三维宇宙的三个绝对颠覆认知的启示

近一个世纪前，埃德温·哈勃发现来自我们自身以外所有方向星系的光发生红移，这表明空间本身正在膨胀。结合一些非欧几里得几何学的见解，哈勃的发现暗示宇宙存在着我们日常生活中熟悉的三个维度以外的更多维度。

这是因为宇宙的部分区域正在彼此远离，但又没有一个物理中心，在三维空间中没有一个起源点。想象一下一个正在膨胀的气球，只从它不断增长的二维表面来看，然后将其推断到我们能在三维空间中感知到的四维膨胀。这种视角表明，三维空间可能像气球的二维表面被弯曲到三维空间一样，被弯曲、折叠或扭曲到第四维度。

我们看不到也感觉不到更多维度；然而，理论物理学预测它们应该存在。这很有趣，但有没有实际的应用？它们能成为应用物理学的一部分吗？

1. 曲速引擎

在教授第四维度时，物理学家们使用了类比，比如一个叫做超立方体的图画，甚至还有19世纪埃德温·阿博特·阿博特的小说《平面国》。这本书描绘了生活在一个只有长度和宽度的平面世界里的二维生物。由于无法感知第三维度，平面居民只能看到三维访客的一个切面，这有点像计算机断层扫描或磁共振成像以切片的方式显示身体。穿过腿部的两个切片，一个比另一个高几毫米，看起来几乎一样，但穿过腰部或胸部的切片会显示出截然不同的景象。我们可以理解这个类比，将我们三维的环境想象成一个四维环境的无数切片之一。

但超越四个维度，事情会变得更加离奇，并且非常难以想象。主要的理论叫做M理论，它是一种统一各种所谓超弦理论的物理学理论。在M理论中，根据解释者的不同，有10个或11个维度。除了我们熟悉的三个维度外，还有紧致维度。这一切都与一种称为膜的现象有关，膜像弦一样振动，但对这个讨论最相关的是，额外的或紧致的维度不一定必须保持紧致。就像一个“箱中跳蚤”，也许有可能“拆开”这些额外的维度，正如Richard Obousy（一家推广星际飞船研究的非营利组织Icarus Interstellar的负责人）所说。

Obousy告诉我：“如果一个先进的文明学会如何操纵更高维度，他们可能会将它们用于技术，包括曲速引擎。”其理念是，通过某种受控的额外维度解紧，可以达到压缩或扩展我们所知的三个大维度之一的效果。在星舰前方施加压缩效应，在后方施加扩展效应，你就会拥有曲速引擎，就像我在之前的帖子中讨论的那样。

但现在就别打包去仙女座阿尔法星旅行了，因为还有一个很小的复杂问题，Obousy对此深表认同。到目前为止，我们还没有任何证据表明假设的额外维度确实存在。也许很快，我们就能从大型强子对撞机那里获得一些证据，但即使那样，是否会导致曲速引擎技术，也只能是猜测。

2. 时空旅行

时间通常被认为是一个维度，即使不是空间维度，而且我们确实正在顺利地沿着时间轴前进。我们没有技术可以倒退并改变历史。如果我们能找到一种穿越其他维度的方法，气球类比告诉我们，这应该能实现一种隧道效应，到达从我们感知到的三个维度来看看似遥远的地方。

然而，我们是否能隧道进入其他时间段（未来或过去）则不那么清楚。任何《星际迷航》的粉丝都知道，回到过去的时空旅行的哲学是令人费解的，因为你可以改变历史，阻止导致你存在的事件发生，等等，等等。但是，前往未来的时空旅行——从每分钟一分钟、每年一年的正常速度加速——则不需要哲学。更重要的是，我们知道如何做到这一点。

