦理论不至于变成哲学范畴我们人类又做出了哪些努力与尝试呢？

人类尝试验证弦理论

在说验证实验之前先让我们明白以下两个常识进而理解其验证原理。

我们认为构成我们所有物质、力、光等的是弦，弦的不同形状与其独特的震动方式构成了不同的东西。而经由弦理论的数学计算得出：

①构成我们光与物质的是由开环的弦组成，所有弦的末端被束缚在三维的膜上（像不像四维物体在三维空间上得投影？）。

②产生引力的引力子是由闭环的弦组成，由于弦没有末端可以连接，所以产生引力子的弦可以自由穿梭于其他维度，消失在我们所处的三维空间中。上文提到宇宙间的四大基本作用力之所以引力比电磁力（或其他力）小这么多，就是因为产生引力的闭环弦穿梭于多维度进而稀释了其强度。

而刚才提到弦的第二点也就是引力子可以自由穿梭于多维时空的特点，费米实验室用其核粒子加速器将剥去电子的氢原子质子加速到接近光速，然后使其与反向运动的粒子相互碰撞，一旦碰撞成功（正碰），此时会产生大量的亚原子粒子。而科学家想通过该过程中引力子的出现进而消失的过程（飘散进其他维度）来验证高维空间的存在，在此过程中也间接支持验证了弦理论。

针对引力子逃逸到其它维度的特点，也有不少科学家做出猜想引力在我们世界之所以表现得如此微弱正是由于其逃逸到其它维度被稀释的原因，进而对于微观尺度与其他维度事物的探知甚至沟通，科学家们也在尝试通过引力来实现。

遗憾的是目前这一现象还没有被发现，不过有望在新建的欧洲核研究委员会的实验室中成功（更新型核粒子加速器LHCb，比费米实验室的设备强大7倍）。

此外还有一种物质被称为“超对称性物质”也是科学家们全力寻找的，这是弦理论的核心预测。简单地说变对称性理论是指对我们熟知的每个亚原子粒子（如光子、电子、引力子），都会有更重的“超对称粒子”与之伴随，而欧洲核研究委员会的新型大型核粒子加速器LHCb也将对其进行验证以支持弦理论的验证。

对弦理论的思考

无论弦理论是否正确，我们建设了更为强大的核子对撞机与各种先进物理实验设备，这些设备在将来的十到二十年里必将使人类更进一步发现宇宙本质令人惊奇的秘密。

从理论上来讲任何未经实验验证过的理论都会有错误的可能性。我们认为弦理论的前景如此美好，从宏观到微观整合了广义相对论与量子力学，而且它的形态都是由数学所推导出来有理论支撑的。很难想象它是完全错误的，最大的可能是我们对它的认识还不够充分。

就像我们掌握了船的运行原理一样，古人通过木头切割造船并用桨使其产生向前的动力，这离我们今天的航空母舰差别还很大（动力为核动力、复合钢板制成、丰富的流体动力学、材料学、电力自动化系统等等），不过其基本原理是相同的，走在了正确的轨道上。就如弦理论发展向超弦理论一样。

结语

我们不知道人类离真正认识世间万物的本质还有多远（就像认识人类为何形成如今的模样一样（由DNA参与编码）），科学是一个提出对存在现象的假设，承认自己的无知，并通过反复尝试试验求解的过程。

一个世纪前，大多的科学家认为他们已经了解了宇宙的运行规则，但爱因斯坦以及其理论的出现颠覆了他们对时间、空间与引力的认知。而之后量子力学的出现揭示了物质在亚原子级微观层面上的运动，展示了一个变化多端的奇异世界，并补充了广义相对论。虽然如今我们用弦理论统一了上述二者，看似完美，不过科学就是这样，当发现一个新理论揭示其运行规律时往往会发现我们世界运行的另一面（而该问题往往还非常奇异）。所以我们离弄清所有的真相还很遥远。也许正如古人所说“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”

人类探索未来的脚步从未停止

不过至少我们的方向与现今任务（认识世界本源方向）已在眼前（弦理论、超对称粒子、平行宇宙、乃至更高的维度），以上随便一个被成功验证都是值得全人类欢呼的大事。

人类生而拥有好奇心，古往今来好奇心一直驱使着我们探索未知世界，而人类的感官是由自然选择（先这样假设吧）进化而来，其泛化能力的获取也经历了漫漫长路，你和动物眼中展示的是截然不同的两个世界（从某种程度上来说，人是不可能真正认识所处世界的）。所以很难在认识事物上客观而全面。

几百年后的科学界再回顾人类历史上如今对于世界本质的理解几乎可以肯定的说是片面不完整，甚至荒唐的。不过那又有什么关系呢，至少如今人类用自己的聪明才智将解释世界的宏观与微观两套理论通过弦理论进行了数学上较为完美的解释，是人类创造力的体现。