時間不止一維?美國科學家:宇宙有兩個時間維度,時間旅行不是夢

當我們的宇宙誕生時,大爆炸產生了空間的三個維度和時間的一個維度:這個事件創造了我們周圍的一切——從星團、星系,再到恒星、黑洞和行星,甚至包括我們自己的存在。然而,關于宇宙不只是表現出三個空間維度和一個時間維度的傳統信念存在一些爭論。

那就是我們的宇宙真的是否只有一個時間維度嗎?

可以說愛因斯坦對我們所知道的關于宇宙在巨觀尺度上如何運作的大部分知識負責,他的廣義相對論和狹義相對論在塑造我們對整個物理學的理解方面發揮了重要作用,但是對于我們即將進行的討論非常重要的弦理論和量子物理學在愛因斯坦去世時仍處于起步階段。從那時起,兩者都成為了理論豐富的假設,但兩者的某些方面與愛因斯坦留下的成果無法調和。在我們進入所有有趣的東西之前,什麼是維度,我們如何知道它們存在?

讓我們從我們日常生活中處理的三個維度開始:它們可以概括為長度、寬度和高度,直線被認為是一維的。它只有長度,沒有厚度,它可以在兩個方向上永遠行進。二維對象,例如像圓形或正方形這樣的扁平物體,有寬度和高度,但沒有深度或「厚度」。任何具有長度、寬度和高度的東西都被認為是三維的,我們知道,時間是更難以捉摸的第四維……因此,為什麼宇宙的結構被正式稱為「時空」。

這就是弦理論的討論發揮作用的地方。

那麼,什麼是弦論?

傳統物理學斷言宇宙由三個空間維度和一個時間維度組成。宇宙本身的體積大部分是空的,但我們可以觀察到的被認為只有大約 5% 的「正常物質」(質子、電子、中子、夸克等),大約 27% 是由一種叫做暗物質,而剩下的 68%歸因于一種神秘的未知力量,據信它導致宇宙膨脹,稱為暗能量。

用最簡單的術語來說,弦理論告訴我們想象宇宙的結構和其中的一切都不是由點狀粒子組成,而是由難以理解的細小弦組成——甚至比最小的弦還要小得多原子。

這些弦以它們自己的特殊頻率振動,讓人可以想象,我們所感知的點狀粒子實際上根本不是粒子,而是如此微小的弦,它們只有 10^33 厘米長。一些人認為,弦的長度與質子直徑的比率與質子與太陽系直徑的比率相同。

這些弦有兩種不同類型:一種是開放的,另一種是封閉的——盡管兩者都太小而無法用當前技術觀察到。顧名思義,開弦就像不接觸末端的波浪線,而閉弦則相反——它們形成循環并且沒有開口端。

然而,為了使弦理論起作用,數學表明必須存在許多額外的空間和時間維度。如果我們找到這些其他維度的證據,并且如果額外維度的數量在 10 到 26 之間,這不僅會改變我們對量子物理學的理解,而且我們離創造一個有凝聚力和可信的「大統一理論(量子物理學和巨觀物理學一致)」更近了一步,但這絕非易事。

會不會有額外的時間維度?

像往常一樣,許多這些理論論點都圍繞著愛因斯坦的工作。忽略愛因斯坦的信念時間可能僅僅是一個非常復雜的錯覺,至于是否有可能是時間的其他層面的問題,這是一個未知。事實上,通過研究自然的基本力和物理定律如何受到時間的影響,一些天文學家認為,加入至少一個額外的時間維度將解決現存最大的宇宙學問題之一。

因為,我們仍然不知道重力是什麼,或者它如何完全影響可見和不可見的物質。我們最好的猜測是愛因斯坦的理論,他認為引力是時空扭曲產生的力。物體越大,它周圍的時空扭曲得越厲害,它的引力也就越強。但我們目前對引力的理解與量子力學的其他元素根本不一致。其余的自然力——電磁力和強弱核力——都適合微宇宙的框架,卻不適合引力,所以有物理學家認為時間不僅僅是一維的。

美國理論物理學家伊扎克·巴爾斯(Itzhak Bars)表示:「時間不只有一個維度,有兩個維度。到目前為止,我們完全沒有注意到整個維度。」

在他的猜想中,額外的空間維度是「顯而易見」存在的,他說:「很難想象額外的空間維度——在日常生活中,沒有人會注意到超過三個。你所做的任何動作都可以被描述為三個方向的運動——上下、前后或側向。類似地,任何位置都可以用三個數字(在地球上、緯度、經度和高度)來描述,對應于空間的三個維度。但是也可能存在其他維度,如果它們蜷縮成小球,太小以至于無法注意到。如果你穿過其中一個維度,你會很快回到你開始的地方,以至于你永遠不會意識到你已經移動了。

額外的時間維度意味著什麼?

物理學大多認為時間必須是一個維度,但也有物理學家認為時間只是人類的構造。其他人則認為,時間的維度肯定比以前認為的要多。這對物理學意味著什麼,如果這是真的嗎?這意味著為時間旅行的想法開了綠燈。

如果時間是一維的,就像一條直線,那麼連接過去、現在和未來的路線就很明確了。添加另一個維度會改變時間進入一個二維平面,就像一張平的紙。在這樣的平面上,過去和未來的路徑會自行循環,讓你在時間中來回穿梭。那將允許各種荒謬比如祖父悖論。在這種情況下,你可以在你母親還沒有出現之前,回去殺掉你的爺爺,從而阻止你自己的出生。

根據巴爾斯的說法,粒子背后的位置和動量在任何特定時刻都是無法區分的。通過交換位置的動量,物理學保持不變。看一個木箱。無論你看它的右側還是左側,它都是對稱的。在這里,相同類型的對稱性成立。為了計算速度,我們將距離除以時間。但如果我們可以互換位置和動量,這意味著每個人都可以被賦予自己獨特的時間維度。通過這種方式,宇宙可能向我們隱藏了一個額外的時間維度。

當然,這個理論有點「劍走偏鋒」的意思,而且至今只有少數人相信宇宙存在不止一個維度的時間。

用戶評論