你真的知道什么是“二次元”吗？（下篇）

2022-10-14 来源:acgdir.cc

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原作：松原隆彦
编译：王雨阳
校译：韩培育
后台：库特莉亚芙卡李子琦
文章来源 :
《月刊天文指南》2020年2月号“创造宇宙的法则”栏目（第18回）
“
写在前面：
我们在上篇（戳我复习
）讨论了什么是“次元”，即维度的概念，以及“三次元”以外的空间会是什么样子。作为一篇正经科普文，接下来让我们一起看看在“二次元”的时间里会发生什么？空间和时间是为我们预设的吗？
——译者
空间与时间的“次元”——3与1

松原隆彦，高能加速器研究机构基本粒子与原子核研究所教授，理学博士。京都大学理学部毕业、广岛大学博士。曾在东京大学、约翰斯·霍普金斯大学、名古屋大学等高校任职。
主要研究方向为宇宙学，曾获2012年度日本天文学会第17回林忠四郎奖。
著有《现代宇宙学》（东京大学出版会）、《宇宙有“外侧”吗？》（光文社新书）、《宇宙的诞生与终焉》（SB Creative）等多本著作。
(图源：tmcosmos)
接上篇
如果时间不是“一次元”
人类很难想像一个时间不是一维的世界，因为对我们来说，时间理应由过去流向未来。逝者如斯，时间总是朝着一个方向流逝，有如我们的命运。

来源：网络
如果时间是“二次元”，即“二维”，我们就需要用两个数字来确定时间。“三点见面”的说法就要改成“时间A的三点与时间B的五点相交之时见面”这种麻烦的表达方式了。在一维时间中想见面的话，我们只需要在空间中移动位置就能找到对方，但在二维时间中就不一定了。想见到面的话除了要在空间的三个方向上移动，还必须在时间方向移动。

如果时间是“二次元”，那么确定时间也变难了。比如要和朋友约在哪里见面，就得说“时间轴A三点、时间轴B五点的时候集合”。时间像图中②这样前进的话就能顺利与朋友见面，但万一时间像①或者③这样走就见不到对方了。在二维时间中预估未来的事情会变得十分困难。|
插图：Crayon Company
二维时间的流逝并没有确定的方向，这与只能单向流逝的一维时间不同。如果二维时间的世界中存在生物，它们的思考方式和我们人类怕是风马牛不相及。这对于只能在一维时间中思考的我们而言是完全无法想像的。
虽然不能想像，但数学工具让我们能够在形式上增加时间的维度。组成物质的基本粒子在“二次元”或更高维度的时间里会变得不稳定。比如质子会不可避免地衰变为中子、正电子、中微子，或者是电子会衰变为中子、反质子、中微子【注3】。
另外，一维以上的时间里我们将无法根据当前的状态来预测未来【注4】。我们人类的生存依赖于通过现有的知识来预测未来将会发生的事件，而如果无法对未来有所预期，生命也许就不会进化出智能了吧。
空间和时间的维度数是预设的吗？
如上所述，空间和时间如果不是“三次元”和“一次元”，智慧生命如人类便很难在其中生存。但从自然法则的角度来看，空间和时间即使是其他维度也并不会产生任何矛盾。那么为什么我们生活的空间和时间维度仿佛是专门为人类量身定制的呢？
弦论（有“万物理论”之称）的研究者认为，宇宙不是由零维点粒子膨胀而成，而是由高维空间中的弦、或是扩张后的弦组成的。数学推导表明，空间本应有九维。按照这种说法，除了我们生活的三维，剩下的六个多出来的维度就必须隐藏到某处，以至于我们意识不到它们的存在。弦论认为，多余的六维空间通常处于蜷曲的状态，尺度极小。打比方说，一个二维平面可以卷成很小的筒，看起来就像是一维的线了。

空间若原本是“九次元”的话除了1至3的维度外其他6个维度可能是藏到了别处。|
插图：Crayon Company
至于这些空间维度是如何蜷曲的，科学家对此还不甚了解。蜷曲的方式并非只有一种，而是海量的。但根据这六维空间蜷曲方式的不同，剩下的三维空间的性质也会随之变化，因此我们生存的宇宙仅能对应其中的一种方式。
如果蜷曲起来的空间维数不是六维，也就不一定要只留下三维空间了。拥有四维、五维空间的宇宙也是可能存在的。虽然这种假设并不是弦论所支持的，但或许时间也是由更多维度蜷曲后剩下了的一维。空间和时间的维数假使能够任意选择的话，我们的宇宙恰好是人类能够生存的三维空间加一维时间，这种情况果真算是一种巧合吗？事实上，为什么3和1在众多可能中脱颖而出、宇宙与之对应的其他参数又为什么被微调得如此合适，这其中似乎还有许多我们尚不了解的深层原因。
【注3】
J. Dorling, Am J. Phys. 38, 539 (1969);
F. J. Yndurain, Physics Letters B 256, 15 (1991)
【注4】
M. Tegmark, Class. Quantum Grav. 14, L69 (1997)