高維度與神秘世界的聯繫,愛因斯坦等科學大牛的高維度理論之路

2020-12-12 老胡說科學

1879年,偉大的物理學家詹姆斯·克萊克·麥克斯韋逝世,阿爾伯特·愛因斯坦出生,同年,佐爾納發表了《超驗物理學》,該論文試圖解釋斯萊德的打結技巧和其他神奇的壯舉,例如從長繩子上取下木環 ,使固體物體消失並重新出現等。佐爾納總結說,這種行為是通過進入第四維度來進行的。

根據對德國哲學家伊曼努爾·康德和德國數學家卡爾·高斯的解讀,在佐勒看來,第四維和三維空間一樣真實。由於他們的偏見,大多數人不能感知第四維度,但如果他們受過適當的訓練或擁有斯萊德的天賦,他們就能感知。

佐爾納將更高維度與超越領域聯繫起來的根源,至少可以追溯到柏拉圖的洞穴寓言,在這個寓言中,囚犯被關在洞穴裡,觀察牆上的二維陰影,卻不知道產生陰影的外部三維世界。雖然柏拉圖暗示我們三維的生命可能同樣對更大的現實視而不見,但他並沒有明確地論證存在真正的第四維度。

佐爾納假說的一個更直接的前提是在1875年匿名出版的暢銷書《看不見的宇宙》中發現的。這篇論文推測了諸如能量守恆這樣的科學概念和諸如死後生命的持久性這樣的精神問題之間的聯繫。它連接了第四維度和一個看不見的領域:

正如點是線的端點,線是面的邊界,面是三維空間部分的邊界一樣,我們可以假設我們的物質(本質上是三維的)只是一個看不見的物質的表面或邊界。

佐爾納對視覺錯覺有足夠的了解,他同樣假設三維空間可能只是一個持續的海市蜃樓。也許,精神世界(包括所有的精神事件)有一個完美的自然的解釋,在一個迄今為止尚未探索的維度。在當時人們對唯心論的廣泛興趣的驅使下,佐勒納以前所未有的熱情深入研究高維與神秘的聯繫。他的結論是,現在正是研究四維現象成為科學的一部分的時候。

柏拉圖洞穴思想實驗某些邊緣團體,如神智學會和心理研究學會,對這篇論文表示讚賞,並開始在他們的著作中推廣第四維度作為精神領域的概念。然而,總的來說,佐爾納並沒有從主流科學界得到他想要的積極反應。只有少數科學家支持他,其中包括英國博物學家阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士,但大多數人都忽視或嘲笑他。

儘管佐爾納缺乏主流的支持,他所聲稱的高維與超自然之間的聯繫被證明是驚人的,以至於它已經成為現代文化的一個組成部分。從20世紀60年代的搖滾樂隊如第五維度的迷幻氛圍,到電影《星際穿越》中那種傷感的情感——「也許愛是一種我們無法有意識地感知的更高維度的神器」——看不見的維度繼續傳遞著強大的超自然的內涵。

1876年10月在倫敦舉行的一場對斯萊德的可行性提出質疑的試驗,放大了科學界對佐爾納論點的冷嘲熱諷。斯萊德是一位富有魅力的年輕美國人,多年來在美國各地以撰寫降神會而聞名,後來他把自己的行當帶到英國。他接受了為他傳遞「來自外界的信息」而提供的經濟資助,因此被指控欺騙了失去親人的人。

審判中的關鍵證人之一是英國著名動物學家埃德溫·雷·蘭斯特爵士。蘭斯特曾師從託馬斯·赫胥黎,赫胥黎因直言不諱地倡導進化論而被稱為「達爾文的牛頭犬」,他同樣也表達了自己的觀點。赫胥黎曾這樣描述他的門徒:

埃德溫·雷·蘭斯特爵士在我為校長們開設的一門生物學課程中,蘭斯特正作為一名示範者幫助我——目的是將他們轉變為科學傳教士,使這些島嶼上的基督教異教徒皈依真正的信仰。

與赫胥黎一樣,蘭斯特已經成為構建堅如磐石的科學論據,以抵禦未經證實的胡言亂語的領軍人物。因此,他急於把斯萊德的方法撕成碎片。他假裝有一個已故的親戚,安排斯萊德主持了一個降神會。在這種所謂的媒介能夠召喚出一種「超自然的交流」之前,蘭斯特從桌下抓起石板,顯示上面已經寫了信息。他的證詞是逮捕斯萊特的關鍵。

斯萊德被判有罪,並被判處三個月的勞役,但他的律師以程序錯誤為由提出上訴,並最終將他釋放。在等待新的審判期間,斯萊德逃到了歐洲大陸,在那裡,他最終接受了佐勒納的科學支持。

