时间不止一维?美国科学家:宇宙有两个时间维度,时间旅行不是梦

原标题:时间不止一维?美国科学家:宇宙有两个时间维度,时间旅行不是梦

当我们的宇宙诞生时,大爆炸产生了空间的三个维度和时间的一个维度:这个事件创造了我们周围的一切——从星团、星系,再到恒星、黑洞和行星,甚至包括我们自己的存在。然而,关于宇宙不只是表现出三个空间维度和一个时间维度的传统信念存在一些争论。

那就是我们的宇宙真的是否只有一个时间维度吗?

可以说爱因斯坦对我们所知道的关于宇宙在宏观尺度上如何运作的大部分知识负责,他的广义相对论和狭义相对论在塑造我们对整个物理学的理解方面发挥了重要作用,但是对于我们即将进行的讨论非常重要的弦理论和量子物理学在爱因斯坦去世时仍处于起步阶段。从那时起,两者都成为了理论丰富的假设,但两者的某些方面与爱因斯坦留下的成果无法调和。在我们进入所有有趣的东西之前,什么是维度,我们如何知道它们存在?

让我们从我们日常生活中处理的三个维度开始:它们可以概括为长度、宽度和高度,直线被认为是一维的。它只有长度,没有厚度,它可以在两个方向上永远行进。二维对象,例如像圆形或正方形这样的扁平物体,有宽度和高度,但没有深度或“厚度”。任何具有长度、宽度和高度的东西都被认为是三维的,我们知道,时间是更难以捉摸的第四维……因此,为什么宇宙的结构被正式称为“时空”。

这就是弦理论的讨论发挥作用的地方。

那么,什么是弦论?

传统物理学断言宇宙由三个空间维度和一个时间维度组成。宇宙本身的体积大部分是空的,但我们可以观察到的被认为只有大约 5% 的“正常物质”(质子、电子、中子、夸克等),大约 27% 是由一种叫做暗物质,而剩下的 68%归因于一种神秘的未知力量,据信它导致宇宙膨胀,称为暗能量。

用最简单的术语来说,弦理论告诉我们想象宇宙的结构和其中的一切都不是由点状粒子组成,而是由难以理解的细小弦组成——甚至比最小的弦还要小得多原子。

这些弦以它们自己的特殊频率振动,让人可以想象,我们所感知的点状粒子实际上根本不是粒子,而是如此微小的弦,它们只有 10^33 厘米长。一些人认为,弦的长度与质子直径的比率与质子与太阳系直径的比率相同。

这些弦有两种不同类型:一种是开放的,另一种是封闭的——尽管两者都太小而无法用当前技术观察到。顾名思义,开弦就像不接触末端的波浪线,而闭弦则相反——它们形成循环并且没有开口端。

然而,为了使弦理论起作用,数学表明必须存在许多额外的空间和时间维度。如果我们找到这些其他维度的证据,并且如果额外维度的数量在 10 到 26 之间,这不仅会改变我们对量子物理学的理解,而且我们离创造一个有凝聚力和可信的“大统一理论(量子物理学和宏观物理学一致)”更近了一步,但这绝非易事。

会不会有额外的时间维度?

像往常一样,许多这些理论论点都围绕着爱因斯坦的工作。忽略爱因斯坦的信念时间可能仅仅是一个非常复杂的错觉,至于是否有可能是时间的其他层面的问题,这是一个未知。事实上,通过研究自然的基本力和物理定律如何受到时间的影响,一些天文学家认为,加入至少一个额外的时间维度将解决现存最大的宇宙学问题之一。

因为,我们仍然不知道重力是什么,或者它如何完全影响可见和不可见的物质。我们最好的猜测是爱因斯坦的理论,他认为引力是时空扭曲产生的力。物体越大,它周围的时空扭曲得越厉害,它的引力也就越强。但我们目前对引力的理解与量子力学的其他元素根本不一致。其余的自然力——电磁力和强弱核力——都适合微宇宙的框架,却不适合引力,所以有物理学家认为时间不仅仅是一维的。

美国理论物理学家伊扎克·巴尔斯(Itzhak Bars)表示:“时间不只有一个维度,有两个维度。到目前为止,我们完全没有注意到整个维度。”

在他的猜想中,额外的空间维度是“显而易见”存在的,他说:“很难想象额外的空间维度——在日常生活中,没有人会注意到超过三个。你所做的任何动作都可以被描述为三个方向的运动——上下、前后或侧向。类似地,任何位置都可以用三个数字(在地球上、纬度、经度和高度)来描述,对应于空间的三个维度。但是也可能存在其他维度,如果它们蜷缩成小球,太小以至于无法注意到。如果你穿过其中一个维度,你会很快回到你开始的地方,以至于你永远不会意识到你已经移动了。

额外的时间维度意味着什么?

物理学大多认为时间必须是一个维度,但也有物理学家认为时间只是人类的构造。其他人则认为,时间的维度肯定比以前认为的要多。这对物理学意味着什么,如果这是真的吗?这意味着为时间旅行的想法开了绿灯。

如果时间是一维的,就像一条直线,那么连接过去、现在和未来的路线就很明确了。添加另一个维度会改变时间进入一个二维平面,就像一张平的纸。在这样的平面上,过去和未来的路径会自行循环,让你在时间中来回穿梭。那将允许各种荒谬比如祖父悖论。在这种情况下,你可以在你母亲还没有出现之前,回去杀掉你的爷爷,从而阻止你自己的出生。

根据巴尔斯的说法,粒子背后的位置和动量在任何特定时刻都是无法区分的。通过交换位置的动量,物理学保持不变。看一个木箱。无论你看它的右侧还是左侧,它都是对称的。在这里,相同类型的对称性成立。为了计算速度,我们将距离除以时间。但如果我们可以互换位置和动量,这意味着每个人都可以被赋予自己独特的时间维度。通过这种方式,宇宙可能向我们隐藏了一个额外的时间维度。

当然,这个理论有点“剑走偏锋”的意思,而且至今只有少数人相信宇宙存在不止一个维度的时间。

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