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《超越时空》冲破现实枷锁，在多维宇宙中开启一场惊心动魄的探秘之旅
铛铛铃2025-09-13【科普】611人已围观
简介
今天为你解读的这本书叫做《超越时空》，副标题是《通过平行宇宙、时间卷曲和第十维度的科学之旅》。
关于平行宇宙的想象，大多是存在于科幻影视剧作品当中。在电视剧《星际迷航：深空9号》里，人们利用虫洞可以在几秒钟之内跨越银河系。在电影《星球大战》当中，天行者卢克在超空间中安全地躲避了帝国星际飞船。虫洞也叫蛀洞，是平行宇宙之间的通道。我们真的可以穿越虫洞去往平行宇宙吗？理论上啊，是可以的。这不仅存在于科幻电影当中，也是现代物理学的前沿话题。这就涉及到超空间理论。那么，今天为你解读的《超越时空》这本书呢，就介绍了超空间理论。
这本书呢，从超空间的研究历史出发，讲述了超空间理论的最新成果，探讨了利用超空间穿越时空的可能性，从一个新的视角向我们展现了现代物理学和宇宙学研究的奇妙世界。
这本书的作者加莱道雄，是美籍日裔物理学家，纽约市立大学城市学院理论物理学教授。他创作了很多科普图书，包括《超越爱因斯坦》《量子场论》以及《超弦导论》等等，还曾经担任广播电台科学节目的主持人啊。
接下来呢，我将分三个部分为你解读这本书。第一部分，物理学家对超空间理论进行哪些早期探索；第二部分，说说超空间理论的最新成果，如何理解超弦理论和神秘的十维空间；第三部分，如何实现在超空间当中的旅行。
首先，让我们进入第一部分，说一说关于超空间理论的早期探索。
超空间是指五维及五维以上的空间。超空间本是数学家手中的玩物，是纯粹的数学概念，但是现在很多物理学家相信，超空间是客观存在的。从低维空间的角度来理解高维空间是非常非常困难的。一个英国人写了一本小说叫做《平面国》，也说明了这个道理啊。作者呢，是虚构了一个平面国，生活在平面国里的人都是平面图形。小说的主人公呢，是正方形先生。有一天呢，他遇到了一位球面先生，球面先生呢，是一个三维的球。可是呢，对于正方形先生而言，球面先生却是一个不断改变大小的圆圈，就像变魔术一样忽大忽小，飘来飘去。球面先生告诉正方形先生，他来自一个叫做空间国的地方，那里所有的物体都是三维的。但是呢，正方形先生不相信，他无法想象三维空间和三维的物体。球面先生呢，无法说服正方形先生，于是就把他剥离了二维平面国，扔进了空间国里。当扁平的正方形先生漂浮在三维空间时，他只能设想出空间国中的二维薄片啊，只能够看到三维物体的横截面。所以说呢，他观察到一个奇妙的世界，在这个世界当中啊，物体是千变万化，来无影去无踪。后来呢，他回到了平面国，当他向别人讲述在空间国看到的奇异景象时，其他平面国人都说他胡说八道，因而呢，把他投进了监狱。
正方形先生的遭遇令人同情，平面国人呢，似乎太愚蠢了。然而，生活在三维空间的我们，可能也和平面国人一样。我们从三维空间看超空间啊，也是从低维看高维，因此呢，非常困难。但若是反过来呢，从高维看低维，情形就恰好相反，一切都能够看得清清楚楚。物理学家发现，自然规律在高维空间当中表达时，会变得更加简单和漂亮。
为什么物理学家想到高维空间去看问题呢？这就要说到统一场理论的建立。那什么是统一场理论？过去2000多年来，科学家发现，宇宙中的一切现象都能够归结为电磁力、强核力、弱核力和引力这四种力。电磁力以电磁和光的形式存在，强核力为恒星燃烧提供热量，弱核力控制着放射性元素的衰变，引力让行星在各自的轨道上运动啊，约束着整个星系。现在理论物理的主要挑战，就是把这四种力统一成一种力，能够统一这四种力的理论，就叫做统一场理论。那这个理论呢，也是被称为万物至理，就是万物最根本的道理。建立这个理论呢，异常艰难，无数的科学家为之倾注了毕生的心血。
接下来呢，我们主要介绍三位科学家的研究贡献，他们是黎曼、爱因斯坦和卡鲁查。
