如何理解多维空间，多维空间如果真的存在的话，会是个怎样的感觉

多维空间的存在形式人类根本无法理解如何理解多维空间，也无法想象。在多维空间中，人们看到的景象基本都是时空错乱之感。不像在我们三维空间，平面就是平面，立体就是立体，多维空间中似乎所有的物体都发生了某种扭曲和折叠。以下是想象中多维空间可能存在的样子：

图：空间发生扭曲，似乎没有内外之分，空间错位。

图：高维空间中立方体的样子，似也没有内外之分。

图：高维空间中的克莱因瓶。瓶子并没有内外，水从瓶口流入，也从瓶口流出。

图：高维空间中时空弯曲错位。

以上大致就是处于高维空间的感觉，因为我们是三维生物。所以看着一切都是不可思议，充满了时空错位的感觉。但其实在高维生物眼中，一切都很正常，因为他们的大脑是多维的，所以他们可以理解并处理这些高维下的信息。而我们人类就不行，完全无法理解。就像二维生物看我们三维物体一样，感觉充满了不可思议。

未来人预言？弦理论的大统一多维空间是怎样的？

★未来人预言超弦理论、弦理论只是停留在纸上谈兵的理论，弦理论是理论物理学史上辉煌思想之一，也是我们最失望思想之一。弦理论是否可以得到大统一还是一个未知数，因为科学界泰斗们的智力比普通人高N倍。一个固化了的理论让别人改变不是一朝一夕的。如果弦理论证明是正确的，那就意味着在我们熟悉的四维空间之外，还有一些看不见的维度，但这些更高的维度在哪里呢？就是说弦理论也是比较抽象的。因为每当科学研究遇到瓶颈后，会有一个天花板。

而弦理论是现代理论物理的一个分支学科，弦理论认为自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小的的线状的弦，由弦的不同振动和运动产生出各种不同的基本粒子。目前，弦理论是相对论和量子力学后最具有说服力的学说。

再者说到弦就使人们想到高维空间。科学家们的这种弦理论从根本上推翻了牛顿的经典力学和麦克斯韦方程组、爱因斯坦的相对论。因为牛顿力学、麦克斯韦方程组和爱因斯坦他们对空间纬度没有任何限制。

美籍日裔物理学家南部阳一郎从20世纪60年代开始研究亚原子物理学，提出了弦理论。他通过计算发现光子的质量不为零，经过多方面验证发现在计算某些事件概率的时候，出现了大于1或小于0的情况，而这是违背爱因斯坦的狭义相对论的。按照正常逻辑，一件事如果必然发生，它的概率就为1；如果绝对不会发生它的概率为0；所以大于1或者小于0的概率是没有任何意义的。

后来科学家们发现，如果把这些计算放到更高维度的空间中时，就可以解决这个概率问题。经过计算这个空间竟然需要25维（计算过程依然依赖于光子的质量为0，弦理论的光子由弦构成，故，光子的质量等于这根弦的最低能量加上振动能量），也就是说当空间存在25个维度时，弦理论才能正确的描述宇宙中的实际现象。

★现代物理学的目标之一：构建一个量子修正是有限，并且可以计算的量子理论。换句话说，爱因斯坦的引力理论允许宇宙中形成虫洞，这可能有一天会让我们在银河系找到捷径。但是爱因斯坦的理论不能告诉我们这些暗物质、虫洞是否稳定。为了计算这些量子修正，我们需要一个将相对论与量子力学理论相结合的理论，它就是弦理论。

★到目前为止，解决这个问题的主要(也是唯一)候选者是弦理论，它认为宇宙中的所有物质和能量都是由微小的“弦”组成的。弦的每一次振动都对应着不同的亚原子粒子，所以电子并不是一个点粒子。如果你有一个超级显微镜，就会发现它不是一个粒子而是一根振动的弦。电子之所以看起来像一个点粒子，是因为弦如此之小。

以不同的频率振动的弦，对应着不同的粒子，例如夸克，μ介子、中微子、光子等。这就是物理学家发现数量多到荒谬的亚原子粒子的原因。它们有几百个之多，因为它们只是一个微小的弦的不同振动。

通过这种方式，弦理论可以解释亚原子粒子的量子理论。根据弦理论，当弦移动时它会迫使时空像爱因斯坦预测的那样发生弯曲，因此，它能将爱因斯坦的理论和量子理论完美地统一起来。

