鳥學(xué)者說
什么是四維空間？怎么升維？黑洞是什么？平行宇宙存在嗎？時間會終結(jié)在哪里？關(guān)于宇宙的時空原理，對我們的人生有什么啟發(fā)？關(guān)于這些問題，不久前，我們邀請了物理系大牛舉辦了一次線上講座，文字整理如下，希望更多人看到哦！
主講人
張宏寶：博士，任教于北師大物理系。碩士畢業(yè)于北京大學(xué)，加拿大圓周理論物理研究所、滑鐵盧大學(xué)和北京師范大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士。先后在希臘克里特大學(xué)、布魯塞爾自由大學(xué)、國際索爾維研究所從事博士后研究，研究方向：全息引力、黑洞、數(shù)值廣義相對論等。
主持人
張鸝：中國傳媒大學(xué)副教授，著有《關(guān)于星空與人世法則的思考》《高維思維訓(xùn)練的七堂課》等。
張鸝：《三體》中曾描述了這樣一個“四維空間”：一個少女正在太空艙中安靜地睡覺，但她的身體已莫名地被“截開”，我們能看到她腿上的骨骼、肌肉、血液，一切如此生動鮮活，但絲毫不影響她的休息。四維似乎比平常多了一種視角，能深入到物體內(nèi)部。以上是關(guān)于四維空間的準(zhǔn)確描述嗎？正確的時空觀是什么？
張宏寶博士：這對我來說，仍然是三維空間，只不過好像有透視眼一樣可以看到人身體的內(nèi)部。若想更深入了解，不得不簡單地提一下相對論?？臻g為什么是三維？我們有上下、左右、前后，所以說空間是三維，空間三維再加上時間一維，就構(gòu)成了時空。四維空間的景象，我想是沒法想象的，我能做到的事情是用數(shù)學(xué)的語言描述它。一維的世界，只需要確定X軸這根線上的點(diǎn)的位置，一個數(shù)就可以了。什么是二維呢？平面是二維的。為什么說平面是二維的呢？一個很重要的原因，是需要兩個數(shù)才能確定平面上點(diǎn)的位置。比如我需要X、Y兩個數(shù)才能確定，你只告訴我X的位置，我沒法確定這個點(diǎn)的位置。比如，我們說地球的表面是二維的，因此，我們怎么才能確定這個地球上的位置呢？我需要兩個數(shù)，一個是經(jīng)度，一個是緯度。依此類推，你會發(fā)現(xiàn)，三維的空間，需要三個數(shù)才能把位置確定下來。那么四維呢，就是自然而然用數(shù)學(xué)的語言去推廣。這是我覺得數(shù)學(xué)比較強(qiáng)有力的一個地方。你說，我怎樣去想象出一個四維的或者更高維的世界，那對不起，四維空間的景象，我是沒法想象的。
當(dāng)然，時空這個概念是四維的，是三維的空間加上一維的時間。這意味著，我要描述一件事情，我必須告訴你它在什么時間發(fā)生的，它在什么地點(diǎn)發(fā)生的。什么時間就是一個數(shù)，地點(diǎn)我們說要三個數(shù)，因?yàn)槭侨S的空間。所以說，四維時空里面每一個點(diǎn)對應(yīng)一件事。比如說，這里面某一個點(diǎn)表示你正好和某一個人在餐館里吃飯，另外一個點(diǎn)表示某一個人正在屋子里看電視。作為示意圖，我愿意畫一個圖，只是一個1+1維的時空，也就是二維的時空。
問：關(guān)于四維空間，這張超立方體的動圖靠譜嗎？
張博士：如果我沒記錯的話，這個超立方體是由Kip Thorne提出的，他的引力波理論明年可能會拿諾貝爾物理學(xué)獎。超立方體只是展現(xiàn)給我們看了它的邊界，里面到底是怎樣的，你還是看不見，它只是給你看了這個四維世界的邊界。邊界里面包圍著的是更高維的東西。
問：《三體》的“降維攻擊”（注：更高智慧的外星人向太陽系發(fā)送過來一張像名片那樣大小的二維卡片，只有二維沒有厚度，它是一種非常厲害的武器，能把整個太陽系壓縮成二維的扁片）在現(xiàn)實(shí)中有無可能？
