為何空間只有三維?

物體皆有長寬高，日常生活讓我們不假思索地習慣於這個三個維度的空間。但為什麼宇宙也是三維空間？尤其無論「弦理論（string theory）」或大霹靂理論（Big Bang theory），兩者都無法將三維空間解釋清楚的情況下？物理學家實在為此傷透腦筋。

多數天文學家都支持「大霹靂說」這個宇宙學模型，它提出：宇宙是從某無限小的點爆炸誕生的。譬如現在所觀測得到的宇宙微波背景，現在所觀測得到的某些元素在自然歷程中的豐度，諸如此類，在在都發表它們對大霹靂理論的支持。但大霹靂這個宇宙學的論述卻未能和愛因斯坦的廣義相對論取得一致—在廣義相對論中，任何情況下，整個宇宙不可能是一個無限微小的點，這也意味著大霹靂理論將無法單槍匹馬的完整解釋：宇宙如何起源。

如此一來，廣義相對論和大霹靂宇宙學間的不相容，成為橫逆在宇宙學家面前、阻斷前方去路的一大障礙。40年前，超弦理論出現，似乎有可能成為物理界的大統一理論（Grand Unified Theory）。

超弦理論提出的概念是，電磁力、弱作用力、強作用力和重力等所謂四種基本作用力，其實都是極微小的弦在不同振盪模式下的表現而已。重力既然是四種基本作用力之一，超弦理論的解釋範圍自然也含括廣義相對論在內。問題是，超弦理論預估一共有10維—9維屬空間，一維是時間。這和我們的三維宇宙又怎能湊得成一對呢？

新興的超弦理論真能成為大統一理論嗎，數年之間，它的威風不再，更進一步探究只能侷限在模型和情境討論而已，實際演算，因實在太困難，無以為繼。之後，超弦理論的有效性和實用性前景，也變得不甚明朗。

不過，最近KEK(日本高能加速器研究組織)副教授Jun Nishimura，靜岡大學副教授Asato Tsuchiya和大阪大學Sang-Woo Kim研究員等三名研究人員，成功地在超弦理論基礎上架構出「宇宙如何誕生」的計算模型。

他們在超級電腦的協助下發現，在大霹靂的一剎那，宇宙本來有十維—九維屬空間，一維時間 – 而其中，空間的九維中，只有三個空間維後來繼續擴張。

該團隊研究人員研發出一種矩陣計算的方式，可以用來代表弦與弦之間如何發生交互作用。藉由這種矩陣，他們計算到9維空間在歷經過時間進展後可發生怎樣的變化。倒回至更早時間，他們就發現：空間是以9個方向延展的，但從某一點開始，只剩下3個方向迅速地擴張了。

簡單說，也就是，弦理論所預測的9維空間的確可以演變成現今我們所生活的這個三維空間。

目前這個研究結果對於空時維度的謎題來說只不過是個局部的解，不過它強烈支持了超弦理論的實用性。也有可能，這個藉超級電腦的計算力來分析超弦理論的新方法，未來也將為宇宙學其他問題帶來新應用及解答。(Lauren 譯）

故事從「大霹靂」開始說起的宇宙歷史。圖片版權：grandunificationtheory.com

 
用視覺的方式來傳達「弦」。 圖片所有： R. Dijkgraaf.

這張宇宙的「嬰孩時期」照片顯示出宇宙背景輻射溫度的微小波動分布情形。熱點以紅色表示,冷點以深藍色表示。圖片所有：NASA/WMAP Science Team

資料來源：中研院天文網[2012.01.04]

轉載自台北天文館之網路天文館網站