11维空间

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11维空间

根据90年代提出的M理论（超弦理论的一种），宇宙是11维的，由震动的平面构成的。在爱

因斯坦那里，宇宙只是4维的（3维空间和1维时间），现代物理学则认为还有7维空间我们看

不见。而看不见的原因是我们太大了，就譬如说远处的一根电线，我们认为它是一条线，是

一维的，如果一只小昆虫爬到这根电线上，它可以看见这根电线上的纹理、粗细，那么在它

眼中这根电线是三维的。同样，一个基本粒子中存在六维空间，只是人类没有足够小，所以

看不到。

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介绍

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根据90年代提出的M理论（超弦理论的一种），宇宙是11维的，由震动的平面构

成的。在爱因斯坦那里，宇宙只是4维的（3维空间和1维时间），现代物理学则认为还

有7维空间我们看不见。

示例

科学家们对我们已认知的维与可能存在但未被认知的维之间的区别是如何解释

的呢？他们打了一个比方：一只蚂蚁在一张纸上行走，它只能向右或向左，向前或向

后走。对它来说高与低均无意义，这就是说，第3维的空间是存在的，但没有被蚂蚁

所认识。同样，我们的世界是由4维构成的（3个空间维，1个时间维），但我们没有觉

察到所有其他的维。根据物理学家的看法还应该有7个维。尽管有这么多的维，

但这些维是看不见的，它们自身卷在了一起，被称为压缩的维。为了弄清这种看法，

让我们再以蚂蚁为例展开我们的想像。我们可以设想一下，将蚂蚁在上面行走的那张

纸卷起来，直到卷成一个圆筒形。如果蚂蚁沿着的纸壁走，最后它又会回到出发点，

这就是压缩维的一个例子。如果能沿着著名的麦比乌斯带走，也会发生上述现象，当

然，它是3维的，但如果沿着它走过，总是会回到出发点的。麦比乌斯带从维的角度

讲是压缩的，按照物理学它有3个维，但谁在上面行走，都只能认知人一个维。这就

有点像左图上的人：上行或者下行，但永远不会走到尽头。如果蚂蚁不是沿着纸筒弯

曲的壁行走，它就永远不会返回到原出发点。这就是2维（或者说被我们所感知的那

种维）的例子，沿着它一直走，就不可能返回到原来的出发点。

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解释

看不见的维

科学家们对我们已认知的维与可能存在但未被认知的维之间的区别是如何解释

的呢？他们打了一个比方：一只蚂蚁在一张纸上行走，它只能向右或向左，向前或向

后走。对它来说高与低均无意义，这就是说，第3维的空间是存在的，但没有被蚂蚁

所认识。同样，我们的世界是由4维构成的（3个空间维，1个时间维），但我们没有觉

察到所有其他的维。

压缩的维

根据物理学家的看法还应该有7个维。尽管有这么多的维，但这些维是看不见的，

它们自身卷在了一起，被称为压缩的维。为了弄清这种看法，让我们再以蚂蚁为例展

开我们的想像。我们可以设想一下，将蚂蚁在上面行走的那张纸卷起来，直到卷成一

个圆筒形。如果蚂蚁沿着的纸壁走，最后它又会回到出发点，这就是压缩维的一个例

子。如果能沿着著名的麦比乌斯带走，也会发

《优雅的宇宙》插图

生上述现象，当然，它是3维的，但如果沿着它走过，总是会回到出发点的。麦比乌

斯带从维的角度讲是压缩的，按照物理学它有3个维，但谁在上面行走，都只能认知

一个维。这就有点像左图上的人：上行或者下行，但永远不会走到尽头。如果蚂蚁不

是沿着纸筒弯曲的壁行走，它就永远不会返回到原出发点。这就是2维（或者说被我

们所感知的那种维）的例子，沿着它一直走，就不可能返回到原来的出发点。

麦比乌斯带

麦比乌斯带Mbiusbelt一种单侧、不可定向的曲面。因A.F.麦比乌斯发

现而得名。将一个长方形纸条ABCD的一端AB固定，另一端DC扭转半周后，把AB

