十维空间如何计算宇宙?

我们把一个边长为2的正方形分成四个小正方形,在每个小正方形内做一个内切圆,然后在原来的大正方形中间做一个同时与这四个圆相切的小圆(用红色标出)。我们称这个小圆为“中心圈”。怎么求这个中心圆的半径?

仔细看其中一个小正方形,思路就出来了:红色的中心圆变成了一个90度的扇形,其圆心位于单位正方形的角上,外接一个直径为1的圆。可以看出,扇形的半径加上圆的半径等于单位正方形对角线的一半,这样我们就可以得出,中心圆的半径等于(sqrt(2)-1)/2。(sqrt是一个开放的根函数)

立方体也是如此。我们把正方体切成八个立方体,夹在八个球体中间的中心球体的半径应该是(sqrt(3)-1)/2。你会发现一个惊人的事实。在超立方体中,16个四维球体之间的中心球半径为(sqrt(4)-1)/2 = 1/2,与那些16个小球体一样大。真正可怕的事情发生在九维立方体。此时九维中心球体的半径为(sqrt(9)-1)/2 = 1,实际上是内接在原来的九维立方体上!到达十维空间后,中心球的直径将超过十维立方体的边长,这个中心球将突破立方体的边界!里面围起来的中心球其实比原来的N维立方体要大,这显然违背了大多数人的直觉。如果你能想象出这个画面,你就牛逼了。科幻小说中把对十维空间的感知作为文明发展的标准,除了一些相关的宇宙模型之外,可能也是原因之一。

[编辑此段]超弦理论和十维空间

超弦理论认为,没有粒子,只有弦在空间运动,各种粒子只是弦的不同振动模式。自然界所有的相互作用,所有的物质和能量,都可以用弦的分裂和组合来解释。

最奇怪的是,弦不是在通常的三维空间里运动,而是在我们想象不到的高维空间里运动。我们过去关于空间的想法都是错误的,空间正在以一种奇怪和令人惊讶的方式运动。

超弦和多维空间

粒子下面是什么?

众所周知,物质是由原子组成的,而原子是由原子核和电子组成的,原子核是由质子和中子组成的,质子和中子是由夸克组成的。那么夸克和电子是由什么组成的呢?科学家发现,夸克和电子是不可分的,似乎是没有内部结构的点粒子,因此被称为基本粒子。基本粒子是所有物质的基本单位,就像英语中的字母一样。

然而,已知的基本粒子不仅仅是夸克和电子,而是多达数百种,而且每种基本粒子都有其反粒子。我们现在把所有的基本粒子分为三类,通常称为“族”:轻子,包括电子和中微子;夸克家族,包括上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克及其各自的反夸克;一族介质粒子,包括光子和胶子。奇怪的是,除了夸克和电子,绝大多数基本粒子都没有形成更大的物质结构。比如,中微子在宇宙中永远是孤独的,不与其他物质相互作用;介体粒子只传递其他粒子间的力;有很多粒子,比如介子和超子,它们极不稳定,通常会在很短的时间内衰变为其他粒子。

我们知道电子可以像地球绕太阳转一样绕着原子核转,但是电子也可以像地球一样自转吗?按理说,这是不可能的,因为当物体旋转时,其旋转轴上有一个固定的中心点。由于电子是点粒子,所以不会有额外的“中心点”,它的自旋也就不可能了。但是科学家已经证实,电子仍然像地球一样公转自转,并且总是以固定的速率自转,这是电子的固有属性,被称为“内禀自旋”。此外,所有基本粒子都具有与电子相同的自旋。

然而,粒子的自旋与地球的自转不同。地球的自转是连续的,而粒子的自旋是间歇的,也就是说,它的自旋是跳跃的。

每个粒子的所有成员都是一样的,我们不可能区分两个电子或者中微子。但是,不同种类的粒子是明显不同的。主要区别在于它们的质量、电荷和内禀自旋不同。

这些基本粒子性质不同的原因是什么?他们为什么一直旋转?这些不同的粒子能找到更深层次的统一的内部结构吗?这些问题长期困扰着科学家。