百家號獨家內容。
二十世紀八十年代，物理學家們迫切希望能將宇宙中的四種基本力統一成一個單一的合力。最初他們嘗試將其合為超引力，最終卻不得不放棄，因為這個理論與實際有很大出入且很多預測無法得到證實。於是，另一個名為「超弦理論」的理論迅速發展壯大。
該理論誕生於上世紀七十年代，但卻長期遭到忽視。直到上世紀八十年代這一理論才重新煥發生機，物理學家們正式開始對其展開研究。超弦理論至今仍是人類全面理解宇宙運轉方式的最佳猜測之一。不過根據超弦理論，宇宙擁有的維度竟達26個之多！但是我們如今只能感受到其中四個維度（其中三個是空間維度，一個是100年前才發現的時間維度），這實在是很奇特的現象。
圖解：無限的螺旋式時空旅行。圖片來源：Sashkin / Shutterstock
這個荒謬的理論不僅讓哲學家困擾，後來物理學家也一直難以接受。他們好奇心爆棚，無法毫無疑慮地接受事實，而是想知道事實為何如此。然而，最近在《歐洲物理快報》上發表的一篇文章似乎揭開了宇宙為何只有四個維度的原因。
亥姆霍茲自由能密度
當觀察的距離足夠大時，維度也就不存在了。只有在我們近距離觀察某個物體時，維度才會出現。從足夠遠的距離觀測，一張紙看起來就是一個點，此時展現的就是一維的效果。但是，當我們逐漸靠近物體時，可以看到四條邊（二維）也顯現出來了。再靠近一些即可發現第三個維度：深度。
在我看來，要想弄懂第四個維度的確是有些難度的。不過第四維度不是本文的主題，在這裡就不贅言。總之我們已經明白，當我們愈發深入觀察物體時，新的且更高的維度就會出現。維度就像一隻洋蔥一樣一層一層地纏繞著。有一個明白易懂的假設：所有的維度在宇宙大爆炸發生的一瞬間聚集在一起。但由於某種原因，宇宙最終只展開放平了最初的四個維度。物理學家猜測，其他的維度均盤曲摺疊在一個極小的空間裡，這個空間大約只有10^-35英寸那麼大！
圖解：老舊的黃皮書-厚度 圖源：Pixabay
所以為啥宇宙只有四個維度呢？文章顯示，由於熱力學第二定律（宇宙基本定律之一）的限制，其餘維度無法展開。宇宙最初形成時充滿了輻射和亥姆霍茲自由能密度，後者是一種對空間施加壓力的熱力學變量。
宇宙大爆炸發生僅數秒後，宇宙迅速冷卻，亥姆霍茲自由能密度達到峰值，宇宙隨之迅速「冷凍」。在此階段，宇宙從之前我們認為存在的26個維度轉變成只有四個維度。能讓宇宙展開更多維度的唯一方法是，宇宙必須處於一個足夠高的溫度，這個溫度能保證宇宙的維度能瞬時集聚。
最遠的γ射線噴射
圖源：歐洲南方天文臺Roquette/維基百科共享資源
物理學家們的這一發現與水的相變類似。一塊冰能轉化成液體水的唯一方式就是受熱。但是這個理論直至最近才取得進展，而為這種進退兩難的問題給出答案的是人擇原理。
人擇原理
根據人擇原理，如果宇宙和現狀有所不同，作為智慧物種的人類將不會對宇宙的構造提出質疑。
熱力學第二定律主要是闡釋為什麼時間直朝著一個方向移動，這個方向也就是我們所說的「向前」。該定律預測，在宇宙中，時間移動的方向與宇宙無序程度增加的方向是一致的。不過，這個理論的原因並不充分。只有將熱力學第二定律和人擇原理相結合，得出的結論才能令人信服。以下言論摘自我之前寫下的一篇文章，文章解釋了時間朝著一個方向移動的原因：
「假如，我們能夠明白為生命奉上一朵鮮花或是一顆果實時運氣有多麼重要，那麼在談論我們自身時，為什麼不試試相信幸運之神呢？
如果花開的那天，風再猛烈些或是土壤再堅硬些，花兒就沒辦法存活下來。同樣，如果宇宙發生了改變，人類也將不會發出「為什麼時間只流向一個方向」這樣的疑問。我們認為宇宙就該如此。因為即使宇宙有所不同，當下的我們也無法觀測得到！這就是所謂的人擇原理。我知道這似乎有點憤世嫉俗的意味，理解起來也不容易，但是在找到與該結論相悖的證據之前，這個說法無疑就是是真實的。
由於我們生活在適宜智慧生物生存的膨脹期，所以我們測量時間的方向與無序度增加的方向一致。而受條件限制，生物在收縮階段是無法測量時間的。」
由於宇宙仍處於有利於智慧生物繁育的膨脹期，因此時間似乎也隨在著宇宙熵值的增加而增加。我們之所以感受到宇宙只有四個維度，是因為只有四個維度才能保證智慧生物得以順利孕育並持續生長。
如果宇宙是二維空間，生物體將無法各自自由活動，生物間的位置一定會出現高低之分。食物在體內的消化吸收或是血液在體內的循環流通等複雜過程也無法在二維的身體裡實現。我們作為智慧生物，自然也不會去詢問，為什麼宇宙擁有四個維度。
鏡頭下的二維世界
（圖源：Edwin Abbott Abbott / 維基百科共享資源）
事實上，當地球不再繞太陽旋轉，生物本身--即使是最簡單的目--也會消失殆盡。當兩物體的間距增加一倍時，引力在四維空間裡會降低至四分之一，在五維空間裡降低至五分之一，六維空間裡降低至六分之一，依此類推。宇宙的維度如果高於四維，地球將無法沿著穩定的軌道繞太陽旋轉，而會在低溫中走向滅亡。
引力壓縮和氣體膨脹是太陽的成因。或許在維度更高的宇宙，這兩項活動與四維空間裡發生的會有所差異。再結合引力定律可以得出一個結論：太陽本身可能會提前坍塌成一個黑洞。物理學家還發現，在維度更高的空間裡，甚至連原子都無法聚集形成複雜的分子，而複雜的生命體正是由這些分子構成的。
地球上的生命：叢林 遊獵 大象 人 水域 河流 綠地
沒有太陽，生命將不復存在（圖源：Subham Dey）
史蒂芬·霍金在《時間簡史》中對奇特的宇宙維數作出推測時引用了人擇原理。人擇原理似乎毋庸置疑，但至少我們現在明白了霍金的說法其實並沒有像在乙太網專用業務上發表的文章那樣對人擇原理背後的原因作出解釋。這一主張還有待考證。
如果事實的確如此，我們便解開了人類史上長久以來的漫長謎團名單上的一個謎團。這一猜測若得以證實，對於物理學家而言同樣是一種巨大的鼓舞，因為它表明我們在統一四個基本力的並最終了解到宇宙的誕生、成長過程以及未來走向上都前進了一大步。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3.scienceabc- Akash Peshin
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處