【日本科學(xué)家解釋三維宇宙如何從九維空間演變而來】日本科學(xué)家利用弦理論制定的模型解釋為什么我們的宇宙是三維空間
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？日本科學(xué)家近日為人們解釋了三維宇宙如何從原來的九維空間演變而來，他們利用超級計算機模型模擬我們宇宙的誕生 。研究報告發(fā)表在最新一期的《物理評論快報》上 。
在我們鉆研這個令人費解的問題之前，先來了解一下它的背景 。一些非常令人信服的觀測證據(jù)已證明宇宙是如何誕生的大爆炸理論，包括宇宙微波背景輻射的測量和元素的相對豐度 。宇宙學(xué)家解釋，宇宙大爆炸的幾秒鐘內(nèi)，它開始存在，并形成一個小點 。但對于這一點，無法用物理學(xué)來解釋 。我們需要一種新的理論，把相對論與量子力學(xué)相結(jié)合，使對那一刻的解釋合理化 。
物理學(xué)家在20世紀苦心拼湊起了一個合理有效的物理學(xué)“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(xué)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(dāng)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(xué)家已經(jīng)設(shè)計出這個非常有說服力的假設(shè)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(xué)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(shè)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(xué)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(xué)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(shè)計模擬復(fù)雜的弦的相互作用 。對于非常復(fù)雜的技術(shù)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(shè)弱相互作用，其實弦之間的相互作用是相當(dāng)強的；第二 ， 運算中的時間變量不會在數(shù)學(xué)意義上被視為“真實的” 。這些新的模擬假設(shè)強相互作用，并把時間當(dāng)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(yù)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 。

搜狐科學(xué)（尚力）

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