和CD粘合在一起，得到的曲面就是麦比乌斯带。关于麦比乌斯带的单侧性，可如

下直观地了解，如果给麦比乌斯带着色，色笔始终沿曲面移动，且不越过它的边界，

最后可把麦比乌斯带两面均涂上颜色，即区分不出何是正面，何是反面。对圆柱面

则不同，在一侧着色不通过边界不可能对另一侧也着色。单侧性又称不可定向性。以

曲面上除边缘外的每一点为圆心各画一个小圆，对每个小圆周指定一个方向，称为相

伴麦比乌斯带单侧曲面圆心点的指向，若能使相邻两点相伴的指向相同，则称曲面可

定向，否则称为不可定向。麦比乌斯带是不可定向的。

麦比乌斯带单侧曲面

德国数学家麦比乌斯(Möbius.A.F1790-1868)在1858年发现的从黑洞到

微型黑洞到不可验证的宇宙11维对于黑洞，早在拉普拉斯(1749-1827，法国著名

数学家和天文学家)时代就有理论。拉普拉斯根据经典的牛顿力学预言，只要天体的

空间足够小，引力足够大，光线和其它一切物质就不能从中逃逸。天文学家在上

世纪60年代，花了很大的工夫，演算出了非常好、甚至可以说是完美的一套黑洞理论：

当一个原始天体燃尽它所有的燃料后将发生坍缩，这就是超级星爆发。爆发时它将损

失相当多的能量和质量，但只要最后剩下的质量超过3.2个太阳质量(稍微小一点就变

成中子星，再小就成了白矮星)，它最后的引力坍缩就是收不住的，在1秒的时间内，

它会变成比地球铁核还小的超高密度天体。这就形成了黑洞。这样形成的天体被称为

恒星质量黑洞，也就是大家平时所说并在科幻小说、科幻电影里出现的黑洞。由

于引力太大，连光都不能从它表面逃逸，黑洞不能被人类直接观测到。但随着理论物

理和探测手段的进展，人们可以借助观测和看不见的天体相伴的另一个天体的运转情

况(两个天体相互运转组成双天体)，从而得出其质量。然而，到今天为止，恒星

世界中那些看不见的天体没有一个被100%地证明就是黑洞。

黑洞

1994年，天文学家在星系中心发现了超大质量黑洞，并算出它体积很小，质量却

极大。“由于几个不同的天文学家小组，从低级望远镜到哈勃空间望远镜，都探测到

了，宇宙中有这样超大质量的黑洞就成了板上钉钉的事情。”李竞说。恒星质量

黑洞虽有经典理论，在观察验证上却没到盖棺定论的地步；星系中的超大质量黑洞被

观察确证，但它是怎么来的，没有一个完整的理论解释。二者正是现在科学家努力的

方向。恒星质量黑洞理论跟霍金毫无关系。霍金提出了另外一个黑洞学说，他认

为宇宙中有无处不在的微型(Mini)黑洞，黄豆大小，与木星差不多的质量，宇宙起源

的时候，这种东西无处不在。

mini黑洞

对于Mini黑洞，霍金赋予了其漂亮的理论。但天文学家少有顾及，因为它完全

无法观察研究，霍金也没有提出如何去验证的方法，而科学家对一种理论最关心的是

它能否被验证——这也是霍金迄今与诺贝尔奖无缘的主要原因。不可验证的黑洞

理论之外，霍金还提出了他的宇宙模型，给出了11维空间，认为要描述宇宙，X、Y、

Z和T(时间)4个未知数是不够的，要加到11个未知数之后，才能够解释宇宙的很多结

构。另一种说法，宇宙11维是爱德华·维顿提出来的。

维无法探测

这些“维”同样是天文学家无法探测的。李竞介绍，在宇宙起源学说领域，现

在最热门的是宇宙极早期时候的研究，包括那时控制宇宙、左右宇宙的物质规律是什

么等等，而霍金探讨的问题甚至比这个更超前。“有了早期宇宙的成熟模型以后，

才能谈到霍金所提到的宇宙大爆炸之前的问题。现在连0秒之后的瞬间都还摸不清，

怎么能谈更以前的？”国家天文台专家赵复垣曾经翻译《霍金的宇宙》，他也表示，虽

然他翻译了全书，但对里面的理论还是不懂——实际上，许多研究广义相对论的专家

都表示看不懂。但李竞和中科院理论物理研究所教授蔡荣根都认为，霍金用纯数

学方法做物理学的模型研究，这种“理论在先”的研究方法本身无可厚非。比如激光，

就是先有了理论，然后用实验制造出来。爱因斯坦的理论当中也有很多预言，是后来

被人类验证的。“预言被观测证实，这样的理论就被证明是真正的好理论。问题

是霍金的理论现在还没有给出明晰的、可以让人去寻找的东西。”李竞说。