这被称为时间膨胀，它由爱因斯坦的狭义相对论预测，如果我们以接近光速的显著比例加速一艘宇宙飞船，它就会发生。以接近光速（c）的速度旅行，从你的角度来看时间会变慢，并且这种减缓可以用一个称为洛伦兹因子的变量来量化。在一艘速度接近0.87c的飞船上，洛伦兹因子=2；因此，从地面观察者的角度来看，每在飞船上过去一分钟，旅行者就向前进入未来两分钟。在0.94c时，洛伦兹因子=3，并且随着飞船渐近地接近光速，它会更显著地增加。例如，在0.9992c时，洛伦兹因子达到25，如果你以这个速度保持足够长的时间，就能显著地进入未来。如果你进行一次往返25光年外的织女星的旅行，你们在飞船上会度过两年（你们会老两岁，积累两年的记忆），但到达地球时，你会发现自己已经向前跨越了半个世纪。

这真的会发生；我们很确定，因为时间膨胀已经在加速器中的亚原子粒子上得到了证明。我们现在还不能对人类进行这种实验，但达到相对论速度的能力只是时间问题（恕我开个玩笑），因为这可能通过近在眼前的技术实现，即核聚变。

3. 可穿越虫洞

多维宇宙带来的另一种交通方式是虫洞。当卡尔·萨根为他的小说《接触》寻找一种现实的星际旅行方式时，他咨询了理论物理学家基普·索恩。索恩与加州理工学院的几位顶尖研究生一起，算出了方程，表明确实有一种方法：一个稳定、可穿越的虫洞，甚至是一个连接时空不同区域的此类隧道系统。

这比米格尔·阿尔库贝雷证明爱因斯坦的广义相对论允许星际迷航式的曲速引擎早了十多年，因此萨根认为虫洞概念是他作品中主角艾莉·阿罗薇能够快速穿越银河系以满足故事情节需求的唯一科学有效的手段。

一个先进的文明可以建造一个由虫洞构成的隧道系统，连接时空结构的各个点，通过第四维度将出发点和到达点拉近。如果我们能做到，我们可以在太阳系内部附近有一个入口，通往目的地，例如一个拥有类似地球行星的附近星系。在科幻小说中，这就是“星际之门”的概念。

由于广义相对论中的爱因斯坦场方程推导出的数学复杂结果，能够扭曲空间的科技，无论是曲速引擎还是可穿越虫洞，都需要一种称为负能量的现象。直观上很难想象负能量是什么，但它的存在与一个成熟的物理学领域——量子场论——是一致的。事实上，利用量子光学技术和一种称为卡西米尔效应的现象，物理学家们已经少量地（负真空能量）生产出了某种负能量。自然界会以大量产生负能量，但只有通过巨大的引力浓度，这是我们无法人工产生的。

根据德克萨斯州奥斯汀高等研究院的高级研究物理学家埃里克·戴维斯（他是一位超光速推进概念专家）的说法，最有效的方法是使用一种名为Ford-Svaiter镜的量子光学装置。这还不是任何人建造过的，但它可以被建造。它将浓缩负真空能量。如果用一个小型的Ford-Svaiter镜来做，它会产生一个迷你虫洞，但戴维斯说，该装置可以被放大，制造出越来越大的虫洞，最终大到足以让宇宙飞船进入。寻找出口点的导航一开始会很棘手，但理论上可以将Ford-Svaiter镜放置在不同的点，创建一个类似调谐器的东西，例如从地球附近到一个位于附近星系中的类似地球行星的点。

一旦第一个具有稳定入口和出口点的虫洞被建造出来，我们就能在地球和我们的第一个星际目的地之间往返。我们可以探索那个星系，毫无疑问，特别是如果它包含一个我们可以殖民的宜居行星，但我们也可以将其作为一个跳板，前往更远的地方。这样，我们就可以一点一点地在我们银河系的一角创建一个类似网络的东西。

或者，也许在某个时候，我们的隧道可能会接入一个已经存在的网络，类似于萨根设想的那样。在这种情况下，我们最好学会规则，因为可能会有交通。