宇宙空间的六维是什么

超弦理论告诉我们：我们的宇宙具有10维的空间（而在超弦理论基础上发展起来的膜理论更是宣称宇宙有11维空间）。我们平常只能感知到空间的三个维度，我们可以上下左右前后移动，也可以在时间维度里向“前”移动，这些是我们司空见惯的，但是那另外的六维空间在哪儿？你找不到，因为它们以“卡-丘”空间的形状卷蜷缩起来，躲出了我们的视野。

蜷缩的高维

应该说，这六维空间目前还没有一个固定的模型能在计算机上展现出来，也没有一种形状能让所有的物理学家都赞同。唉！宇宙不是那么简单的！它到底是什么样子，我们不得而知。但你可别气馁，科学家们认为这些多出来的维卷曲在一种叫做“卡拉比-丘成桐”的空间结构里，“卡-丘”空间的大小如何呢？它的半径小于亿亿亿亿分之一米，只有质子和中子半径的亿万分之一！太小了！目前我们是无法用任何办法来考察到的，更别说钻到里南去旅游一番、看个究竟了。

的确， 要描述“卡-丘”空间几乎是不可能的，因为它有六个维度。但是，还是让我们试着去想象出一个图景来吧！

“卡-丘”空间看起来就像纸团，就是那些你随手扔掉的攥成团的用过的草稿纸那样，然而，“卡-丘”空间的迂回曲折和翻转可比你那随手一攥，拧出来的形状复杂多了，它们像一条条蛟龙一样，尽情地翻腾，绕着自己翻过去，再转回来，打成一个个环，丝毫没有一针见规则可以用传的欧几里德几何描述，可是它们呢？却对此表现出完全蔑视的态度，它们只遵循一种更为抽象的几何学，比如说，卡-丘空间根本不知道什么是直线！

身处某一个“卡-丘”空间的感觉一定很刺激吧？确实，它很像一胩有趣的房子，很多墙壁围绕着我们，房子上似乎到处都是镜子，镜子里有无数我们自身的影像，当我们凝视的目光投向任何方向，我们都在经历着奇特的视觉魔幻，比方说，你注视正前方，看到的是什么？不是你的正面，而是你的背部！

当然，卡-丘空间里面并没有什么镜子，那里只空间本身。所以这里存在一个本质上的差异：从理论上讲，当你可以看着前方而确实看到了你的北面时，你可以对着你的“背”扔个球过去，两秒钟后，你猜会怎么样？你会感到有个发射物朝着你的剂量冲过来！想知道这个球的具体行踪吗？客观存在可能已经在六维空间里来回折腾了好几圈，就像乘坐了好多个过山车一样，最终，它结束了整了旅行，在你背上停了下来。“卡-丘”空间就是这么一种奇怪的东西！

从猜想到定理

科学家们“算”出来，多余的那六维空间正是采取了这种特殊、古怪的方式紧缩起来的，它们看起来是细细长长的弦上面的一颗颗珠子，

弦可能从它们的“孔”中穿过去，也可能绕过它们，包着它们。这些细细长长的弦在不停的振动，就组成了各种奇怪的形状的发掘过程颇

具戏剧性！

科学家们讨论额外空间的时候，他们从不用我们的日常语言来叙述，因为这样会误导我们，以为这些空间也和我们的三维空间一样。科学家

们是用数学语言来表达多维空间的，数学的概念很容易推广来讨论任意维数的空间。

比方说，你知道数学家是如何思考圆圈和球体的不同吗？对你们来说，他们实际上是同一种东西，都是离一点距离相同的点组成的集体。

数学家管圆圈叫做一维的球体，因为要画一个圆，只需要适度弯曲的一信线条就可以了；而实际的球体被叫做维球，因为要得到一个球，需

要一个二维平面。对于数学家来说，一维球和维球之间的区别无关紧要。他们更喜欢学习N维球，就是你想要多少维就有多少维的球。不管你

能否想象得出，总之你就假设它存在于思维空间吧！

卡拉比就是这种几何学的想象大师，你在职954年的国际数学家大会上提出了的一个猜想，预言有这么一类紧缩的空间结构存在，但由于证明十

分困难，此类空间的存在性一直悬而未决。可以说，除了卡拉比本人，几乎没有人相信这个猜想是对的。包括后来获得数学领域中的"诺贝尔奖"

