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王根喜的三联数字博客

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日志

 
 

空间的额外维度  

2010-11-20 20:31:05|  分类: 三联数字与科学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1隐藏的维度

想不想把手伸进第四维空间?在那里你能挣脱三维几何的枷锁。乱如麻的各种线缆从此不再让你绝望;宠物狗咬坏了你的右手手套,你可以把左手的翻过来给右手戴;牙医不需要在牙上钻孔,甚至不需要你张嘴,就可以完成根管治疗。

  额外的维度看起来确实神奇,而且它们可能真的存在。从相对较弱的引力(引力是 4种基本相互作用力中最弱的一种),到看起来各不相同的粒子和作用力之间的深层联系,这个世界的众多谜团都让人觉得,我们所认识的宇宙只不过是一个更高维实在的投影。果真如此的话,瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)将粒子撞碎而释放出的能量,或许就足以使粒子脱离三维空间的束缚,让我们一窥神奇的高维世界。

  美国麻省理工学院的宇宙学家马克斯?泰格马克(Max Tegmark)说,若能证实额外维度的存在,“目前对‘实在’的所有认识将被颠覆”。他曾在 1990年编写过一个四维空间版的俄罗斯方块游戏,用来体验额外维度是个什么样子。(游戏中你要同时在四维空间的各个不同三维切片中控制下落的方块。)

  在现代物理学理论中,额外维度的主要理论基石是超对称(supersymmetry)概念,它试图将各种不同类型的粒子统一在一个大家庭里。要实现这种统一,超对称需要空间总共具有 10个维度。我们之所以觉察不到三维之外的其他维度,要么是因为这些维度非常细小,要么是因为我们本身被限制在一个三维的膜上,犹如趴在叶片上的一条毛虫,只能在叶片上爬来爬去。

  当然,不是所有的大统一候选理论(unified theory)都要求有额外维度。所以能否发现这些维度就将成为一个分水岭。“这能让我们集中在最有可能的理论上,”以研究三维膜理论而闻名的哈佛大学物理学家莉萨?兰多尔(Lisa Randall)说。增大粒子加速器的能量是接触这些额外维度的方法之一。按照量子力学定律,一个粒子能量越高,它的尺度就越小,1 TeV(1012电子伏特)对应的尺度大约是 10-19米,如果某个额外维度有这么大,这个粒子就会落入这个维度,并开始振荡。

  1998年,美国密歇根大学安阿伯分校的物理学家戈登?凯恩(Gordon Kane)猜想,两个质子在 LHC中对撞产生出电子和其他粒子,它们的能量既有可能是1TeV,也有可能是 1TeV的整数倍,例如 2TeV或 3TeV。如果观察到了这种能量倍增现象,这就说明撞击导致了粒子在额外维度中发生振荡。除此之外,不论是常规的粒子过程,还是暗物质粒子之类的奇异过程,都无法作出解释。

  额外维度还可能通过其他方式暴露踪迹。如果 LHC制造出了亚原子尺度的黑洞,就能直接证明额外维度存在,因为三维空间中的常规引力在如此之小的尺度上极度微弱,根本无法产生黑洞。由于几何上的原因,额外维度可能增强引力的作用,也有可能改变电磁力等其他基本力在小尺度范围内的作用方式。额外维度还决定了超对称性如何发挥作用,从而有可能在粒子的质量和其他性质中留下独特的印迹。除了LHC,测量引力强度、观测黑洞或爆炸恒星运行轨道等其他手段,或许也能帮助科学家找到额外维度的蛛丝马迹。

  一旦发现额外维度,面临变革的不仅有物理学,还有与之相关的所有法则。额外维度或许可以解释宇宙加速膨胀之类的一些谜题,甚至可能成为重新定义整个维度概念的序幕——因为它进一步强化了科学家日渐萌生的一个猜测:这个世界本质上既不存在空间也不存在时间,空间和时间都是从一些物理学原理中涌现而来的。

  “因此,尽管额外维度会是一个让人震惊的发现,”美国新泽西州普林斯顿高等研究院的物理学家尼马?阿尔坎尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)说,“但在更深的层次上,额外维度的概念并非特别基本。”

