日本科学家解释为什么宇宙是三维空间

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　　据国外媒体报道，为什么我们的宇宙是我们今天看到的样子？为什么我们的宇宙是三维空间，而不是九维空间或十维空间？日本科学家近日为人们解释了三维宇宙如何从原来的九维空间演变而来，他们利用超级计算机模型模拟我们宇宙的诞生。研究报告发表在最新一期的《物理评论快报》上。

　　在我们钻研这个令人费解的问题之前，先来了解一下它的背景。一些非常令人信服的观测证据已证明宇宙是如何诞生的大爆炸理论，包括宇宙微波背景辐射的测量和元素的相对丰度。宇宙学家解释，宇宙大爆炸的几秒钟内，它开始存在，并形成一个小点。但对于这一点，无法用物理学来解释。我们需要一种新的理论，把相对论与量子力学相结合，使对那一刻的解释合理化。

　　物理学家在20世纪苦心拼凑起了一个合理有效的物理学“标准模型”。他们的模型作品不依靠额外维度，它将电磁与强和弱的核力量结合起来，并为大而嘈杂的亚原子粒子“家族”提供一个整洁的理论框架。但有一个张口状的洞，标准模型不包括引力。这是为什么詹妮特温特森(Jeanette Winterson)的小说《宇宙的均衡》(Gut Symmetries)中的物理学家朱庇特(Jove)把这个标准模型称为“飞篷布” ，“它大、丑陋、有用的，涵盖了你想要的，忽略重力。”超弦理论(Superstring theory)旨在堵塞那个洞。

　　根据弦理论家，我们每天经历全尺寸的三个空间维度，一个时间维度，以及在普朗克尺度揉皱的6个额外维度，就像皱巴巴的纸。弦是自然界中最基本的单位，在普朗克尺度中振动。这些额外维度的几何形状，有助于确定弦振动的共振模式。这些振动模式决定形成的基本粒子类型，产生我们周围观察到的物质力量。在原理上，与电场和磁场振动产生整个光谱大致相同，或小提琴振动的弦产生不同的音符。所有的物质(和所有的力)都由这些振动组成，包括重力。弦振动相当于受重力作用的粒子。

　　广义相对论现已量化，这意味着弦理论可以用来探索我们的宇宙诞生的无限微小的点。还有一个问题，就是额外维度，我们的世界只有三个维度。物理学家已经设计出这个非常有说服力的假设情况如何出现。大爆炸之前的宇宙是一个完美对称的九维宇宙(加上时间维度是十维)，四个基本力量在难以想象的高温中得到统一。但是，这个宇宙极不稳定，并破裂成两个，在雏形宇宙中发出一个巨大的冲击波。其结果是分裂成两个独立的时空：我们所居住的展开的三维空间，一个六维的时空剧烈收缩成一个微小的普朗克球。随着我们的宇宙的膨胀和冷却，四大力量一个接一个地分裂，首先从重力开始。今天我们所看到的一切都只是原来九维宇宙的一个碎片。

　　支持这一观点的物理学家还不能确定为什么会发生这些变化，但他们怀疑这可能是由于令人难以置信的张力，以及需要维持一个超对称状态，使不稳定的状态稳定下来。试想一下，您家的床单洗了以后略有缩水。你设法把床单铺到床的四个角，床单被拉得很紧，织物上充满张力，拉到这个角，那个角的床单会蜷缩。跟床单一样，原来的十维时空结构被拉长，处于超对称状态。但张力变大，时空就一分为二。其中一部分蜷缩成一个小球，宇宙破裂的余震使另一部分向外迅速扩展，这一时期被称为膨胀期。这成为我们现在见到的宇宙。

　　日本科学家的模拟结果表明：宇宙诞生之时有9个空间维度，但其中只有3个维度经历了扩展。这是一个三维的宇宙如何从九维空间出现的第一次实际演示，为理论的有效性提供了有力的支持。这一切发生的机制是什么?对于一个10维的宇宙，超对称性有数百万种的方式突破。新的模拟可帮助我们了解这个对称性破坏使宇宙成为目前的状态。

　　日本科学家Jun Nishimura、Asato Tsuchiya 和Sang-Woo Kim 利用弦理论制定的矩阵模型(matrix model)解决了这个问题。该设计模拟复杂的弦的相互作用。对于非常复杂的技术原因，矩阵模型和现实世界之间的连接有点模糊，主要是因为：第一，假设弱相互作用，其实弦之间的相互作用是相当强的;第二，运算中的时间变量不会在数学意义上被视为“真实的”。这些新的模拟假设强相互作用，并把时间当作一个真正的变量。因此，弦理论家现在有一个有用的工具用于分析超弦理论的预测分析，揭示膨胀、暗物质和宇宙的加速膨胀等棘手的问题，而这也解释了为什么我们的宇宙看起来是现在的样子。