為什么我們的宇宙是我們今天看到的樣子?為什么我們的宇宙是三維空間，而不是九維空間或十維空間?

宇宙是三維空間

物理學家在20世紀苦心拼湊起了一個合理有效的物理學“標準模型”。他們的模型作品不依靠額外維度，它將電磁與強和弱的核力量結(jié)合起來，并為大而嘈雜的亞原子粒子“家族”提供一個整潔的理論框架。但有一個張口狀的洞，標準模型不包括引力。這是為什么詹妮特•溫特森(Jeanette Winterson)的小說《宇宙的均衡》(Gut Symmetries)中的物理學家朱庇特(Jove)把這個標準模型稱為“飛篷布” ，“它大、丑陋、有用的，涵蓋了你想要的，忽略重力。”超弦理論(Superstring theory)旨在堵塞那個洞。

根據(jù)弦理論家，我們每天經(jīng)歷全尺寸的三個空間維度，一個時間維度，以及在普朗克尺度揉皺的6個額外維度，就像皺巴巴的紙。弦是自然界中最基本的單位，在普朗克尺度中振動。這些額外維度的幾何形狀，有助于確定弦振動的共振模式。這些振動模式?jīng)Q定形成的基本粒子類型，產(chǎn)生我們周圍觀察到的物質(zhì)力量。在原理上，與電場和磁場振動產(chǎn)生整個光譜大致相同，或小提琴振動的弦產(chǎn)生不同的音符。所有的物質(zhì)(和所有的力)都由這些振動組成，包括重力。弦振動相當于受重力作用的粒子。

廣義相對論現(xiàn)已量化，這意味著弦理論可以用來探索我們的宇宙誕生的無限微小的點。還有一個問題，就是額外維度，我們的世界只有三個維度。物理學家已經(jīng)設計出這個非常有說服力的假設情況如何出現(xiàn)。大爆炸之前的宇宙是一個完美對稱的九維宇宙(加上時間維度是十維)，四個基本力量在難以想象的高溫中得到統(tǒng)一。但是，這個宇宙極不穩(wěn)定，并破裂成兩個，在雛形宇宙中發(fā)出一個巨大的沖擊波。其結(jié)果是分裂成兩個獨立的時空：我們所居住的展開的三維空間，一個六維的時空劇烈收縮成一個微小的普朗克球。隨著我們的宇宙的膨脹和冷卻，四大力量一個接一個地分裂，首先從重力開始。今天我們所看到的一切都只是原來九維宇宙的一個碎片。

支持這一觀點的物理學家還不能確定為什么會發(fā)生這些變化，但他們懷疑這可能是由于令人難以置信的張力，以及需要維持一個超對稱狀態(tài)，使不穩(wěn)定的狀態(tài)穩(wěn)定下來。試想一下，您家的床單洗了以后略有縮水。你設法把床單鋪到床的四個角，床單被拉得很緊，織物上充滿張力，拉到這個角，那個角的床單會蜷縮。跟床單一樣，原來的十維時空結(jié)構(gòu)被拉長，處于超對稱狀態(tài)。但張力變大，時空就一分為二。其中一部分蜷縮成一個小球，宇宙破裂的余震使另一部分向外迅速擴展，這一時期被稱為膨脹期。這成為我們現(xiàn)在見到的宇宙。

日本科學家的模擬結(jié)果表明：宇宙誕生之時有9個空間維度，但其中只有3個維度經(jīng)歷了擴展。這是一個三維的宇宙如何從九維空間出現(xiàn)的第一次實際演示，為理論的有效性提供了有力的支持。這一切發(fā)生的機制是什么?對于一個10維的宇宙，超對稱性有數(shù)百萬種的方式突破。新的模擬可幫助我們了解這個對稱性破壞使宇宙成為目前的狀態(tài)。

日本科學家Jun Nishimura、Asato Tsuchiya 和Sang-Woo Kim 利用弦理論制定的矩陣模型(matrix model)解決了這個問題。該設計模擬復雜的弦的相互作用。對于非常復雜的技術原因，矩陣模型和現(xiàn)實世界之間的連接有點模糊，主要是因為：第一，假設弱相互作用，其實弦之間的相互作用是相當強的;第二，運算中的時間變量不會在數(shù)學意義上被視為“真實的”。這些新的模擬假設強相互作用，并把時間當作一個真正的變量。因此，弦理論家現(xiàn)在有一個有用的工具用于分析超弦理論的預測分析，揭示膨脹、暗物質(zhì)和宇宙的加速膨脹等棘手的問題，而這也解釋了為什么我們的宇宙看起來是現(xiàn)在的樣子。

拓展

有且只有5種正多面體。正多面體的定義是一個實心立體圖形每一個面都是全等的正多邊形——像三角形、正方形和五角形，同時其構(gòu)建模式是每一條棱只與兩面相接。很久以前，數(shù)學家萊昂哈德? 歐拉就證明了每個正多面體的面(F)、棱(E)和角(C)的數(shù)目有一個重要關系式：C-E+F=2。例如，正方體有6個面、12條棱和8 個角，正十二面體有12個面、30條棱和20個角。將這些數(shù)目代入歐拉的等式中結(jié)果都是2，其余3種正多面體代入后結(jié)果也是一樣，而且只有這5種立體能符合這個等式。

重力遵循平方反比定律，那就是兩個物體間的萬有引力隨著距離的增加而迅速減弱。如果我們將兩個物體的距離翻倍，兩者之間的重力作用就會減弱到原來的1/4;假如將它們的距離增加到3倍遠，那兩者間的重力作用就剩下原來的1/9，如此類推。一個五維空間的萬有引力理論引入了額外的數(shù)學術語去說明重力的作用方式。這些術語可以有不同的值，

包括零。假如這些值都是零，等于說重力只需要依靠三維空間和時間維度來“提供”。事實上旅行者號太空飛船可以在幾年時間內(nèi)橫跨數(shù)十億千米的太空，并能在預定時間的幾秒誤差內(nèi)到達目的地就是我們不需要額外的維度空間去描述太陽引力場運動的一個美妙例子。