三维以外的空间维度存在吗?

2019年10月27日 00:44

宇宙真的存在超越三维的空间维度吗?

宇宙空间存在三维以外的其他维度吗?科学家也表示怀疑

数学中的四维物体——超立方体

或许存在,但在宏观尺度很可能是没有的。去年6月23日发表于《宇宙学和天文学》期刊上的一项新研究表明,即使跨越遥远的距离,宇宙表现出的维度跟我们在地球上感知到的也没什么两样。这项研究也将帮助科学家更好地理解“暗能量”(导致宇宙加速膨胀的神秘现象)的令人费解的本质。

宇宙空间存在三维以外的其他维度吗?科学家也表示怀疑

LIGO天文台

2017年10月,科学家使用激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了由两颗中子星碰撞所产生的引力波,这次事件编号为“GW170817”。该项目中也使用了传统的光学望远镜,让科学家可以同时探测引力波和光波。双重的测量使科学家能够获取宇宙的各类信息,其中就包括“宇宙的维度”。这次实验也为阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论提供了一项新的证据。

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宇宙暴涨模型

迄今为止广义相对论在描述我们的宇宙时是非常正确的,但仍有一事它不能很好地解释:为什么宇宙在“加速”膨胀?科学家为其背后的原因取名为“暗能量”,却无人知晓其本质是什么。为了解释膨胀,有一些新理论改进了引力,表示引力可能在超大尺度上的原理是不同的。其中的一些理论引入了额外的维度,这是可以通过引力波探测进行验证的。

大家之所以为改进引力理论付出巨大的努力,主要是被暗能量的神秘所吸引。他们试图找到一种办法,通过修改现有引力理论,来解释宇宙为何在加速膨胀。

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“膜”宇宙模型

根据这一类的理论,如果额外的维度存在,则引力波将“泄露”到其他维度,导致它们穿过宇宙时会减弱。前面提到的那篇研究报告中,科学家测量了引力波和光波从GW170817传播到地球所穿越的距离,但他们却没有发现衰减的迹象,所以也没有额外维度的证据。在GW170817事件之后,有很多改进版的新引力理论,通过计算引力波的速度可以确定它们的行程延迟。而2018年的这篇报道却打脸了这一系列理论。

该研究基本可以证明,从1公里到8000万光年的尺度范围内,宇宙都是三维的。此外,除非对我们的宇宙产生任何可见的影响,否则更大的尺度上宇宙也仍然是三维的。不过新的研究结果只是为大家排除了大尺寸的维度,目前并没有对弦理论(一种物理理论框架,认为万物都有微小而震动的弦构成)预测的10或11个维度加以限制。

宇宙空间存在三维以外的其他维度吗?科学家也表示怀疑

粒子物理学中的“标准模型”

研究人员还利用这些数据来计算“引力子”的寿命。这里的“引力子”指的是量子物理的标准模型为引力建立的一种假象粒子,认为引力的作用是由物质交换引力子产生的。类似的,标准模型中电磁力是由光子交换产生的,弱相互作用力由W和Z玻色子交换产生,强相互作用力由交换胶子产生。并且科学家认为引力子与希格斯玻色粒子有关,因为宏观规律上引力是与质量成正比的。回到寿命问题,他们计算的引力子寿命至少达4.5亿年,意味着这么长时间内,引力子不会衰变为更轻的粒子。由于一些新的引力理论预测到了这种衰变,所以引力子的寿命计算可以用来进一步验证这些理论。

总的说来,GW170817事件距离我们并不算远,站在宇宙的尺度看,这次中子星碰撞就发生在我们家门口。物理学家希望看到更远范围发生的事。因为宇宙太过浩瀚,局部的规律未必能反映全宇宙的真实图像,这些遥远的宇宙事件将为我们揭秘引力或暗能量是否会随时间变化。不过由于光速是有限的,意味着我们观察到的遥远事件也将是宇宙的“陈年往事”。

宇宙空间存在三维以外的其他维度吗?科学家也表示怀疑

紧凑的额外维度

目前的研究表明,宇宙空间其实只有我们熟悉的三个维度,另外的维度都存在于物理学家的理论中,还没有得到充分的实验验证。文中的研究报告也为我们排除了大尺寸的维度,但请科幻作家和幻想时间旅行爱好者不要伤心难过,毕竟额外的空间维度还可能存在于更小更紧凑的量子世界中。