王爾德的早期故事《坎特維爾的鬼魂》同樣嘲笑了人們普遍將高維與超自然聯繫在一起的觀點。在故事的某一時刻,作為主角的被圍攻的靈魂逃進了第四維空間作為一種逃脫的方式。毫無疑問,王爾德對觀眾們很熟悉斯萊德案,或者至少對佐勒所說的四維空間與神秘學之間存在的爭議性方面很熟悉。

在19世紀80年代中期,儘管斯萊德的審判,以及諸如心理研究學會和神智學會等準神秘團體的突出地位,一些數學家發表了著作,試圖解釋四維領域是已知物理世界的現實可能的延伸。他們的作品大量借鑑了高斯的類比,高斯設想了一個局限在平面頁面上的書蟲如何感知三維世界是「不真實的」。

這些作品中最著名的是英國數學家埃德溫·阿伯特的《平面世界》(1884),他是倫敦金融城學校的校長。《平面世界》設想了一個局限在平面上的幾何生物社會如何應對來自三維領域的入侵。當「一個正方形」主人公遇到了一個穿過他的平面的球體,他只把它看作一個不斷擴大或縮小的圓圈。他不接受這個球體是來自一個迄今為止未見過的額外維度的訪客,直到它把他帶出了這個平面,並提供給他一個他的「祖國」的全景。

正方形回到平面後,他開始宣揚「三維福音」,但大家都認為他瘋了。被關在瘋人院裡的他寫回憶錄,希望能說服後代相信更高維度的現實。

在《平面世界》出現的時候,另一位英國數學家查爾斯·霍華德·辛頓出版了一系列的書(有些很異想天開,有些很有教育意義),希望向公眾解釋如何想像第四維度。霍華德創造了「tesseract」這個詞來描述一個四維立方體,它有八個立方體面,而不是六個正方形的面。然後,他邀請讀者在熟悉的空間中仔細思考投影和這些物體的切片。它直接類似於艾博特的平面正方形試圖理解一個三維球體的形式。它也呼應了柏拉圖關於洞穴的類比,給人一種古典權威的感覺。

其他19世紀晚期的數學家開始把第四維想像成更熟悉的東西:時間的流逝。《自然》雜誌和其他一些科學雜誌的頁面上都有關於三維空間和額外維度時間的四維混合的推測。這些概念最終在愛因斯坦的廣義相對論中得到了具體的數學處理,使物理學家能夠從唯心論者那裡重新獲得更高的維度。但在那之前很久,他們在流行文化上留下了自己的印記。

威爾斯在他的中篇小說《時間機器》(1895年)中為時間旅行者做鋪墊時,就注意到了時間上的第四維度。在出發前往遙遠的未來之前,時間旅行者向他的朋友們解釋說,時間只是另一個維度。正如他所說的:

實際上有四維空間,其中的三個我們稱之為空間的三個平面,第四個是時間。然而,人們傾向於在前三個維度和後一個維度之間進行區分,因為從我們生命的開始到生命的結束,我們的意識會間歇性地沿著後一個方向移動。

就像我們在太空中航行一樣,穿越時間的比喻從那時起就成了小說的主題。如果說有什麼不同的話,那就是它在今天似乎比以往任何時候都更加普遍。

1905年,當愛因斯坦提出狹義相對論,以調和麥克斯韋關於真空光速不變的預言時,經典力學認為光速是相對的,他根本沒有考慮到第四維。雖然他的理論預言了運動會扭曲空間的測量和時間的流動,但愛因斯坦對空間和時間參數處理得很清楚。

然而,兩年後,曾是愛因斯坦在瑞士聯邦理工學院教授之一的俄裔德國數學家赫爾曼·閔可夫斯基指出,如果時空被合併成一個統一的四維實體,即所謂的「時空」,那麼愛因斯坦的理論就可以被表達得更加優雅。1908年在科隆舉行的第80屆德國自然科學家和物理學家大會上,閔可夫斯基以一項革命法令的方式宣布了他的時空理論:

我想在你們面前闡述的時空觀點是從實驗物理學的土壤中產生的,它們的力就在其中。他們是激進的。從今以後,空間和時間都註定要消逝成影子,只有兩者的結合才能保持獨立的現實。

愛因斯坦發現閔可夫斯基的公式過於抽象,整整兩年都拒絕使用它。最後,在1911年1月發表的相對論演講中,愛因斯坦承認閔可夫斯基的形式比他自己的更優越,更容易使用。如果沒有對四維時空的擁抱,愛因斯坦在提出廣義相對論時肯定會面臨更為艱難的道路。廣義相對論是他1915年完成的通過幾何描述萬有引力的高超方法。

至少,愛因斯坦最初反對使用第四維的部分原因是它與超自然的聯繫,他認為這會使非數學家感到困惑。在他的教科書《相對論:狹義與廣義理論》(1916)中的「閔可夫斯基的四維空間」一章中,愛因斯坦在他的論述開始時就否定了這一聯繫:

