據國外媒體1月20日報導，為什麼我們的宇宙是我們今天看到的樣子？為什麼我們的宇宙是三維空間，而不是九維空間或十維空間？日本科學家近日為人們解釋了三維宇宙如何從原來的九維空間演變而來，他們利用超級計算機模型模擬我們宇宙的誕生。研究報告發表在最新一期的《物理評論快報》上。
在我們鑽研這個令人費解的問題之前，先來了解一下它的背景。一些非常令人信服的觀測證據已證明宇宙是如何誕生的大爆炸理論，包括宇宙微波背景輻射的測量和元素的相對豐度。宇宙學家解釋，宇宙大爆炸的幾秒鐘內，它開始存在，並形成一個小點。但對於這一點，無法用物理學來解釋。我們需要一種新的理論，把相對論與量子力學相結合，使對那一刻的解釋合理化。
物理學家在20世紀苦心拼湊起了一個合理有效的物理學「標準模型」。他們的模型作品不依靠額外維度，它將電磁與強和弱的核力量結合起來，並為大而嘈雜的亞原子粒子「家族」提供一個整潔的理論框架。但有一個張口狀的洞，標準模型不包括引力。這是為什麼詹妮特•溫特森(Jeanette Winterson)的小說《宇宙的均衡》(Gut Symmetries)中的物理學家朱庇特（Jove）把這個標準模型稱為「飛篷布」 ，「它大、醜陋、有用的，涵蓋了你想要的，忽略重力。」超弦理論（Superstring theory）旨在堵塞那個洞。
根據弦理論家，我們每天經歷全尺寸的三個空間維度，一個時間維度，以及在普朗克尺度揉皺的6個額外維度，就像皺巴巴的紙。弦是自然界中最基本的單位，在普朗克尺度中振動。這些額外維度的幾何形狀，有助於確定弦振動的共振模式。這些振動模式決定形成的基本粒子類型，產生我們周圍觀察到的物質力量。在原理上，與電場和磁場振動產生整個光譜大致相同，或小提琴振動的弦產生不同的音符。所有的物質（和所有的力）都由這些振動組成，包括重力。弦振動相當於受重力作用的粒子。
廣義相對論現已量化，這意味著弦理論可以用來探索我們的宇宙誕生的無限微小的點。還有一個問題，就是額外維度，我們的世界只有三個維度。物理學家已經設計出這個非常有說服力的假設情況如何出現。大爆炸之前的宇宙是一個完美對稱的九維宇宙（加上時間維度是十維），四個基本力量在難以想像的高溫中得到統一。但是，這個宇宙極不穩定，並破裂成兩個，在雛形宇宙中發出一個巨大的衝擊波。其結果是分裂成兩個獨立的時空：我們所居住的展開的三維空間，一個六維的時空劇烈收縮成一個微小的普朗克球。隨著我們的宇宙的膨脹和冷卻，四大力量一個接一個地分裂，首先從重力開始。今天我們所看到的一切都只是原來九維宇宙的一個碎片。
支持這一觀點的物理學家還不能確定為什麼會發生這些變化，但他們懷疑這可能是由於令人難以置信的張力，以及需要維持一個超對稱狀態，使不穩定的狀態穩定下來。試想一下，您家的床單洗了以後略有縮水。你設法把床單鋪到床的四個角，床單被拉得很緊，織物上充滿張力，拉到這個角，那個角的床單會蜷縮。跟床單一樣，原來的十維時空結構被拉長，處於超對稱狀態。但張力變大，時空就一分為二。其中一部分蜷縮成一個小球，宇宙破裂的餘震使另一部分向外迅速擴展，這一時期被稱為膨脹期。這成為我們現在見到的宇宙。
日本科學家的模擬結果表明：宇宙誕生之時有9個空間維度，但其中只有3個維度經歷了擴展。這是一個三維的宇宙如何從九維空間出現的第一次實際演示，為理論的有效性提供了有力的支持。這一切發生的機制是什麼？對於一個10維的宇宙，超對稱性有數百萬種的方式突破。新的模擬可幫助我們了解這個對稱性破壞使宇宙成為目前的狀態。
日本科學家Jun Nishimura、Asato Tsuchiya 和Sang-Woo Kim 利用弦理論制定的矩陣模型（matrix model）解決了這個問題。該設計模擬複雜的弦的相互作用。對於非常複雜的技術原因，矩陣模型和現實世界之間的連接有點模糊，主要是因為：第一，假設弱相互作用，其實弦之間的相互作用是相當強的；第二，運算中的時間變量不會在數學意義上被視為「真實的」。這些新的模擬假設強相互作用，並把時間當作一個真正的變量。因此，弦理論家現在有一個有用的工具用於分析超弦理論的預測分析，揭示膨脹、暗物質和宇宙的加速膨脹等棘手的問題，而這也解釋了為什麼我們的宇宙看起來是現在的樣子。（尚力）