在量子宇宙观之下,我们所谓的空间和时间会显现出一种量子泡沫。量子宇宙观不违背现有的所有科学理论,甚至更加适应宇宙中发生的各种现象;但是从另一个角度来讲,它也没有符合的数学描述来说明为何宇宙会变成我们看到的样子,而且也没有权威的实验测试。所以直到现在,它也只是像信仰一样被人们相信,但随着实验水平的提升也许很快我们就能通过实验的办法来验证它了。这里先对此进行说明,然后再继续我们的话题。
时下流行的理论认为,宇宙中的维度远比我们现在感知到的多得多。用科学术语来说,就是一些维度“卷曲”成了极小的尺度从而导致实验无法测得,而另一些则从大爆炸中膨胀出来形成了我们现在所在的四维时空中常见的宏观大尺度物质。这就引出了一堆问题:维度究竟是何物?没有“填充物”的时候它们还会存在吗?3个空间维度有何特殊之处?如果存在更多维度,我们怎样才能通过科学的办法观测到它?
如果你只感知到一个维度,比如从南到北的本初子午线,那么,一个朝东走的人就会从你的线性世界中消失。进一步,如果我们只能感知到一个面,那么当飞机起飞时我们就会发现它慢慢消失了。如果存在一个第四维度,而且存在一种超级物质能够在其中移动,那么当它的四维运动路径与我们的三维空间发生交集时,它就会像鬼魅一样一下在我们眼前出现,然后一晃而过消失不见。这几乎达到了我们现有真实世界的极限。这种在四维中运动以及对应的消失,可能听起来像科幻小说,但是我们还是能够想象得出:比如,时间,以及那些炙手可热的时间旅行类科幻小说。
时间怎么就成了一个维度呢?如果我们将历史上的各种记录作成某个方向上的点,就会发现时间确实在延伸。如果我们所在的三维空间内有人能够制造出一台时光机,使得人们可以在这个时间轴上任意地向前或者向后移动,那么时间维度就和空间三维中的任意一维没什么两样了。如果我们有这么一台时光机,就可以在第四维度上自由移动;而没有时光机的话,我们就只能永远被牢牢地卡在现在,眼睁睁地看着其他人坐时光机去了“昨天”——消失在我们眼前。相反,如果我们处于昨天的某个三维空间位置上,可能会看到一些人突然凭空出现在眼前。
由此可见,时间具有作为一个维度的所有特性,但是却与3D空间的维度有本质的不同。我们存在于一个时间点上,即“现在”;但是现在却是另一个现在,在这个时间点上我们能够回想起之前的现在发生的林林总总,但是不能阻止现在不停地到来而又不停地离开。时间是一个存在某种限制的维度;要想在时间维度上向前看,我们可以向太空中探索,因为光从这里到达远处的星球是需要一些时间的。
当我们赏月的时候,看到的其实是月亮约一秒钟之前的样子;类似的,我们白天看到的是8分钟前的太阳;而夜空中的星光花了几千年甚至更久才到达地球,所以在我们眼里它们似乎回到了几千年前。如果在这个距离的某个星球上存在一些外星人,他们和我们一样也仰望星空,就会看到几千年前的太阳,那时候也许地球上根本还没有人类。“现在”的概念在此似乎变得模糊起来了。
通过观察宇宙深处,我们能够朝着宇宙大爆炸来回溯时间。如果我们宇宙的时间和空间都是那时候形成的,那么至今这个时间维度不会超过140亿年。我们可以向未来迈进,也能回头看到过去;所以时间拥有维度的各种性质,我们可以在上面移动,但是却又和3D空间维度不尽相同。在空间上,如果我们不喜欢目的地,我们可以选择回到出发地;而时间却一去不复返了。
自从哈勃观测到星系之间的距离正在慢慢变大,我们就意识到了宇宙正在膨胀,从大爆炸开始,这种膨胀已经持续了140亿年。大爆炸的原因和来源可谓是现代版的创世神话。一直以来,人们尝试解答这些问题却一筹莫展,好在我们现在有了量子理论,它能够为我们提供很多新的观点,不仅包含真空的介质观,也包括空间和时间的不确定性质。我们最多只能通过我们的实验结论推演来想象一下那个时期的情形。当物质紧紧压缩在一起时,会感觉到引力作用,这一点符合广义相对论以及量子力学定律。
正如我们之前所见,广义相对论在大尺度上描述宇宙,而量子力学对亚原子尺度上的现象进行状态精确描述;人类有望很快找到一个统一的数学模型和实验支持的理论,最终将这两个20世纪科学中最伟大的支柱联合起来。要想了解宇宙在大爆炸之初的样子,我们需要一种关于引力的量子理论。在广义相对论中,时空扭曲与能量聚集有光。在量子宇宙中,能量的不确定或者拖尾都会导致时空扭曲而出现不确定性,引发远处出现波动,或者更特殊的情况下会导致度量标准的波动。整个几何都会变得不确定;维度的概念甚至维度的数量都变得不可捉摸,超出了我们现有实验的测定能力。
对于这些问题,当下最有前途的理论当属弦论(7) ,它能够契合多维宇宙——也许是10维。现在我们还不知道,这种高能量多维度下的物理简化是否只是一种数学计算技巧从而使得简单计算变得可能,又或者它是否暗示着某些更加深奥的宇宙构造问题。无论如何,要将如此高维度的宇宙和我们生活中感觉到的宇宙联系起来,我们只能认为除了3D空间的三个维度之外的其他维度都非常小因而可以忽略不计。虽然在量子引力时期所有维度都均有相同的重要性,但是只有时间和空间维度暴胀并最终顺应了我们今天所感觉到的宏观宇宙。
在我们所谓的空间和时间之外,是否还存在其他维度?科学将很快给出解答。除了上下、前后、左右,也许“其中”还存在更多的方向。直到最近,仍然有观点认为更高的维度已经永远消失在量子泡沫中了,但是当人们试图解释为何在原子尺度下万有引力比其他力弱得多时,提出的各种新奇理论指向似乎引力可能被泄露到更高维度中去了,这个维度存在一个可探测的尺度,通过CERN新建的大型强子对撞机实验可以测到。前面我们给出了一个例子,飞机在三维空间起飞时,在二维平面上看来是似乎慢慢消失了;与之类似,如果时空像瑞士奶酪一样,其中存在很多小得几乎处于我们现有测量能力极限的气泡,那么从第五维度中出现或者消失进第五维度的粒子就会在LHC上产生信号。