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我们为什么不能生活在异度空间?

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

  一直以来,关于异度空间、时空隧道的传说总是层出不穷,比如一辆满载乘客的地铁突然失踪;有人从这个地方消失,几十年后却又出现在另一个遥远的角落……当然,这些传说多半是不可信的。

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  事实上,物理学家也从理论上证实了,我们所熟悉的三维空间之外,还有多维空间的存在,每个新的维度都会打开一个新的空间。有人认为,如果打开第4维空间,我们就能随意穿墙而过,监狱就不能关住我们;如果打开第5维空间,我们就可以看到一个人从生到死的全过程,但是却没办法改变它;如果打开第6维空间,我们就可以回到过去的任意一个时间点,去改变未来所发生的事了,就像很多穿越视剧所表演的那样;如果打开第7维,我们就可以把时空卷曲起来,就像把铺在地上的毯子卷起来那样轻松自如,那样就可以在宇宙中瞬间从一个点到另一个点了,不管这两者之间相距有多遥远;在第8维以上,也许我们具备了上帝全知全能的能力,我们甚至能让自己长生不老。

  遗憾的是,这些都是我们无所事事时的幻想,在现实中,我们永远不知道4维、5维……的世界是什么样子,我们身处其中的这个世界,空间既不是2维、4维,或者5.2维,而刚好是3维的。我们需要问一问:我们为什么只能生活在3维空间,而不能在更多维的空间呢?

  我在,故空间必须3维

  目前,对这一问题流传最广的解释是:空间必须是3维的,否则,我们人类就不可能存在。那么,为什么空间倘若不是3维的,人类就不可能存在呢?

  首先,让我们来看看空间少于3维的情况。我们大脑的神经元是以错综复杂的3维结构连接起来的;我们的消化道是从嘴巴贯穿肛门的3维管道;我们的DNA是3维的双螺旋结构。如果一个生物生活在2维世界,别的且不说,要是它还像我们一样,需要进食和排泄,那么有一点可以肯定,它的嘴巴和肛门不能直接相连;否则,这样一个中空的通道就把它扁平的身体一分二了……从这一点就可以看出,在2维平面上生活是非常不容易,非常难以想像的。

  其次,维度还涉及到基本作用力的问题,而基本作用力则关系到恒星、行星或者原子、分子能否稳定存在。

  在我们这个3维世界,两物体之间的引力与距离的平方成反比。在2维世界,“引力”与距离的一次方成反比,而在4维世界,与距离的三次方成反比。

  根据物理学上的简单证明,如果引力与距离成反比,行星与其所在的母恒星之间的引力就会变大,行星很容易掉到恒星里去;而如果引力与距离的三次方成反比,行星就会很容易脱离恒星,飘荡到宇宙空间去。无论哪种情况,形成的恒星-行星系统都是极不稳定的。

  同样的后果也适用于原子。维系原子的静电力,在我们3维世界,跟引力一样,其大小也与距离的平方成反比。如果在2维或4维世界,“静电力”与距离的一次方或者三次方成反比,“原子”也是不能稳定的。既然“行星”和“原子”都不能保持稳定,那就遑论出现高级的智慧生命了。

  所以说,为了确保我们的存在,为了确保我们今天能站在这里问“空间为何是3维的?”,我们生活于其中的空间必须是3维的。

  量子纠缠和它的专一性

  但是,并非所有人都满意这个回答。在有的人眼里,从人类自身的存在出发来考虑宇宙问题,是非常危险的。一个例子是,古人相信地球是平的。如果问他们为什么,他们会信誓旦旦地说,地球要是不平,人就站不稳;譬如地球要是圆的,那住在我们对面的人就要掉下去……但事实上,地球就是圆的。

  所以,有人希望为“空间3维之谜”寻找更客观的答案。加拿大理论物理学家马卡斯・穆勒就是这样的求索者之一。他认为,答案或许就藏在我们的鼻子底下,藏在现有的理论――量子力学之中。

  量子力学是人类迄今建立的最成功的理论,它自创立以来几乎所向披靡。在量子力学所描述的诸多怪异现象中,有一种被爱因斯坦称为“鬼魅似的超距作用”,它就是量子纠缠。

  什么是量子纠缠?举个例子。有一个粒子,它的自旋为零。现在它一分为二,变成了两个粒子。因为角动量守恒,这两个粒子中倘若一个自旋朝上,另一个必自旋朝下;接下去,把两个粒子分开,比方说一个在地球上,另一个在10亿光年之外。如果我们通过某种操作把地球上那个自旋朝上的粒子改为自旋朝下,按理说,另一个粒子至少要过10亿年才能感知地球上这个粒子的变化――因为信息的传播需要时间。可事实并非如此。只要地球上的粒子一变化,另一个粒子立刻就能感觉到,并对自己的状态做相应的调整,使得两个粒子组成的体系始终保持角动量守恒。

  量子纠缠不仅已经被实验证实,而且还是量子通讯的基础。目前科学家已经能够让两个纠缠粒子在相距数10千米的情况下实现量子通讯。

  量子纠缠还具有专一性,即一个粒子一次只能跟一个粒子纠缠,譬如粒子甲和乙发生纠缠了,那么,在这个时候,它们就不能再跟其它粒子纠缠了。量子纠缠的专一性也已被实验证实。

  穆勒解决这个“空间3维之谜”的出发点是,想看看,在更高维的空间,能否保证量子纠缠以及它的专一性。经过对高维空间的复杂的数学演算,穆勒得出结论,量子纠缠现象在任意维的空间都存在,但只有在3维空间,量子纠缠才具有专一性,在更高维空间,专一性就被破坏了。譬如,在4维空间,1个粒子可以同时跟2个粒子发生量子纠缠。所以,为了确保量子纠缠的专一性,空间必须是3维的。

  也许没必要为这问题去伤脑筋

  我们可以用人类的配偶制来对此做个不太恰当的比喻。人类基本上是实行单配偶制,即“一夫一妻”制的。为什么会这样呢?最根本的原因在于,人类在生理上只有男女两种性别。要是人类有3种或3种以上的性别,那么,更合乎自然的也许就是多配偶制,而不是单配偶制。所以,只有当人类的性别只有2种时,才能保证单配偶制是我们家庭的普遍组织形式。以此类比,空间也只有3维时,才能保证量子纠缠的专一性。

  不知道你被穆勒的证明说服了没有?至少大多数物理学家没有信服。他们警告说,做这类证明时,得万分小心,因为我们很容易在自己都意识不到的情况下,把本该需要证明的东西当作前提来使用,那样的话,得出的结论就毫无意义。就好比要证明一间房间里有没有耗子,但一个人衣袋里事先就藏有一只耗子,当他把衣服脱了放在房间里,等会儿再穿时,发现里面有一只耗子,就大叫道“哎呀,这个房间有耗子”,那无形中他把自己都骗了。

  此外,就算证明是严格的,这个结论也还是不够让人信服。因为在我们看来,量子纠缠的专一性只是一种特殊的物理现象,而空间维数却是个客观世界根本性的大问题。现在他说“为了确保量子纠缠的专一,空间维数必须是3维的”,倒好像“量子纠缠的专一性”比空间维度问题更为根本,后者要为前者“保驾”。我们不禁要问:难道“纠缠是否专一”真的如此重要,以至于凌驾于空间的维度问题之上?

  有物理学家干脆认为,“空间为何是3维的?”这个问题是如此根本,也许是物理学本身所无法回答的,所以我们也就没必要为此去伤脑筋。

    
    

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