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当然,没有什么可以阻止数学物理学家去创造一个带有任意空间维的世界,虽然大脑没有能力看到这些维度。有人可能会想,有没有可能可以更改时间维度的数量。在一个完全抽象的数学感觉中,这个答案当然是肯定的,但是如果从物理学家的观点来看,这似乎没有什么意义。时空维数是单一的一维看起来是正确的。
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(1+1)维时空 (2+1)维时空
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反德西特空间也有多种维度。它可以有任意数目的空间方向,但是只有一个时间方向。巴纳多斯、泰特尔鲍姆和扎内利所研究的AdS空间是(2+1)维的,这使得用图来解释变得比较容易。
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不同维度上的物理
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三维空间(不是时空)在我们的认知中似乎是根深蒂固的。没有人可以不借助于抽象数学的帮助,想象出四维空间。你可能会认为一维或二维的空间比较容易构造图像,而且某种意义上确实如此。但是如果你再想一会儿,你就会意识到当你在想象线和平面的时候,你总是在认为它们是嵌入三维空间的。这当然是我们大脑进化的方式的缘故,与任何特殊的三维数学特性无关。[211]
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量子场论,基本粒子的理论,在一个维数较低的世界中跟它在三维空间中一样成立。我们所能说的,基本粒子完全有可能是在二维空间(平地)甚至是一维空间(线地)的。事实上,在维数减少后,量子场论的方程要简单一些,而且这个领域中我们所知道的许多东西,首先是在这些世界模型的量子场论研究中发现的。所以巴纳多斯、泰特尔鲍姆和扎内利它们研究一个空间维数只有2的宇宙没有什么奇怪的。
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反德西特空间
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解释AdS的最好的方式,就是用泰特尔鲍姆在智利的旅行巴士上所用的方式:用图。我们先忽略时间,并从一个空圆盒子中的普通空间开始。在三维中,一个球形的盒子意味着内部是一个球;在二维中,这甚至更加简单,内部就是一个圆。
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现在我们加入时间维。我们用竖轴表示时间,盒子里面的时空连续统类似于一个柱体的内部。在下面的图中,AdS就是柱体中没画上阴影的内部。
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想象一下给AdS切片(记住,它只有一个时间维),方式与我们给黑洞切片构成一个嵌入图相同。真正能称为空间的,是切出来的空间性截面。
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我们再仔细检查一下这个二维片层,如你所期望的,它是弯曲的,就像地球的表面一样。这意味着如果要在一个平面上画出它,你必须要延展和弯曲这个曲面。我们不可能不失真地在一张平的纸上画出这幅地图。在一幅麦卡托地图上,靠近北部和南部的边缘上的区域看起来就要比赤道附近的区域大很多[212]。格陵兰岛看起来就像非洲那么大,尽管它的面积只有非洲面积的1/15。
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AdS中的空间(或者时空)是弯曲的,但不像地球的表面,它们的曲率是负的。如果将它们平展到一个平面上会出现“反麦卡托”效果:会使边缘看起来非常小。埃舍尔(Esher)那幅著名的《圆的极限Ⅳ》,就是一幅带有负曲率的弯曲空间的地图[213],精确地展示了二维AdS片层的样子。
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我发现《圆的极限Ⅳ》具有催眠作用。(这使我想起了《老鼠和他的孩子》以及其中主人公对最后一只可见狗的永久找寻,见第20章。)这些天使和魔鬼无休止地一再出现,直至消失在无限分形的边界中。是埃舍尔跟魔鬼做了一笔交易,让他能够画出天使无数?还是,只要我拼命看,就能看到最后一个可见天使?
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稍停一会儿,重新整理一下你的大脑,将那些天使和魔鬼都想象成一样大小。这并不是一个简单的智力体操,但是它有助于你回想起格陵兰岛的面积与阿拉伯半岛几乎完全一样,尽管前者在麦卡托地图上看起来要比后者大8倍。显然,埃舍尔对这类思维练习特别在行,但是通过实践你也可以掌握它的要领。
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现在让我们再花一些时间,总结一下在反德西特空间中的图像。跟以往一样,我们用竖轴表示时间。每一个横向片层代表一个在特定时刻的普通空间。这里将AdS看作是由无数个空间片层构成的——一根被切成无限多个薄片的意大利蒜味香肠——如果把这根香肠不断地往上堆叠就可以形成一个时空连续统。
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