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科学家发现宇宙或存十个维度,探讨生与死的新视角

物理学领域有两大基石:一是《广义相对论》,它阐释了天体在宏观层面的行为,例如行星的运动、光线的弯曲及黑洞的形成;另一是《量子力学》,聚焦于微观世界,解析原子运动、粒子交互和作用力的来源。这两种理论在各自的领域内无可非议、精准无误,但物理学家们始终感到不安,因为尝试将《广义相对论》和《量子力学》置于同一公式中的尝试,结果往往是无穷大的运算——意味着无法得到有效的信息。这一矛盾困扰了科学家长达一个世纪,甚至比任何实验的失败都更令人头疼。爱因斯坦在晚年花了三十年的心血试图解决这一难题,却未果。他的遗留理论仍在普林斯顿高等研究院的黑板上未曾被擦去。

1984年,局面开始转机,物理学家格林和施瓦茨提出了超弦理论,建立了一套新的理论框架。他们宣称宇宙中根本没有所谓的点粒子,电子、光子及夸克,皆是极其微小的弦。就像橡皮筋一样,这些弦在振动时会生成不同的粒子:慢振动对应电子,快振动对应光子,另一种振动则可能演化成构成我们骨头的质子。这个新颖的设想大大简化了以往复杂的粒子类别,并且将引力整合进来,引起了科学界的轰动。

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需要指出的是,超弦理论至今仍是一种自洽的数学模型,尚未有实验能够验证其真实性。格林在一次访谈中回忆,那年夏天,他与施瓦茨在普林斯顿的一间小办公室里连续推导了六周方程。有一天晚上,施瓦茨在黑板上写下的一组对称群引起了他们的注意,因这组公式的两端首次完美相等,瞬间他们意识到朝着正确的方向迈进了。然而,超弦理论有一个苛刻的条件,要求其数学结构存在于十个维度之中,否则无穷大的难题将重新出现。

在我们所熟知的三维空间(长度、宽度、高度)加上时间,合成四维时空的基础上,剩下的六个维度则被理论认为是蜷缩在微小的空间中,甚至小到比原子核还要小得多。由于其规模超出可见光的范围,因此我们无法直接观察到这些维度。数学家卡拉比和丘成桐为此设计了一种复杂的几何形状来描述这些折叠的空间,后来被称为卡拉比-丘流形。这可以想象成是一张大型报纸被揉成比针尖还小的球体,报纸上的每个褶皱则代表额外维度的栖身之处。不同的折叠方式将导致不同的宇宙物理法则。有的折叠会使光速提高,有的则可能导致引力加大,甚至有些折叠无法形成原子。我们的宇宙仅仅是这诸多折叠方式中的一种稳定状态,如同从一副扑克牌中随机抽取一张。

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在超弦理论中,这种多宇宙的构想被称作宇宙景观。据学术界估算,卡拉比-丘流形可能的折叠方式高达10的500次方。这个庞大的数字意味着什么呢?可观测宇宙中的原子数量大约为10的80次方,因此10的500次方的数量级远远超过了我们可观测到的宇宙的规模。理论上,每一个折叠方案都对应着一个具有不同物理法则的宇宙,而我们恰好处于某种折叠方案之中。那么,十维空间的完整状态究竟是什么样的呢?在这个理念框架下,时间并不是线性流动的,过去、现在和未来就像整整一副扑克牌齐齐铺在桌面上。你三岁时摔倒的那一刻、十八岁时的考试、四十岁时吃的泡面和八十岁时病房窗口的夕阳,皆在同一张桌上同时存在。由此,你的生命也不再是从出生到死亡的线性进程,而是一个完整的环形;你可以同时看到婴儿时的你与老年时的你。活着的你和已故的你并不是对立的,而只是同一整体上两个不同的节点。

关于六个维度是否真实存在,实验物理学家并没有止步不前。在瑞士日内瓦的地下,有一条长27公里的环形隧道,是欧洲大型强子对撞机的所在地。科学家将两束质子加速至接近光速,并发生碰撞,这一瞬间的温度超过太阳核心的十万倍,相当于将整个太阳的热量压缩到一个原子核的大小。如果这些额外维度确实存在,理论上在撞击中一定会有一部分能量像水漏进缝隙一样,消失到蜷缩的维度中去。因此,探测器若记录到能量的消失,这将是一个重要的线索。2025年,这台对撞机将完成重大升级,新探测器的能量分辨率提高了三倍到达何种程度?它甚至能捕捉到一只蚂蚁在桌面上爬过时产生的动能变化。然而,到目前为止,屏幕上没有显现过明显的“漏水”信号,但每一次干净利落的碰撞都在排除了成千上万种可能的蜷缩形式。因为排除本身也是一种进展,犹如在黑暗的房间中用手电寻找物体,照射到一个角落就能确认那里是空的,搜索的范围逐步缩小。

事实上,每一次对时空本质的革新,最终都对普通人产生了深远影响。麦克斯韦方程刚面世时,谁能想到它将引领无线电及手机信号的诞生;同样,当爱因斯坦提出质能方程时,没有人能预见它将应用于核磁共振和PET-CT技术上。如今,黑板上的超弦理论,或许在未来五十年后,将转化为你手表中芯片的底层计算基础。

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