先说一说德国数学家黎曼。很长一段时间呢，科学家认为，引力是两个远距离物体之间的瞬时相互作用，物理学家称它为超距作用。1854年，德国数学家黎曼提出一种全新的观点。黎曼设想把一些书虫放在一张弄皱的纸上，那这些书虫呢，也是二维平面的，他们认为世界是完全平坦的。在揉纸的过程当中呢，他们的身体也会被弄皱，但是这些书虫没有发现，他们的世界被扭曲了。如果说这些书虫在这张褶皱的纸上爬行，他们会觉得有一种看不见的力阻止他们沿直线运动，他们的身体会被推得左右晃动。换句话说呢，黎曼认为力是几何的结果。更进一步，黎曼用三维世界来代替那张纸，想象我们的世界实际上是在第四维当中被扭曲的空间啊。也就是说，空间是弯曲的。当我们沿直线行走时，好像有着一种看不见的力在拉扯着我们，推得我们呢，就像是喝醉酒一样左摇右晃。由此，黎曼推断，电磁和引力是由我们的三维宇宙在看不见的第四维当中起褶皱导致的。因此超距作用的力并不存在，力只是几何发生畸变以后导致的结果啊。是不是有一点毁三观呢？然而呢，黎曼的伟大之处恰恰就在这里。
让我们继续跟着黎曼的思路往前走。对于一个普通的二维表面，比方说一个椭球面，黎曼在他上面每一点引进一组三个数，这个数组就给出了一个三维空间里的坐标，它描述了二维表面的弯曲。把空间中的这些数字总括起来就是长度。黎曼进一步研究发现，在四维空间，需要在每一点引进一组十个数，来描述它的性质。无论这个空间被弄皱或者是扭曲成什么样子，在每一点的一组十个数，就足以表达该空间的所有信息。现在这十个数组成的数组有个专用名词，叫黎曼度规张量。啊，度量的度，规定的规，张开的张，黎曼度规张量可以用来描述具有任意曲率的任意维度的空间。黎曼惊奇的发现，所有这些空间都能够明确定义，而且也不会产生任何矛盾。就比如你要确定地球上任意一点，需要知道经度、纬度和海拔高度这三个量。但是呢，你要精确定位到某个人，就要知道他的名字、出生日期、性别、肤色等等信息。
总结一下哈，黎曼实际上做了两个工作。第一，他用高维空间简化了自然规律，他认为电磁以及引力仅仅是超空间的褶皱或者是弯曲引起的结果。第二，空间每一点的数字的集合都能够完整的描述对应空间各点的力。黎曼把空间中的力表述为场。黎曼是伟大的，他的理论石破天惊。遗憾的是，他没有最后完成立场的工作。换句话说，他不能精确地知道为了产生引力，宇宙将被怎样弄皱。他试图发现电和磁的场方程，但是呢，在完成这个计划之前，肺结核夺走了他年仅39岁的生命。黎曼的方案是纯数学的，没有找到物理学上实现空间弯曲的具体模型。
在黎曼失败的地方，爱因斯坦成功了。60年后，爱因斯坦创立相对论时，也想到了用纯粹几何的方式解释力的概念。爱因斯坦认为，引力是空间弯曲造成的错觉。我们站在地球上而不被抛进太空的原因，是地球使我们周围的空间弯曲。但是呢，爱因斯坦缺乏数学方法来描述自己的发现。他用了3年时间，想自己创造出一种强有力的数学工具，但是呢，没有成功。在最后呢，他写信向他的好朋友数学家格罗斯曼请求帮助。格罗斯曼到图书馆仔细查找，意外地发现了黎曼的著作。爱因斯坦看了黎曼的工作和黎曼度规张量，震惊不已。按60年前黎曼建立的理论，好像是完全为他而准备的，他能够用黎曼的全部工作重新阐述相对论。由此呢，爱因斯坦成功地创立了广义相对论。设想把一个铁球扔向一张绷紧的橡皮膜，橡皮膜会发生凹陷。这个时候呢，一个小玻璃珠从铁球旁边路过，它的路径就不再是直线了，而是会倾斜弯曲。在宇宙当中，橡皮膜就是宇宙空间，大铁球是太阳，小玻璃球呢，就是我们渺小的地球。地球在环绕太阳的轨道上运行啊，正是太阳的质量让空间弯曲，这就是爱因斯坦的广义相对论。
然而，爱因斯坦想再往前走一步，建立统一场理论时，他没有成功。再往前走的脚步啊，是一个叫做卡鲁查的年轻人迈出的。1914年4月，爱因斯坦收到一封信，这封信使他惊讶的几乎说不出话来，是德国哥尼斯堡大学一个叫做卡鲁查的数学家写来的。这封信实际上是一篇论文，他在五维空间中简洁地表述爱因斯坦对引力建立的场方程，接着证明了这些五维方程包含了爱因斯坦早期的四维理论和一个附加部分，而这个附加部分恰恰就是麦克斯韦的光理论。如果用五维的黎曼理论来解释卡鲁查的工作，这时黎曼度规张量可以排成一个5×5的棋盘，位于这个棋盘左上角的16个数排成的四行四列，实际上就是爱因斯坦原先的四维度规，而第五行和第五列就是麦克斯韦的电磁场。也就是说，卡鲁查通过简单的把麦克斯韦场加到爱因斯坦场当中，将两者重新组合成一个五维的场。乍一看，他好像只是简单的把空间和时间从四维扩展到五维，但是只要将五维场论分成四维场论，爱因斯坦方程和麦克斯韦方程还是各自独立的两个东西，互不干扰。换句话说，在五维空间，卡鲁查把两块分离的拼图板成功地拼接成了一个完美的整体。