張博士：在現(xiàn)實(shí)中，我想有這種可能性?；蛘吣阒苯邮掷锬靡粋€東西，你使勁捏它，把它捏扁。有的人碰到一個動物，喜歡使勁踩，踩扁了。這個姑且可以稱之為一種降維的攻擊，這是相當(dāng)野蠻的一種行為。對我來說，我并不是很喜歡降維攻擊這個概念。相反的，我喜歡另外一個概念，叫升維攻擊。升維也就是你提高自己的水平，相對來說，你達(dá)到了降低別人維度的一種效果。我們衡量一個人，我們常常是直線的一種思維。然而，我覺得不能只用一個參數(shù)去衡量一個人，每一個人的內(nèi)涵遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一維，甚至是一個無限維的系統(tǒng)（根據(jù)有效場論的思維，也許有限維度就能比較好的刻畫我們，但這有限維度絕對不是一維的）。強(qiáng)大自己，用升維的思路，這個世界對我來說才會變得更加有活力。
而整個人類社會的非常重要的一件事情就是要拓展無限維空間里的可能性。
問：所以，我們是否可以認(rèn)為：整個宇宙都在向著“升維”這個大方向演進(jìn)？
張博士：我想，這是非常有趣的一個問題。整個的宇宙原來沒有時間、空間，但是突然之間，一次大爆炸，憑空創(chuàng)造了時間，多了一個時間的維度，憑空創(chuàng)造了三維空間。宇宙大爆炸本質(zhì)上就是一個升維的過程、突變的過程。當(dāng)然，宇宙一旦有了空間、時間之后，時間一直在往前邁進(jìn)，而且在空間上，宇宙一直在膨脹，特別特別讓人驚訝的事情，我們今天的宇宙不但在膨脹，而且還在加速膨脹。宇宙在膨脹意味著什么？意味著當(dāng)我們仰望星空的時候，我們看到的星系正在離我們遠(yuǎn)去。遠(yuǎn)處的星系離我們越來越遠(yuǎn)，而且它在以越來越快的速度遠(yuǎn)離我們。這會來帶什么后果呢？假定我們的宇宙永遠(yuǎn)這么加速膨脹下去，那么若干年以后，當(dāng)然不是我們今天我們此時的地球人所要擔(dān)心的，但是會在有限的時間內(nèi)，因?yàn)閯e的星系離我們太遠(yuǎn)了，跑得太快了，以至于從別的星系發(fā)過來的光都沒法到達(dá)我們這里，所有星系的光都沒法到達(dá)我的眼里，也就是我什么都看不到了。那個時候，我們只能看到銀河系，銀河外的星系全部都看不見了。假定某一天，這個世界的文明被破壞掉了，那么我們的后代所看到的整個宇宙就是整個的銀河系，我們將會變得非常非常孤獨(dú)。
這是一個非常悲涼的景觀，只有我們銀河系，不同的星系之間，沒有任何途徑可以相互溝通。因?yàn)樽羁斓挠嵦柧褪枪猓舛紱]法傳遞。面對這樣一個孤獨(dú)悲涼的景觀，我覺得，大家也許應(yīng)該友好一點(diǎn)，多一些溫情，因?yàn)槲覀兪枪陋?dú)的。
問：能否談?wù)勅f有引力？
張博士：當(dāng)宇宙在膨脹的時候，我們的銀河系還在一起，根本原因就是銀河系用引力把我們束縛在一起，不至于分崩離析。但是非常令人驚訝的事情，我們的宇宙今天在加速膨脹，這就告訴我們，這個世界上還有另外的一種斥力。這個正是當(dāng)代物理學(xué)非常重要的一個問題，大家把造成這種斥力的罪魁禍?zhǔn)追Q之為暗能量，是一種我們現(xiàn)在還不知道的物質(zhì)形態(tài)，我們本來以為我們對這個世界中的所有的物質(zhì)都很了解了，但是今天的宇宙學(xué)告訴我們對整個世界依然缺乏了解。我們現(xiàn)在所可見的肉身啊，這些物質(zhì)也許只占整個宇宙物質(zhì)的4%左右，還有暗能量，還有暗物質(zhì)，我們對它仍然缺乏了解。
問：能否談?wù)劤依碚摚?/strong>
張博士：超弦理論是試圖在根本上理解這個世界為什么是這樣的一種理論。超弦理論根據(jù)它的自洽性，如果這個世界允許一根量子弦，就是一維的那個弦——就好像是吉他的那個弦——存在的話，最終你會發(fā)現(xiàn)，他所能生存的空間只能是十維，也就是一維的時間加九維度的空間。太大了，維度太高，一根弦在這里生活不下去，會導(dǎo)致各種病。維數(shù)太低也活不下去，唯一能活下去的恰恰是一維的時間加九維度的空間，也就是十維的時空?！兑粡垐D搞懂十維空間》也許會給別人造成某些誤解，因?yàn)檫@里也涉及怎么面對抽象世界的態(tài)度。我們可能總是覺得我能看得見，我能想象得了，這樣我才能理解。這只是我們理解這個世界的一種方式，當(dāng)你想對這個世界有更深入更深刻的理解的時候，你不得不進(jìn)入一個抽象的世界里，不得不借助于數(shù)學(xué)的工具，所以我說要學(xué)會用數(shù)學(xué)去理解那些概念。不要說我想不到四維長什么樣子，這個世界上沒有人能想象它長什么樣。