这意味着亚原子粒子就像音符一样。宇宙是弦的交响乐，物理学代表了这些音符的和声，而爱因斯坦追逐了几十年的“上帝的思想“其实是宇宙音乐在超太空的共振。

那么，弦理论是如何消除困扰了物理学家几十年的量子修正的呢?弦理论中有一种名为“超对称”的东西。对于每一个粒子，它都有一个伴侣:超粒子。例如，电子的伴侣是“selectron”“选数管”。夸克的伴侣是“squark”，所以我们有两种量子修正，来自普通粒子和来自超粒子的量子修正。弦理论的美妙之处在于，来自这两组粒子的量子修正完美地互相抵消。

因此，弦理论为我们提供了一种简单而优雅的方法来消除这些无 限大的量子修正。它们的消失是因为这个理论揭示了一种新的对称，而这种对称赋予了弦理论数学力量和数学之美。

对艺术家来说，美可能是他们渴望在作品中捕捉到的一种被称为 优雅的东西的数量。但对于理论物理学家来说，美是对称。这在探索空间和时间的终极本质时也是绝对必要的。举个例子，如果我有一片雪花，把它旋转60度，雪花将保持不变。同样的万花筒创造出的漂亮图案，是它使用镜子复制出的一个图像，这个图案可以360度旋转。我们说雪花和万花筒都具有径向对称性，也就是说它们在某种径向旋转之后保持不变。

假设我有一个包含许多亚原子粒子的方程，然后我把它们打乱或 重新排列。如果在交换这些粒子之后，方程仍然不变，那么我就会说这个方程是对称的。

★超级对称性抵消了粒子的量子修正，使我们得到了有限的引力理论，这就是弦理论的奇迹。它也解答了弦理论最多疑问：为什么它有10个维度？为什么不是13个或者20个维度？

这是因为弦理论中的粒子数可以随着时空的维度变化。在更高维 度上，粒子可以有更多的振动方式，因此我们有更多的粒子。当我 们试图消除粒子对超粒子的量子修正时，我们会发现这种消除只能发生在十维空间中。

通常，数学家创造出全新又富有想象力的结构，物理学家而后将 这些结构融入他们的理论中。例如，在19世纪，数学家创造了曲面理论，这一理论之后在1915年被纳入爱因斯坦的引力理论。但这一次，情况正好相反。弦理论已经开启了许多数学分支，数学专家对此感到震惊。年轻且有抱负的数学家通常对这一理论在自己学科的应用表现得不屑一顾。但如果他们想站在学术前沿，就必须学习弦理论。

尽管爱因斯坦的理论允许虫洞和超光速旅行，但你需要弦理论来 计算在存在量子修正的情况下，这些虫洞的稳定性如何。

总之，这些量子修正无限大，所以移除这些修正是物理学最基本的问题之一。弦理论消除了这些量子修正，因为它有两种可以精确地相互抵消的量子修正。粒子和超粒子之间的精确抵消是由于超对称性。

然而，拥有了弦理论如此优雅和强大的理论仍不够，我们还必须 面对终极挑战，即实验。

★弦理论也有过不去的坎，科学家们给出了一些有理有据的批评。首先，由于弦理论(或任何万物理论)在普朗克能量的水平就统一了所有的物理学理论，因此，地球上没有足够强大的机器能严格地检测它。一个直接的测试是在实验室里创造一个婴儿宇宙，但这显然不符合当前的技术水平。

第二，就像任何物理理论一样，弦理论也有不止一个解。例如，描述光的麦克斯韦方程组有无穷多个解。这并不是问题，因为在任何 实验开始的时候，我们都会指定研究对象，不管是灯泡、激光还是电视。然后，在这些初始条件下，我们求解麦克斯韦方程组。但是如果这是一个关于宇宙的理论，那它的初始条件是什么呢?物理学家相信,“万物理论”应该自身带有它的初始状态，也就是说物理学家认为，在某种程度上决定大爆炸的初始条件是由理论本身产生的。然而，弦理论并没有告诉我们其诸多解中的哪一个才真正适合我们的字宙。而在没有初始条件的情况下，弦理论包含了无数个标准的平行宇宙，它们被称为多重宇宙，每一个宇宙都和另一个同样有效。这一局面让我们很尴尬，弦理论不仅预言了我们熟悉的宇宙，也许还预言了无数其他同样有效的外星宇宙。

第三，也许弦理论最令人吃惊的预言是宇宙不是四维的，而是10维的。在所有的物理学科中，我们都没有看到过这样奇怪的预言。时空理论选择了自己的维度。这太奇怪了，许多物理学家起初把它当作科学幻想不予理会。当弦理论最初被提出时，它只能存在于十维空间的事实让其遭到嘲笑。

知足常乐2021.7.13日于上海