  虽然额外维度对物理学家来说魅力无限,作为普通人的我们却永远无法造访。如果构成我们身体的粒子可以随意造访这些维度,额外的运动自由度会使包括生命在内的复杂结构变得不再稳定。杯具啊,绞成一团的耳机线和疼痛难忍的牙钻孔,竟然是为了保证我们得以存在而必须付出的代价。

2大型强子对撞机有望发现4维空间之外额外维度

新浪科技讯 北京时间11月17日消息,欧洲核子研究中心(CERN)科学家表示,大型强子对撞机(LHC)项目的实验成果超出预期,而有关已知四维空间之外的额外维度的第一批证据有望会在明年发现。

  科学家还表示,通过对大型强子对撞机历时近8个月实验结果的深入分析研究,他们或许能在2011年底前确定是否有神秘的希格斯玻色子存在。欧洲核子研究中心大型强子对撞机项目专家组发言人奎多·托尼利(Guido Tonelli)称,随着质子对撞产生能量在2011年逐步增加,探测额外维度(即长、宽、高等三维空间和时间以外的维度)将变得更为容易。

  欧洲核子研究中心物理学家表示,作为迄今世界上最大的科研项目,大型强子对撞机的成功表明,有关宇宙的一些难解之谜或许能比以前预想的提前解开。参与这项研究的另一个团队的发言人法比奥拉·吉奥诺蒂(Fabiola Gionotti)在发表于欧洲核子研究中心网站上的一份声明称:“就在一年前,我们还不可能想到大型强子对撞机实验能如此迅速的获得如此多的成果。”

  吉奥诺蒂又说:“大型强子对撞机实验在不断给我们带来新的成果。”科学家称,他们应该会在明年年底前以某种方式揭开希格斯玻色子存在之谜。科学家从未发现希格斯玻色子存在证据,他们认为这种粒子是物质质量之源。

  大型强子对撞机项目造价100亿美元,来自34个国家的科学家和研究中心参与了其运行和监控工作,这个世界上能量最大的粒子加速器于今年3月31日全面投入运行,以接近于光速的速度令质子撞击。这些对撞实验完成了对宇宙大爆炸的数百万次模拟。宇宙大爆炸发生于137亿年前,一个初始宇宙由此诞生,从这个宇宙,恒星、行星和地球上的生命最终形成。

  由于本月初大型强子对撞机的运行没有遇到任何故障,欧洲核子研究中心科学家可以转而撞击铅离子,生成了相当于太阳核心温度一百万倍的温度。铅离子对撞实验产生了一种名为“夸克-胶子等离子体”的混合物,让研究小组以另一种方式分析了宇宙大爆炸瞬间状况及其产生的第一批物质。

  欧洲核子研究中心科学家表示,相比于美国布鲁克海文国家实验室相对论性重离子对撞机(RHIC)使用金来从事研究,他们使用离子进一步提升了实验结果的质量。这些实验展现了全球140个运算中心联网(称为Grid)的力量。这些中心对铅离子对撞产生的海量信息进行了处理。

  12月6日,大型强子对撞机将关闭进行维修,同时避免在深冬耗尽法国和瑞士(欧洲核子研究中心位于两国边境)电网的电力。大型强子对撞机将于明年2月重新启动,接着全负荷运转撞击质子,直至2011年底,届时,它将再次关闭,为以相当于近几年的双倍能量运行做准备,最终再在2013年启动。

3高维空间的解释

我们看到的空间是由长、宽、高三维组成的。那我们要问,有无超三维的空间存在呢?答案是肯定的。如果我们假定宇宙中存在反时空的话,那宇宙的时空应该是三维空间,三维时间,三维反空间,三维反时间,三维正反空间,三维正反时间共18维。所以宇宙的空间应该存在额外的维。但时间维都是虚的。而著名的薛定鄂猫就存在于正反空间态,宇宙中存在着正反空间态。这种空间介于正空间与反空间之间,是宇宙的一种自然存在状态,在此状态下,宇宙表现出不确定性的属性,此时的宇宙状态不可测。

下面我们再来看霍金的11维时空观的组成:三维正空间,三维反空间,三维正反空间,一维时间,一维反时间,加起来共11维。

其实从宇宙统一场的角度来看空间只是三维,时间是三维的,在这种三维空间里没有任何阻力可言。

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