在弦理論里面，解釋沒有不同。大家都是有一個統(tǒng)一的理解，當(dāng)然它現(xiàn)在仍然是一個理論，一個非常漂亮的理論。因?yàn)槲锢韺W(xué)家也很想知道這個世界是怎樣的，其中一個問題就是，為什么我們這個世界，目前我們看到的維度是一維的時間、三維的空間？從數(shù)學(xué)上來說時間只有一個，大家好像沒有什么特別的疑問。但是空間為什么只有三維，更低維不大可能，可不可以更高維？可以更高維。只有弦理論可以告訴你，預(yù)言這個時空的維度應(yīng)該是一維的時間加九維的空間。
我們現(xiàn)在只感受到三維的空間，另外的六維是怎么回事？一種說法是，另外的六維非常非常小，就好像地球是三維的，我們在非常非常遙遠(yuǎn)的太空上看地球，你看到的地球就好像是一個點(diǎn)一樣，就是0維的了。另外一種理解，我們可能生活在九維空間里面的一張模上，一張三維的模上，雖然整個這個世界是九維的，但是這里面肯定有很多低維的東西，就好像在我們的三維世界里面，墻壁是二維的。假定有一種神秘的方式把某些人限制在這個墻上，就是之前說的降維技術(shù)，那么你只能永遠(yuǎn)在二維的這個世界里面生活了……
問：正在墜入黑洞的人和在外的觀測者哪個觀察到的才是真實(shí)？
張博士：他們各自看到的都是真實(shí)的景象，都是真實(shí)的。其實(shí)物理學(xué)里面，我想通過這個機(jī)會向大家傳達(dá)這樣一個想法：物理學(xué)體現(xiàn)了平等、民主的思想，就是你看到的世界和我看到的世界都是真實(shí)的，沒有哪一個比哪一個更高貴，更了不起。
問：上帝可能存在嗎？
張博士：這是一個開放的問題，科學(xué)家對這個問題也保持一種開放的態(tài)度。但是我想，無論上帝存在與否，假定不存在，沒問題。但是假定存在的話，我想說上帝也必然會受我們的影響。我們可以設(shè)想，上帝創(chuàng)造了整個的世界，但這個世界整個發(fā)展的脈絡(luò)也許會失控，會反過來對他產(chǎn)生影響，這是一個基本的規(guī)則。假定真的有上帝存在的話，上帝會和我們互動。這是一個開放的問題，科學(xué)家正在一步一步地邁進(jìn)。
問：平行宇宙存在嗎？
張博士：我本人相信平行宇宙的觀念。你問我平行宇宙存在的證據(jù)的話，我只是想說，如果你假定它存在的話，這個世界很多東西也許更容易被解釋。這里，我非常愿意舉一個非常有趣的例子來展示這一點(diǎn)。首先來問一個問題，太陽系里面，為什么地球上有生命，別的幾大行星沒有生命？很重要的一點(diǎn)，地球距離太陽不遠(yuǎn)不近，太遠(yuǎn)太冷，太近太熱，曾經(jīng)有人要研究為什么地球和太陽的距離是如此恰到好處。這里可以想象出上帝的存在，是上帝所為，一種神的力量。但是后來大家發(fā)現(xiàn)，對這個問題的理解，不要把眼界局限于太陽系，而是要看整個銀河系。當(dāng)你看整個銀河系的時候，你會發(fā)現(xiàn)天上有很多星星點(diǎn)點(diǎn)，這些星星點(diǎn)點(diǎn)都是和太陽一樣的東西，只不過距離我們太遠(yuǎn)，它們也在劇烈燃燒，是顆恒星。很重要的一件事情是，整個銀河系有千億顆太陽，有千億個太陽系。馬上有一句話來了，林子太大，什么鳥都有！我們正好屬于這么一只鳥，我們這個太陽系正好是有這么一只鳥，有一個行星，它距離太陽的距離恰到好處，結(jié)果孕育出生命來了。別的太陽系就是另一個世界，別的鳥可能就會有外星人，所以我是相信有外星人的。那么依此類推，我們今天對整個宇宙，為什么發(fā)現(xiàn)是這樣？我們也沒法去理解這個問題，但是如果你不把眼光局限于這個宇宙這個鳥，你一旦相信有更多宇宙的話，有平行宇宙的話，整個宇宙這個林子太大了，于是有我們這款宇宙。
問：關(guān)于宇宙的超難時空原理，能否對我們的人生有啟發(fā)？
