什么是三维空间(量子物理三维是哪三维)

日常大家常常说平面是二维的,三维空间是三维的。但啥是三维呢? 

其实“维度”基本的概念并没那样容易。在数学中,维数是一个独立的参数。虽然不完全准确,但直观、容易的理解之一是,系统的维度是物体在系统中可以独立运动的方向,顶部和底部是一个维度,就像硬币的两面。在一个建筑中(也就是在空间中),大家可以来回走动,左右走动,或者上下楼梯,上下移动,也就是说前后左右上下是空间中的三维。 

对于物理学家来讲,还有一个让他们纠结了很长时间的问题:为何是三维的? 

未解之谜 

需要承认,大家现在的科学在讲解这个问题上并不十分成功。大家好的自然理论仍然不可以讲解为何大家所知晓的空间可能是三维的而不是2、四或更高维的,由于不少想法其实可以在其他维度上成立。就连爱因斯坦的广义相对论也没提到空间明显的特点。其实只须稍加调整,相对论的数学是可以打造在任何维度上的。 

大家从未放弃探寻大家的空间是三维的直接缘由。 

1917年,物理学家埃伦费斯特写了一篇非常有启发性的文章,他在文章中列举了一系列证据来讲解为何三维是描述大家这个的维度。在n维空间中运行的行星的引力与距离的(n-1)平方成反比。埃伦费斯特注意到,太阳系中行星的稳定轨道和原子中电子的静止状况,恰恰需要力的平方反比定律。举例,假如和引力成反比的不是距离的平方,而是立方,那样行星的轨道就不稳定,不是椭圆。 

理论家们也提出了人类选择的原则来讲解三维特点。宇宙中有各种可能的维度,但大家能看到大家所看到的,是由于像大家如此的生物需要一个三维的栖息地。或者说,“大家在这里是由于大家在这里”。大家的大脑是由三维交叉的神经元组成的,大家的消化道是圆柱形的管道,三维的螺旋传达着大家的遗传蓝图。空间的维度在物理学上是一个数,就像决定电磁和引力强度的常数,决定了复杂生命能否进化。原子和分子不以大家所知的形式存在于三维以外。 

然而,并非所有些学者都同意这种讲解,圈量子引力的人卡尔罗·罗威利觉得这是“胡说八道”。罗维里过去说过,“好像根本就没科学工具来解决这个问题。”但也有不少科学家觉得答案在物理上,只不过大家还没发现而已。 

去高维空间找答案 

量子引力理论将广义相对论与量子力学统一块儿。在宇宙初的炽热时刻,当空间本身是一个微小的量子混沌时,可能是有效的。或许空间的三维本质源于这个狂乱年代的未知物理。但,这是一个非常难验证的问题。巨大的机器,譬如CERN的大型强子对撞机,用巨大的能量碰撞粒子,期望把大家对物理学的理解推到充满极高能量的初始时刻,但这还有非常长的路要走。 

除去量子引力理论,超弦理论中还有一句“膜宇宙”的说法,可以理解为大家的宇宙只不过一个三维的“膜”,漂浮在更高维度的空间。在这种背景下,一些科学家进步了一种“高维碰撞”模型。比如,日内瓦大学的理论物理学家露丝·德勒(RuthDurrer)觉得,宇宙过去包含八维薄膜。高维膜比低维膜更容易相互碰撞。当碰撞发生时,膜会融合并蒸发成一系列引力粒子,或引力子。杜勒斯发现,只有三维或更小空间维度的膜足够薄,才能防止碰撞和灭绝的运势。或许其中一个会成为大家的宇宙。 

空间维度专家丽莎·兰道和他的合作者也提出了一种可能性。在她的模型中,很多不同维度的宇宙漂浮在一个不断扩大的10维超空间中。当这部分宇宙碰撞时,它们会相互湮灭。计算表明,三维和七维宇宙大概在如此的碰撞中幸存下来。 

假如同意如此的设定,好像这个问题已经有(至少部分)答案了。 

量子理论的局限性 

有的学者觉得,大家不必“走那样远”。理论物理学家马库斯·穆勒(MarkusMüller)觉得,大家可以解决三维问题,答案在于大家现有理论的基础。 

量子论的确非常不错地描述了物理,但在某些方面也违背了大家传统的实在观,譬如允许物体同时处于两种状况或两个地方。这个理论也否定了大家所珍视的一些原则,譬如明确的因果线。 

SEO.com·米勒和玛莎妮合作研究了发送方和接收方交换量子态编码信息的状况,这是真的的超安全量子密码的基础。很多实验表明,在经典中,发送者和接收者所拥有些量子信息是相互关联的。譬如你在一端改变用来编码信息的光子的量子态,你可能会在另一端看到光子态惊人的瞬时变化。 

刚开始,他们对如此一对发送者和接收者周围的物理宇宙是怎么样工作的提出了一些“合理”的假设。它需要有少量的维度,譬如时间维度,并且需要有某种方法让信息在其中流动。除此之外,他们假设上至少有一些物理过程是随机运行的,尽管他们没讲解随机的程度。 

经过复杂的数学证明,结果让人惊讶。量子论不止是能提供自然界看到的随机性和相对性的理论,而且只有在空间是三维的状况下才能运行。 

但这可能只不过数学上的巧合。量子态用二维复数表示,而不是一维实数。这部分数字相互用途,创造出一个完整的物体描述,譬如光子,可以同时处于多个状况,自然勾勒出一个三维球体来描述所有这部分可能的状况。或许这个结果只不过强调了基本量子物体和空间的维度是怎么样碰巧相同的。 

米勒不这么觉得。他觉得这指向了量子理论中空间几何与固有概率度不可分割的联系。若是如此的话,相对论和量子论的根源就会嵌入到宇宙中信息交换的方法中,也就是说在哪儿可以找到任何统一的理论。"它提供了一个线索,信息的定义将是量子引力的要紧组成部分."米勒说。 

自从他和玛莎妮的论文发表以来,其他研究职员已经用信息论的类似论点来限制空间的维度。有关研究还表明,量子力学只能在三维宇宙中成立,至少在微观物体成对相互用途的宇宙中成立,就像大家的宇宙显示的那样。通过放松这个限制,三个或三个以上的量子系统可以同时相互用途,从而打造更高维度的宇宙。 

然而,在另一项研究中,多杰·布罗迪觉得,大家得出的结论在非常大程度上取决于大家用的数学语言。量子力学也可以用四维四元数和八维八位体来表示。Blaudy和他的同事EvaMariaGraefe证明了在四元数公式中,五维空间是自然出现的,而八维量子力学需要九维空间。 

这是回到原点了吗?不完全是。与传统的量子力学相比,这部分表达式重新预测了一些实验结果的细微差异,包括粒子之间的关联程度不同。布劳迪说,假如量子相互用途真的是空间维度的出处,这意味着有机会发现新的想法和设计新的实验办法,而不需要在大型强子对撞机等机器上花费巨额资金。 

其实空间本身就非常主观。18世纪哲学家康德将空间描述为“感性的主观条件”,其意义在于让大家明确其他物体之间的关系。爱因斯坦还说,大家可以比较容易地理解“红”、“难”或“失望”包含的意思,但讲解空间存在非常大的不确定性。 

或许后还有另一种可能。大家可能不能不同意一个残酷的事实。空间的维度是一个过于“人性”的定义,可能是一个没办法讲解的讲解。