高维空间是否真的存在?而人类又能否理解更高的维度?
1. 在这张图中你的第一反应会认为这是一个由六个三角形所组成的六边形。当我们将图像旋转后便会发现这其实是一个立方体,在这一过程中图像也从二维转化到了三维。但如果图像并未旋转,我们则根本无法感知到这其实是一个三维图形,所以低维度的生物很难理解更高维度的世界。
2. 我们所认知的物理宇宙其实是由三个宏观的空间维度与一个时间维度所组成的四维时空。由于爱因斯坦广义相对论中的引力场方程描述了整个四维时空中弯曲度的区律张量以及物质分布的能量动量张量,从而描绘了整个宇宙的运行状态,所以当时人们认为高维空间并不存在。
3. 在科学家们通过反复的研究和实验发现一个现实世界中并不存在的神奇瓶子:克莱因瓶,就符合四维空间的相关理论。而这种高维度瓶子的结构也与爱因斯坦理论中那个有限但无边界的宇宙结构十分相似。如果宇宙真的是如同克莱因瓶的结构,就说明宇宙的维度并不仅仅局限于我们所看到的三维空间,它很可能存在更加高级的维度。
4. 那么人类又能否感知到更高的维度?虽然在经典物理学中宇宙空间仅仅只有四个维度,但在数学上维度则根本没有限制,因为它代表了某一事物的变量数。
5. 一九一九年数学家西奥多卡鲁扎将电磁场进行数学化后,在原本四维时空的基础上增加了额外的第五维度,以此来容纳和电磁场有关的变量,从而将电磁场纳入引力场中。这就是人类第一个高维度宇宙模型:卡鲁扎克莱因理论,并以此开创了多维空间的理论先河。
6. 之后在基于卡鲁扎克莱因理论的五维模型下,现代物理学先后提出了拥有十维空间的弦理论以及需要十一维或更高的维度才能完整描述宇宙运作方式的 m 理论。虽然我们可以用抽象的概念和符号来描述更高的维度,但由于我们的三维感知和思维方式限制了我们对高维度世界的理解,从而使得我们对于高维度的理解变得非常困难,甚至可能永远都无法理解。