但是第五维在哪儿呢？我们生活在有三个空间维和一个时间维的宇宙之中，将空间和时间统一起来，也只是一个四维时空。那么怎么样理解第五维呢？卡鲁查给了一个聪明的解释，他说更高的维不同于别的维，它坍缩了，坍缩到一个连原子也不能放置的小范围之内，或者说第五维的尺度太小了，它在实验上是不可观测的。卡鲁查迈出的这一步是了不起的，因为他的脚已经踏入了超空间领域。但是遗憾的是，在20世纪二三十年代，由于大多数的物理学家们不相信第五维存在，卡鲁查理论暂时就被人淡忘了。同时，量子力学的迅猛发展吸引了人们的兴趣，量子力学成功地统一了除引力之外的其他三种自然力，也就是电磁力、强核力和弱核力。研究取得的成果使物理学家兴奋不已，但是引力没有包含进来。为了将引力也统一起来，物理学家建立了一系列理论，比如杨-米尔斯场理论、大统一理论等等。这些理论在探索建立统一场理论的道路上都取得了进步，但是呢，也都有这样或那样的问题。总之啊，都没有取得最终的胜利。
这个时候就轮到超弦理论登场了。虽然这个理论呢，也并不完美，但是呢，它是目前我们知道的所有理论当中最接近万物至理，最接近统一场理论的科学模型。
下面让我们进入第二部分，超弦理论与神秘的十维空间，我们来看看这个理论具体说了些什么。
我们知道物质是由原子组成，而原子由原子核和电子组成，原子核又由质子和中子组成，质子和中子又由夸克组成。那么夸克和电子又是由什么构成的呢？量子力学的研究表明，夸克和电子都不可再分了，他们似乎是没有内部结构的点粒子，因此把它们称为基本粒子。基本粒子是一切物质的基本单元。超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在震动，就像小提琴琴弦的振动一样。这些细线被科学家形象地称为弦，琴弦的不同振动模式能够弹出不同的音乐，粒子内部的弦也有不同的振动模式，只不过这种弦的振动不是产生音乐，而是产生一个个粒子。不同粒子的性质由弦的不同振动行为来决定，电子是以某种方式振动的弦，夸克又是另一种方式振动的弦等等。那么根据数学上的推导，超弦理论所允许的空间维数是十维，也只有在这样的高维空间当中，才能够统一所有物理学定律。实际上，超弦理论也是卡鲁查理论的发展，但是呢，空间维度进一步扩大了。相对论和量子力学在我们的三维空间里就像两块互不相干的碎片啊，永远呢，也拼合不到一起。但是呢，如果我们把空间向上抬一抬，把宇宙变为十维空间，相对论和量子力学这两块儿看似互不相干的碎片就会令人震惊的结合到一起。
可能有人会说，为什么是十维呢？我也可以说是100维、1000维呀。啊，这可不是物理学家凭空说的。虽然我们在三维空间当中无法想象和描述这样一个高维空间，但是物理学家却能够通过复杂的数学方程推导出它的存在来。为了帮助理解，我们来设想一个宝石。玉言，一块美丽的宝石是正四面体的形状，四个面都是光滑的。一天，这块宝石突然爆炸，破碎成许多非常小的碎块，落到二维平面国。二维平面国的居民如何想象宝石破碎前的形状呢？他们把一部分碎块拼出光滑的面，一部分不光滑的碎块也勉强结合在一起，但是无论如何也不可能拼出宝石原来的模样。这个时候，平面国的一个天才物理学家诶，设想了将空间向上抬一抬，到三维空间拼合宝石碎块，并且呢，用计算机进行了模拟。奇迹出现了，他看到了所有碎块在三维空间可以拼合的天衣无缝，并且呢，异常美丽。但是大多数平面国人还是无法想象宝石的三维形状。在三维空间中，相对论和量子力学就像宝石碎块儿，无论如何也不能够结合到一起啊。但是如果说我们扩展到十维空间，他们就会拼成一个完整的宝石。
按照超弦理论，在大爆炸之前，我们的宇宙实际上是一个完美的十维宇宙。但是这个十维宇宙是不稳定的，它最终分裂为两部分，产生了两个分开的宇宙，一个是四维宇宙，另一个是六维宇宙。四维宇宙就是我们居住的这个宇宙，它在那个时刻诞生了像爆炸一样的膨胀，而它的孪生兄弟六维宇宙呢，却是剧烈的收缩，直至收缩到几乎是无穷小的地步。这个理论预言，我们的宇宙有一个孪生兄弟，即一个伴随宇宙，它蜷缩到六维小球，因为尺度太小，很难被观测到。这太不可思议了。