張博士：我想這些是關(guān)乎終極的一些問題，我想這和詩和遠(yuǎn)方是一個概念。它似乎距離我們的生活很遙遠(yuǎn)，但是又是我們每個人可能都會自然問的問題。比如，我們小時候可能會問自己，我是從哪里來的？不是在橋底下?lián)斓?，而是你父母孕育的你。但是我們可以把這個問題繼續(xù)問下去，你父母從哪里來的？一直問你會問到生命的起源，再繼續(xù)問，你會問到地球的起源，太陽系的起源，銀河系的起源……最終歸結(jié)為整個宇宙是怎么起源的？是不是起源于那次大爆炸？那個大爆炸到底是怎么一回事？另一方面，我們常常說人生觀，價值觀，以及世界觀很重要。談朋友的時候，很重要的一點(diǎn)看三觀和不和。而宇宙觀如果不是額外的一觀，大約是這世界觀中最重要的一部分，它以一種微妙的方式，深刻的影響著你的價值取向，以及生活態(tài)度。
問：時間會終結(jié)在哪里呢？
張博士：就目前根據(jù)廣義相對論的理解，時間起始于宇宙大爆炸。時間有沒有終結(jié)的地方呢？終結(jié)的地方是在黑洞里面的一個奇點(diǎn)，那是時間終結(jié)的地方。如果我們不進(jìn)入黑洞，那么，就目前的理論來說，這個時間可以一直持續(xù)下去，時間不止，人類不斷地繁衍。
有個朋友問，人死后，人的思想去哪里了？這其實(shí)是一個非常好的問題，一個比較詩意的回答是，思想是一種因緣而聚、因緣而散的概念。就好比，現(xiàn)在天空在下雪，雪花那么美麗那么潔白，但是一旦落到地上，它慢慢地融化就不見了，雪花因?yàn)榫壎?，因?yàn)榫壎ⅰ５撬且砸环N物質(zhì)的形式，水只不過是水，它仍然存在于這個宇宙之中，但是雪花本身就此消失了。
問：黑洞是什么？
張博士：有一個朋友說，我們可能生活在虛擬的世界里面。有這種可能性，假定你可以想象我們是某一個萬能的上帝創(chuàng)造的，它在擺弄著我們。有沒有這種可能？我覺得這種可能性是有的。但是我覺得，科學(xué)很重要的一件事情是對所有這種可能性都持有開放的態(tài)度，但是在行走的時候，我們卻小心求證，一步一個腳印前進(jìn)，去搜索證據(jù)，去看這個世界到底是怎樣的。黑洞是什么？黑洞的引力太大了，你一旦進(jìn)去了，就出不來了，唯一的歸宿就是時間的終結(jié)，你到達(dá)那個地方的時候，時間都沒了，你也就會沒了。所以說那個地方很危險，那個時間終結(jié)的地方就是奇點(diǎn)，大家稱之為時空奇點(diǎn)。時空奇點(diǎn)是時間終結(jié)的地方。宇宙大爆炸也是一個時空奇點(diǎn)，那是時間開始的地方。
其實(shí)這兩個奇點(diǎn)都是愛因斯坦廣義相對論的預(yù)言，但是我們相信，真實(shí)的世界是不可能有這種奇點(diǎn)的，所以，當(dāng)愛因斯坦的理論預(yù)言奇點(diǎn)存在的時候，它本質(zhì)上告訴我們，這個理論在奇點(diǎn)這個地方是不對的。那個地方到底用什么樣的理論去代替，當(dāng)然弦論是一個非常非常有力的候選者，弦論是一種量子引力。
問：能否用最簡短的方式說說平行宇宙、多重宇宙、鏡像宇宙的區(qū)別？
張博士：
這張圖主要是回答其它維度有沒有智慧生命的。我的回答當(dāng)然是，會有。就好像這張圖，我們是生活在這樣一個模上，另外一張圖是另外的人生活在另外一張模上，當(dāng)然可能會有。多重宇宙是一個非常開放的觀念。其中最瘋狂的一個觀念是認(rèn)為一切數(shù)學(xué)自洽的體系都會有一個真實(shí)的宇宙與它相對應(yīng)，這最終歸結(jié)為叫做數(shù)學(xué)的多重宇宙。平行宇宙可能要比多重宇宙的概念稍微小一點(diǎn)，有時候大家也可能會混用，我們可以姑且認(rèn)為是一樣的。
鏡像宇宙可能涉及對稱性，比如說，有個鏡子，那里面有個世界。但是我覺得這個鏡像的宇宙并沒有多少實(shí)際的價值，就好像你照鏡子，那個鏡像完全是由于光的反射造成的，它并不真的構(gòu)成一個真實(shí)的宇宙。
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