--菲尔兹奖的新一代华人数学家杰出代表丘成桐在内

丘成桐只有21岁时就开始思索这个久攻不克的大难题,他在研究上花了两年工夫,想证明它是错的,他甚至在一个很大的国际会议里面宣布找到一个反

例证明这个是错的,听的数学家也认为很有道理,于是大家都认为卡拉比猜想是错的

两个月以后,卡拉比得知此事,让丘成桐将证明重新再讲一遍这让丘成桐不得不重新考虑这个问题,这时他发现自己的推论是有漏洞的在讲给卡拉比听以前,

丘成桐两个星期没有睡觉,想弥补这个漏洞,结果他发现,没办法弥补!

这下,他只好承认错误,于是写信给卡拉比,决定反过来,将全部时间用来想证明它这个决定让他花了四年工夫,1976年底,他用强有力的证明,终于解决了这一问

题!

这个伟在猜想的证明,将几何学带入一个全新领域,更在物理学各方面大放异彩"卡-丘"空间对于超弦理论如此重要--它的"紧缩性能"正是超弦理论物理学家要找

的目前已经测试出25种"卡--丘"空间构造符合超弦理论的"胃口"

说实在的，这些空间是如何创造出来的，没人知道。因为这些完全是数学方程中的产物。

1960年代出现宇宙大爆炸理论和弦理论，其中弦理论与物理学中的超对称理论结合，成了超弦理论，认为宇宙的维度共有11维，但我们感觉到的只有4维，即三个空间维度和一个时间维度。另外7个维度在宇宙大爆炸后，随着4个维度的扩张，全都蜷缩起来了，变得比基本粒子还要小很多，成了弦，完全不可见。而所谓的基本粒子，不过是弦在时空中的振动。不同方式的振动，就表现为不同的基本粒子。

而这个11维，是在解超弦理论方程时，只有当维度为11或26时，方程才能有确定的解。按照“自然崇尚简单”的原则，就把空间的维度定为11了。

至于15维，不知道是怎么来的。

从目前看，没有什么根据，纯粹是数学计算出来的。

1960年代，关于理论物理与量子微观结构，出现了弦理论，认为自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的"弦"。弦的不同方式的振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。当初提出弦理论，是为了统一自然界的四种基本力。

1970－1990年代，人有把弦理论与量子物理超对称理论结合，成为“超弦理论”，并用于解释宇宙的基本结构与起源。在解超弦理论方程时，只有当宇宙的维数等于11或26时，方程才能有确定的和有意义的解。按照“自然崇尚简单”的原则，就把宇宙的维数定为11维了。

没有理由。或者说，这只是一种理论上的可能性。

十一维时空是宇宙大爆炸的时空，也是统一四大作用力的11维超引（重）力场，见下图：

图中＋－号代表不可分割的最小正负弦信息单位-弦比特（string bit）

（名物理学家约翰惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit

量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特

根据90年代提出的M理论（超弦理论的一种），宇宙是11维的，由震动的平面构成的。在爱因斯坦那里，宇宙只是4维的（3维空间和1维时间），现代物理学则认为还有7维空间我们看不见。

科学家们对我们已认知的维与可能存在但未被认知的维之间的区别是如何解释的呢？他们打了一个比方：一只蚂蚁在一张纸上行走，它只能向右或向左，向前或向后走。对它来说高与低均无意义，这就是说，第3维的空间是存在的，但没有被蚂蚁所认识。同样，我们的世界是由4维构成的（3个空间维，1个时间维），但我们没有觉察到所有其他的维。

根据物理学家的看法还应该有7个维。尽管有这么多的维，但这些维是看不见的，它们自身卷在了一起，被称为压缩的维。为了弄清这种看法，让我们再以蚂蚁为例展开我们的想像。我们可以设想一下，将蚂蚁在上面行走的那张纸卷起来，直到卷成一个圆筒形。如果蚂蚁沿着的纸壁走，最后它又会回到出发点，这就是压缩维的一个例子。如果能沿着著名的麦比乌斯带走，也会发生上述现象，当然，它是3维的，但如果沿着它走过，总是会回到出发点的。麦比乌斯带从维的角度讲是压缩的，按照物理学它有3个维，但谁在上面行走，都只能认知人一个维。这就有点像左图上的人：上行或者下行，但永远不会走到尽头。如果蚂蚁不是沿着纸筒弯曲的壁行走，它就永远不会返回到原出发点。这就是2维（或者说被我们所感知的那种维）的例子，沿着它一直走，就不可能返回到原来的出发点。

