五维空间理论的起源与发展

五维空间理论的起源与发展

1905年,阿尔伯特·爱因斯坦在他的《狭义相对论》中指出,通过光的宇宙速度限制,空间与时间紧密相连。因此,严格来说,我们生活

在一个四维空间的时空当中:南北、东西和上下的三维空间加上过去和未来的时间纬度。

爱因斯坦认为,能量(最常见的是质能)扭曲了四维时空。由于无法感知这四个维度,我们在一个大质量物体的存在下将运动归结为重力,而不是这种曲率。而已知的另一种力,电磁力是否可以用空间的额外维度的曲率来解释?

五维空间理论的起源与发展

1920年代,为了统一重力与电磁两大基本力的理论模型,瑞典物理学家奥斯卡·克莱因和德国数学家兼物理学家西奥多·卡鲁扎提出,四纬空间维度卷曲成一个半径非常小的圆,所以粒子沿着这个轴移动很短的距离,就会回到起始点。粒子在回到起始点前所能行进的距离则称作是该维度的大小,这个额外维度就是第五纬度。

第五维据信是一个微观纬度,原因是电磁力比重力强1040倍,第五维度的曲率必须非常大才对,以至于它被卷得比原子还要小,而且不可能被观察到。当一个粒子,如电子,在空间当中旅行时,我们看不见它,它将在第五维度上转来转去。

由于发现了在原子核领域运作的另外两种基本力:弱核力和强核力,卡鲁扎-克莱因理论受到严重打击。但半个世纪后,”弦理论 “的支持者们又重新提出了额外维度解释力的观点。在该理论中,宇宙的基本构件不再是粒子,而是质量-能量的微小”弦”。为了统一所

有四种力,弦在10维时空中振动,其中六个空间维度卷起来远小于一个原子。

五维空间理论的起源与发展

弦理论派认为,我们的宇宙可能是一个漂浮在10维时空中的三维岛或“膜”。

有一种方法可以解释一个更大的第五维度,它是以一种我们看不到的方式弯曲。

1999年,美国理论物理学家丽莎·兰德尔和印度裔美国理论粒子物理学家拉曼·桑德鲁姆提出,如果将宇宙视为在5维空间中膨胀的薄膜,那么就有可能获得粒子理论对应的一个尺度到5维宇宙常数和宇宙厚度。这是一个极其扭曲的有限五维空间,包含两个膜:普朗克膜(其中重力是一种相对较强的力,因此也称为“重力膜”)和Tevbrane(标准模型粒子存在的地方,称为“弱膜”)。在这个模型中,两个膜在第五维上相隔大约 16 个单位(基于膜能和体积能量的单位)。普朗克膜能为正,而Tevbrane膜能为负。这些能量是导致时空极度扭曲的原因。

兰德尔-桑德鲁姆理论认为,宇宙的四维性是稳定性要求的结果,因为爱因斯坦场方程的额外分量给出了物质的局部解场符合稳定的条件。

五纬空间甚至可以解释暗物质。暗物质这种不可见的东西似乎比可见的恒星和星系多出六倍。德国约翰内斯-古腾堡大学的一组物理学家今年提出,在一个隐藏的第五维度中传播的迄今未知的粒子的引力可能在四维宇宙中表现为我们目前归因于暗物质的额外引力。

虽然这是一种令人兴奋的说法,但需要指出的是,暗物质不乏可能的候选者,包括被称为轴子的亚原子粒子、黑洞和来自未来的逆时空物质。

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