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基于思想实验的多维世界初探

时间:2022-04-13 08:14:55 浏览次数:

摘 要:以“物理规律在多维世界一脉相承具有延续性”为前提,基于思想实验,对物理现象在多维世界中呈现的景象进行了阐释,从而对多维世界有一个浅显易懂的解释,并与现有权威理论相吻合。

关键词:多维世界;思想实验;大爆炸

一、引言

1948年,俄国出生的美国天体物理学家伽莫夫等人在前人基于爱因斯坦广义相对论理论的基础上正式提出了大爆炸宇宙论。大爆炸宇宙论认为宇宙起源于一个温度极高、密度极大的奇点,该奇点经过一次大爆炸使物质扩散,温度逐渐降低而终于形成了今天的宇宙。这一理论到目前为止一直都是最具权威性的,但是,它在解释奇点的来历时遇到了困难,而且它对超四维世界(如五维、六维甚至更高维)的存在的揭示也不够通俗。能不能有一种更浅显易懂的解释呢?

二、物理规律在多维世界的一脉相承性

在现实生活中,我们经常可以见到这样的现象:一滴油滴落在水面上,油滴随着时间的推移在二维的水面上扩散。利用这个例子,我们可以模拟性地解释所谓“宇宙大爆炸”开始时那个奇点的来历,从而感受到超四维世界的存在,并对超四维世界有一个感性的认识。

我们考察油膜在水面上的扩散,也能顺其自然地逆推其扩散之初应该存在一个奇点:油滴。而就和宇宙起源的那个奇点很难在三维空间的基础上加以解释一样,油滴处在这一奇点时也很难在二维平面的范畴内得到简单的解释,因为那时的油滴更体现为体积,已经超出了二维而涉入了更高维——三维。

如果我们想到以下简单现象:油滴随着时间的推移从空中落到水面上--物质从四维世界(三维空间+一维时间)进入到三维世界——化为油膜并开始扩散,那么我们就比较容易接受这样一个观点:宇宙物质起源的那个奇点从超四维世界进入到四维世界并开始膨胀,从而感受到超四维世界的存在。而且我们不妨相信宇宙在大爆炸那一瞬间和接下来的一小段时间里那些目前在四维世界里尚难以解释的现象(如空间的“弯曲”以及从“没有物质和时间”到“忽然间有了物质和时间”)在超四维世界里将很容易解释,因为我们看到,油滴刚落到水面上时的振荡(平面的“弯曲”,从而由二维平面涉入了三维空间)以及水面上从“没有油膜”(当然也就没有“油膜在水面上的时间”)到“忽然有了油膜”(这下“油膜在水面上有时间”了)等现象在三维世界(水面上)虽然难以解释,但在比三维高的四维世界(空中和立体水域)里解释起来却很容易。

从上面的模拟性解释中我们已经能感受到超四维世界的存在,不但如此,我们还发现,在以上我们容易接受的理解方式上,从三维到四维与从四维到超四维是一脉相承的。更令人激动不已的是它启迪了我们展开联想的翅膀沿一条更具延续性的路线在从二维到超四维的众多世界间自由地翱翔!因为我们看到,爱因斯坦在他1905年发表的“论动体的电动力学”这篇具有划时代意义的论文中作了以下假设:

物理规律对所有惯性系都是一样的,不存在任何一个特殊的(例如“绝对静止”的)惯性系。(爱因斯坦称其为“相对性原理”,“我们称之为爱因斯坦相对性原理”。)

而我们不妨也作一个类似的假设:

物理规律在所有维数的世界里都是一脉相承的,具有延续性的,不存在任何一个特殊的世界。

而接下来请看以下用以进一步给出对超四维世界的感性认识的推导:

设一个一维物体从一直线外运动到该直线上并沿该直线运动一段时间后又脱离了该直线,那它的运动轨迹不可能只限于一维直线(二维世界)而至少要涉及二维平面(三维世界)。而这一运动在二维世界中所呈现的是这样一种奇特的景观:一维物体在直线上“忽然出现”(从超二维世界进入到二维世界)并沿着直线运动一段时间后又在直线上“忽然消失”(运动轨迹脱离了直线,超出了二维世界,返回超二维世界)。于是,我们通过一维物体在二维世界中的这种奇特的运动而对超二维世界有了一个感性的认识。

依此类推,设一个二维物体从一平面外运动到该平面上并沿该平面运动一段时间后又脱离了该平面,那它的运动轨迹也不可能只限于平面(三维世界)而至少要涉及三维空间(四维世界)。而这一运动在三维世界中所呈现的则是这样一种奇特的景观:二维物体在平面上“忽然出现”(从超三维世界进入到三维世界)并沿着平面运动一段时间后又在平面上“忽然消失”(运动轨迹脱离了平面,超出了三维世界,返回超三维世界)。于是,我们通过二维物体在三维世界中的这种奇特的运动而对超三维世界有了一个感性的认识。

再依此类推,设在三维空间与一维时间构成的四维世界中有一个三维物体“忽然出现”并在此三维空间中运动一段时间后又从三维空间中“忽然消失”,那它的运动轨迹也不可能只限于四维世界而将涉入超四维世界。而这一运动在四维世界中所呈现的也是一种奇特的景观:三维物体在三维空间中“忽然出现”(从超四维世界进入到四维世界)并在该空间中运动一段时间后又在三维空间中“忽然消失”(运动轨迹脱离了三维空间,超出了四维世界,返回超四维世界)。

于是,我們又通过三维物体在四维世界中的这种奇特的运动而对超四维世界有了一个感性的认识。而前面的“宇宙物质起源的那个奇点从超四维世界进入到四维世界”的观点与“三维物体在空间中‘忽然出现’(从超四维世界进入到四维世界)”不但相互之间十分吻合,而且也都能解释“奇点”的出现。更奇妙的是,现在有一种同样基于爱因斯坦广义相对论的理论认为宇宙物质膨胀到一定程度后将会逐渐收缩,最后又收缩为一个奇点并消失。这与三维物体“在三维空间中‘忽然消失’(运动轨迹脱离了三维空间,超出了四维世界,返回超四维世界)”居然也是这样地吻合。而这些也进一步证实了超四维世界的存在。

三、结束语

上述通过对低维实例的类比研究,使学生对高维世界有了一点感性的认识,即存在超四维世界,并且从超四维世界可以简单解释宇宙大爆炸和奇点。就像宇宙起源时的那个奇点在n维世界里可以被看成日常生活中落到水面上的油滴一样,宇宙在“奇点”和“‘熵’值最大”二者之间的循环震荡在n维世界里看起来也许就像我们在日常生活中看到的弹簧振子的振动一样简单。

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