麦比乌斯带

Mbius belt

一种单侧、不可定向的曲面。因AF麦比乌斯发现而得名。将一个长方形纸条ABCD的一端AB固定，另一端DC扭转半周后，把 AB和CD粘合在一起 ，得到的曲面就是麦比乌斯带。关于麦比乌斯带的单侧性，可如下直观地了解，如果给麦比乌斯带着色，色笔始终沿曲面移动，且不越过它的边界，最后可把麦比乌斯带两面均涂上颜色 ，即区分不出何是正面，何是反面。对圆柱面则不同，在一侧着色不通过边界不可能对另一侧也着色。单侧性又称不可定向性。以曲面上除边缘外的每一点为圆心各画一个小圆，对每个小圆周指定一个方向，称为相伴麦比乌斯带单侧曲面圆心点的指向，若能使相邻两点相伴的指向相同，则称曲面可定向，否则称为不可定向。麦比乌斯带是不可定向的。

麦比乌斯带单侧曲面

德国数学家麦比乌斯(MöbiusAF 1790-1868)在1858年发现的

从黑洞到微型黑洞到不可验证的宇宙11维

对于黑洞，早在拉普拉斯(1749-1827，法国著名数学家和天文学家)时代就有理论。拉普拉斯根据经典的牛顿力学预言，只要天体的空间足够小，引力足够大，光线和其它一切物质就不能从中逃逸。

天文学家在上世纪60年代，花了很大的工夫，演算出了非常好、甚至可以说是完美的一套黑洞理论：当一个原始天体燃尽它所有的燃料后将发生坍缩，这就是超级星爆发。爆发时它将损失相当多的能量和质量，但只要最后剩下的质量超过32个太阳质量(稍微小一点就变成中子星，再小就成了白矮星)，它最后的引力坍缩就是收不住的，在1秒的时间内，它会变成比地球铁核还小的超高密度天体。这就形成了黑洞。这样形成的天体被称为恒星质量黑洞，也就是大家平时所说并在科幻小说、科幻**里出现的黑洞。

由于引力太大，连光都不能从它表面逃逸，黑洞不能被人类直接观测到。但随着理论物理和探测手段的进展，人们可以借助观测和看不见的天体相伴的另一个天体的运转情况(两个天体相互运转组成双天体)，从而得出其质量。

然而，到今天为止，恒星世界中那些看不见的天体没有一个被100%地证明就是黑洞。

1994年，天文学家在星系中心发现了超大质量黑洞，并算出它体积很小，质量却极大。“由于几个不同的天文学家小组，从低级望远镜到哈勃空间望远镜，都探测到了，宇宙中有这样超大质量的黑洞就成了板上钉钉的事情。”李竞说。

恒星质量黑洞虽有经典理论，在观察验证上却没到盖棺定论的地步；星系中的超大质量黑洞被观察确证，但它是怎么来的，没有一个完整的理论解释。二者正是现在科学家努力的方向。

恒星质量黑洞理论跟霍金毫无关系。霍金提出了另外一个黑洞学说，他认为宇宙中有无处不在的微型(Mini)黑洞，黄豆大小，与木星差不多的质量，宇宙起源的时候，这种东西无处不在。

对于Mini黑洞，霍金赋予了其漂亮的理论。但天文学家少有顾及，因为它完全无法观察研究，霍金也没有提出如何去验证的方法，而科学家对一种理论最关心的是它能否被验证——这也是霍金迄今与诺贝尔奖无缘的主要原因。

不可验证的黑洞理论之外，霍金还提出了他的宇宙模型，给出了11维空间，认为要描述宇宙，X、Y、Z和T(时间)4个未知数是不够的，要加到11个未知数之后，才能够解释宇宙的很多结构。另一种说法，宇宙11维是爱德华·维顿提出来的。