當一個非數學家聽到「四維」的東西時,他會有一種神秘的戰慄感,這種感覺就像被神秘的思想喚醒一樣。然而,沒有比我們生活的世界是一個四維時空連續體更普通的說法了。

愛因斯坦的擔憂是有根據的。在20世紀早期的幾十年裡,關於高維和神秘現象之間聯繫的引用相繼出現在各種媒體中。例如,1911年9月28日,華盛頓州的一家報紙《艾倫斯堡首都報》在頭版發表了一篇題為「第四維」的文章,聲稱醉酒會刺激松果體,使醉漢看到四維的形狀。如該條所述:

外行相信病人只是想像的形狀是真實可見的,並且通過松果體的興奮而變得可見,松果體現在是曾經是精神視覺的基本器官。

甚至紐約時報發表了一篇文章——「尋求一種新的「松果體眼」:工程師希望大腦腺的發展將有助於理解第四維度」(1930),認真考慮所謂的松果體和第四維之間的連接。這些片段試圖將更高的維度與更老的偽科學觀點聯繫起來,這些偽科學觀點認為看到的東西超出了人類正常感知的極限。

在愛因斯坦接受時間作為第四維度之後,關於第四維度的神秘觀點仍然存在。1923年,有影響力的西班牙裔美國哲學家喬治·桑塔亞那寫道:

必須以逃入第四維度為代價來換取(超自然的)理解。

恐怖小說作家洛夫克拉夫特是桑塔亞那作品的狂熱愛好者,他在1933年的小說《女巫屋的夢》中再次提到了更高的維度和超自然的聯繫。在書中,一個名叫沃爾特·吉爾曼的物理學學生通過一系列可怕的夢境發現,他住的鬼房子裡有一個通往四維空間的入口,這是一個女巫用她對非歐幾裡得幾何的先見之明製作的。洛夫克拉夫特把科學和迷信都攪進了他的恐怖大鍋裡:

也許吉爾曼不應該這麼用功學習。非歐幾裡得微積分和量子物理學足以擴展任何大腦,當一個人把它們和民間傳說混在一起,並試圖在哥德式故事令人毛骨悚然的暗示和煙囪角落狂野的耳語背後尋找多維度現實的奇怪背景時,一個人很難指望完全擺脫精神緊張。

當時空的概念成為物理學中不可分割的一部分時,第四維開始失去它令人毛骨悚然的邊緣。科學家們開始把注意力轉向第五個維度的現實可能性。然而,更高的維度繼續作為恐怖故事和流行神秘主義的常見元素出現。

受物理學家西奧多·卡盧扎,奧斯卡·克萊因等人的工作的啟發,愛因斯坦在1930年代尋求一種利用第五維作為統一兩種自然力,引力和電磁力。他對更高維度的想法持反對態度,只有在用盡其他統一可能性之後才邁出了一步。正如愛因斯坦在1938年與物理學家彼得·伯格曼合著的論文中寫道:

如果卡魯扎的嘗試是真正的進步,那是因為引入了五維空間。為了保留卡魯扎所獲得的基本形式結果而不犧牲物理空間的四維特性,人們做了許多嘗試。這清楚地表明,我們的物理直覺是多麼生動地抵制第五維的引入。但是,通過對所有這些努力進行考慮和比較,我們必須得出這樣的結論,即所有這些努力並沒有改善局勢。如果不引入第五維度,用一種簡單的方式來闡述卡魯扎的觀點似乎是不可能的。因此,我們必須認真對待第五維,儘管簡單的經驗並不鼓勵我們這樣做。

如今,由於弦理論和M理論等統一理論的嘗試,儘管有爭議,但高維是物理學的主流話題。理論家隨意地談論多達七個額外維度的現實。實驗人員在來自大型強子對撞機的粒子碰撞數據中尋找這種看不見的途徑的證據。儘管大多數物理學家迴避更高維度的任何精神內涵,但也許在某些情況下,這種神秘性有助於吸引新成員加入真正的科學。

然而,對於神秘教的信徒來說,更高的維度和心靈洞察力之間的聯繫仍然存在。在斯萊德被揭穿為江湖騙子的一個多世紀之後,仍然有許多信徒相信,千裡眼、心靈遙控和其他類型的超自然聯繫是通過一個超越已知時空的維度而發生的。

正如愛因斯坦發現自己不得不考慮更高維度的問題一樣,今天的物理學界已經得出結論,統一自然力量的進展很可能依賴於包含超過四維的模型。然而,這些觀點並非沒有一些揮之不去的文化包袱,一些研究人員對他們的發現被誇大、誤解,甚至被用來宣揚偽科學表示失望。

難怪愛因斯坦在接受更高維度時如此謹慎。他知道任何高維理論都可能被誤解,並為各種迷信信仰打開了閘門。也許他的本質是從五維的星體界俯視著我們,然後咯咯地笑。

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