有些科学家迫切想进入四维时空,他们是否发现了什么?

四维时空是爱因斯坦最早提出的概念。爱因斯坦将时间作为了类似于空间的几何维度概念纳入了物理学方程中,才有了相对论的出现。

所以在相对论的解读下,我们本来生活在一个四维时空中,所以不存在题主说的进入问题。或许你想说的应该是进入四维空间,或者叫超空间。对于四维实际上有很多种理解。

最早的宇宙学模型

1917年,爱因斯坦发表了一篇《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》。这篇论文为现代宇宙学奠定了理论基础。

广义相对论的场方程看似简洁,但它实际是一个十阶方程组,包含十个未知数,所以要解相对论场方程,就必须确定一些前提条件。

如果用场方式来推测宇宙的状态,就必须合理为一些未知数赋值,物理学家常常会确定一些“初始条件”和“边界条件”。当然这一切大都只能靠合理假设,或者说靠猜。

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爱因斯坦就假设宇宙是“有限无界”的。

在《狭义与广义相对论浅说》的第31节中,爱因斯坦就描述过一个“有限”而又“无界”的宇宙的可能性。

“对于这个二维球面宇宙,我们有一个类似的三维比拟,这就是黎曼发现的三维球面空间。它的点同样也都是等效的……不难看出,这个三维球面空间与二维球面十分相似。这个球面空间是有限的(亦即体积是有限的),同时又是无界的。”

这里说的球面空间,在今天理解看来就是一个四维超球体中的一个三维立体“超球面”。这里的“面”代表的是镶嵌在超空间表面的立体空间。

如果说这样的宇宙有中心,那它的中心就在这个四维超球体的中心,它不会位于宇宙之中,而是在我们进入不了的第四空间维度上。

四维思想的起源

四维时空虽然是爱因斯坦提出来的,但四维思想的来源,来自黎曼对空间的洞察。

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1854年,黎曼在哥廷根大学就职演讲上,对几何的基础侃侃而谈。由此开创了动摇了欧几里得几何的统治地位的黎曼几何。虽然在他之前,罗巴切夫斯基的罗式几何也一直革新的非欧几何,但罗式几何描述的空间与现实空间不符,或者说无法用于物理学上的应用描述。

黎曼几何则可以极大的匹配现实物理描述,虽然当时人们并不知道。当黎曼几何风靡全球后,它其中的间四维空思想也席卷了整个欧洲,到1910年,神秘的四维开始大量出现在文化、艺术领域,而成为了家喻户晓的谈资。

四维空间的定义

简单来说,过空间一点,能够形成4条相互垂直的线,这样的空间就叫做四维空间。

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以日常认知来说,这样的4条线是做不出来的,我们只能做三条相互垂直的线,所以一般认为文明生活的空间是一个三维空间,即立体空间。

我们无法想象,在长、宽、高三个维度上还有垂直于它们的第四个维度。所以就目前实际情况来看,四维空间只是一个数学概念,以及其他高维空间,我们都无法确定,也无法检验。

四维空间比三维空间多出一维,一般就意味着四维空间会比三维空间更大。打个比方来说,在一个固定面积的二维平面上面,如果放满了东西,还要继续堆东西就只能往上堆了,所以三维空间比二维空间“大”。所以说高维空间会比低维空间,能装更多的东西。

因此普通人把四维空间用来装妖魔鬼怪;作家把四维空间用来装科幻故事;而科学家把四维空间以及高维空间,用来装这世上已发现的自然定律。

物理学上最早的四维空间思想

最早把第四空间维,旧称第五维纳入物理学的,是一个叫卡鲁扎的不知名数学家。他利用第5维统一了爱因斯坦场方程和麦克斯韦场方程,后来被完善成为卡鲁扎-克莱茵理论。

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在到后来发现了强力与弱力,以及一堆传播粒子,弦理论就把空间提升到了26个维度,来描述它们。接着纳入超对称思想后,才把维度降到了9个空间维,进而出现5个版本的超对称理论,最后爱德华·威滕又加了一个维度将5个版本统一成一个M理论。

但这一切的一切都是为了将原来的自然定律进行统一。理论物理学家们发现在三维空间里,这些自然定律无法相容,甚至矛盾,而只有把它们放在高维空间之下,利用高维空间里的超对称性,才可以把他们融合统一。

总结

虽然理论物理学家给空间加了这么多维度,但除了威滕最后加的那一个维度,所有的额外维度是十分小的,小到普朗克长度(10^-35m)以下,被称为卡-丘空间。

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它们并不会显现,也不会影响我们日常生活。当然,每一个弦理论学家都想求证这样的卷缩空间是否存在。

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