这些“维”同样是天文学家无法探测的。

李竞介绍，在宇宙起源学说领域，现在最热门的是宇宙极早期时候的研究，包括那时控制宇宙、左右宇宙的物质规律是什么等等，而霍金探讨的问题甚至比这个更超前。

“有了早期宇宙的成熟模型以后，才能谈到霍金所提到的宇宙大爆炸之前的问题。现在连0秒之后的瞬间都还摸不清，怎么能谈更以前的？”国家天文台专家赵复垣曾经翻译《霍金的宇宙》，他也表示，虽然他翻译了全书，但对里面的理论还是不懂——实际上，许多研究广义相对论的专家都表示看不懂。

但李竞和中科院理论物理研究所教授蔡荣根都认为，霍金用纯数学方法做物理学的模型研究，这种“理论在先”的研究方法本身无可厚非。比如激光，就是先有了理论，然后用实验制造出来。爱因斯坦的理论当中也有很多预言，是后来被人类验证的。

“预言被观测证实，这样的理论就被证明是真正的好理论。问题是霍金的理论现在还没有给出明晰的、可以让人去寻找的东西。”李竞说。

十一维空间是根据90年代提出的M理论（多种超弦理论的综合），宇宙是11维的，由震动的平面构成的。

在九八年二月的‘美国科学’上，有一篇介绍M理论的文章。The theory of M: M stands for magic, mystery or member 。讲了统一场论的最新进展。一个粒子不但有电荷的相吸，还有磁场的相互作用。两者的统一构成引力。

我们一直以为影响无限小的粒子的因素与影响着地球般大小的星球的因素是不同的。因为过去的所有理论难以用于同时解释粒子和星球的运动。也难以解释引力的形成。而M理论则正是一种正在形成的可以解释从无限小的粒子到无限大的宇宙的统一场理论学说。

文章中说这个理论为越来越多的实验所证实，是继相对论以来，本世纪最伟大的物理学理论之一。据说在超弦理论的研究中，发现十维空间还有理论漏洞，新的膜理论就在超弦的线上展拓成超膜，以十一层空间来解释宇宙。

而只有其中四维空间可为人类所感觉，其余的感觉不到的空间，就如声波和光谱一样，我们人类听不到的超声波和也看不到红外线，却不因我们的不能察觉而就可认为根本不存在。正是在更高的空间里，物体的电场和磁场相互作用形成万有引力。

也只有引入更多的空间才可以解释为什么分子的结构有左旋和右旋的向性不同。 而宇宙的许多自然之谜如黑洞等，以更多空间的理论才有可能存在和解释。

膜理论的出现意味着一种全新解释宇宙大爆炸的说法，该说法表明我们生活的整个宇宙是一层可以随意弯曲 拉伸的膜，也称为三维空间，在不远的地方也有一层膜，可以说是另一个宇宙，也是三维空间，当中的空隙，是四维空间。

在某种未知力（有可能是暗能量）的作用下，两层膜以极慢的速度缓慢接近，遐想的距离为10万亿光年（10的13次方），当膜接触后，相互碰撞，动能转化为热能，热能开始缓慢在膜上散开，宇宙中的万物开始毁灭，然后冷却，开始新的循环。

这就是新理论的宇宙大爆炸，当碰撞后，两层膜又弹回原来的位置，重新在未知力的作用下，缓慢接近，如此往复，宇宙开始循环，永不停止。

他理论所具有的维空间

前三维是位置，存在于空间中；

第四维是速率，存在于时间中；

第五六维是速率指向，存在于（速度）时间方向中；

第七八维是状态指向，存在于自身形状对应的空间方向中；

第九维是状态转角，存在于自身形状对应的滚动中；

第十维是自旋速率，存在于滚动时间中；

第十一、十二维是自旋赤道轴指向，存在于滚动（速度）时间方向中；

第十三维是自旋赤道轴指向漂移速率，存在于滚动变化（加速率）时间方向中；

第十四、十五维是自旋赤道轴指向漂移速度赤道平面映射方向，存在于滚动变化（加速度）时间方向中；

第十六维是加速率（或受力强度），

第十七、十八维是加速度（或受力）方向，这样的维度不只和 位置（表示一个几何点在空间中的位置）有关。

参考资料来源：百度百科-十一维空间

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