为了理解六维小球的蜷缩，我们用下面的例子做个类比。设想：一条架设在空中的长长的电缆线，我们在近处观察，电缆线的表面是一个柱面啊，我们可以认为它是个二维的曲面。如果说一只蚂蚁趴在电缆线上，它既可以前后移动，也可以左右移动。而如果我们远远地观察或者是想象，让电缆线变细，细到对蚂蚁而言好像是没有了粗细，蚂蚁只能够前后移动，而不能够左右移动。这时我们可以认为电缆线变成了一维，而它的另一维蜷缩了。
超弦理论似乎可以解释我们这个宇宙了，它好像就是那个万物至理。但是物理学家发现它还不够完美。例如，物理学家发现存在着五种不同形式的超弦理论啊，这五种不同的超弦理论具有不同的性质。另外，截至目前，他还缺乏有力的实验验证。因此，超弦理论还不能够被称为那个万物至理，人类还不到欢呼最后胜利的时刻，那个万物至理仍然是悬在空中啊。但是超弦理论取得的成功使我们有理由相信，我们的确离它是越来越近了。
好，接下来第三部分就和你说一说，如何穿越超空间，实现超空间旅行。
由于天空中恒星间的距离非常之大，科学作家呢，便把高纬作为群星之间的捷径。宇宙飞船不是直接穿越星系间平直的遥远征途，而只是借助于虫洞，在极短的时间内穿越弯曲空间，或者是通过超空间。然而，我们今天说的超空间旅行不再是科学幻想，而是科学家严肃的研究课题。按照超空间理论，宇宙是十维的，也就是说，在我们的三维空间之外，还存在着其他空间。如果说我们能够创造出极端的环境，空间可能被拉伸，甚至呢有被撕裂的可能性。换句话说，超空间可能提供了一种穿越空间和时间的途径。既然在三维空间之外还存在别的空间，那么在我们的宇宙之外就可能存在平行空间，我们的宇宙只是无穷多个平行宇宙当中的一个。我们可以将这些宇宙比作漂浮在空气当中的一群巨大的肥皂泡啊。通常呢，这些气泡呢，是分离的，但是连接这些平行宇宙的虫洞可能是存在的。通过虫洞，人类就有可能在不同的气泡间穿行。
那什么是虫洞呢？如果一颗恒星是太阳的十倍至50倍大，那么它在演化当中不断压缩，经过黄星、红巨星、白矮星、超新星阶段，到中子星后，引力继续压缩，它就会使它坍缩。这个坍缩的恒星密度非常大，以至于光也被迫绕着它转，也就是说，没有光能够逃脱它形成的巨大引力场，这就是所谓的黑洞。原来人们认为黑洞中引力场是无穷大，任何进入其中的物体都会被压碎。但是新西兰数学家科尔认为，一个大质量转动着的恒星不会坍缩成一个点，而是被压缩成一个环。这个环儿侧面空间仍然是存在着巨大的引力场，如果说一个物体从侧面落到这个环上，就会被摧毁。但如果物体从环的上面或者是下面进入到环中去，它受到的引力不是无穷大，因此这个物体不但能够存活下来，而且还可能穿过黑洞，这个黑洞就成了通向另一个宇宙的通道，也就是虫洞。时间在虫洞的两端会以不同的速率流逝，所以掉进虫洞的人可以回到过去或者是去往未来。
利用超空间理论，物理学家可以精确计算出制造虫洞和建造时间机器所需的能量，只是这个能量太大了，比我们在地球上所能够收集到的所有能量还要大很多倍。人类要创造出驾驭超空间的技术，操控这样大的能量，可能啊，还得等上个几百年甚至上千年的时间吧。或者说幸运地遇到了掌握超空间旅行技术的外星人的帮助。
我们人类作为一个生物物种，生存面临多重威胁，且不说地球、太阳，甚至宇宙都是有寿命的，就是核战争、小行星撞击、冰河期和超新星爆发也会危及人类的生存。然而在目前我们所能够探测的宇宙范围当中，除地球之外还没有找到任何适合人类生存的星球。科学家们相信，像地球一样适合人类生存的星球是存在的，只是距离我们那十分遥远，或者它们存在于平行宇宙之中。因此我们要到达那里，通过超空间可能是唯一的选择。人类能否主宰自己的命运，超空间理论给我们指出了一个方向，但要实现这个愿望，人类还要继续努力。
好，《超越时空》这本书就为您解读到这了，听书笔记在音频下方，我们明天见。
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