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科學家為什麼要提出多維空間理論？
如果只是描述日常生活的話，三維空間已經完全夠用了。對於日常生活中的任何一個事物，我們都只需要三個維度就能確定它的位置。無論你是用長寬高，還是用經度、緯度和高度，都最多隻需要三個維度就夠了。而且這種方式還很符合人類的直覺。
那為什麼物理學家還想探索更高的維度呢？這是因為，三維空間雖然足以解釋日常生活，但是在解釋宇宙底層的規律時，卻顯得十分複雜。
多維空間模擬圖
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宇宙中四種力
物理學發展到現在，科學家們已經發現，宇宙中的一切現象都可以被歸結為四種力：引力、電磁力、弱核力還有強核力。但問題是，這四種力互不相似，描述它們的物理定律也各不相同，不能把它們統一在一起。這就讓物理學家們十分苦惱，難道自然規律真的是以這麼複雜的形式表現出來的嗎？
在大部分物理學家看來，描述宇宙底層規律的物理定律應該是簡單優美的，所以一直以來，科學家們都相信一定可以把四種基本力結合起來，找到一個更加和諧的理論。而恰巧，多維空間理論就具有這個特點。當我們在多維空間表述自然規律時，一切都會變得更為簡單和優美。在這樣的背景下，增加時空維數的超空間理論誕生了。
多維平行想象圖
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為什麼在多維空間中的自然規律會更加簡單優美？
假如花園的水池裡有許多金魚，有一天，下了暴雨，池子裡的睡蓮被沖刷得左右搖擺。對於魚來說，睡蓮似乎是自己在運動，因為魚看不見水，就像人類看不見我們賴以生存的空氣和空間一樣，所以這些魚一定會很困惑，為什麼睡蓮會運動？
是不是因為有一種神祕複雜的力量在操控它們？但如果這些魚離開了池塘，進入了一個更高層次空間的話就會發現，睡蓮會動只是因為水池之外的世界下了一場雨而已，是一件很簡單的事情。只不過，魚根本就不知道還有水池之外的世界罷了，這就是金魚所處的時空維度不夠高的結果。
空間之間的互聯想象圖
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愛因斯坦的突破
我們人類其實跟這群水池裡的魚也有相似之處。如果我們理所當然地認為，宇宙只包含那些看得見摸得著的事物，拒絕承認可能存在更高維度的空間，那很多問題就無法解決。如果我們願意從更高維度的空間來看待問題的話，就會發現三維世界中看似紛繁複雜的物理現象，在多維空間中可以有很簡單的解釋。這個道理就像看氣象雲圖一樣，我們在地面上很難預測風的方向，而一旦升到高空俯視雲層，就可以輕而易舉地預測風向變化。
舉個例子，在愛因斯坦之前，人們一直相信絕對時空觀，意思就是說，三維的空間和一維的時間是相互獨立的，沒有關係，互不干擾，但到了1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，把三維空間和一維時間結合到了一起，創造出了四維時空的概念。狹義相對論的本質，就是用四維時空來描述高速情況下的物理現象。
此圖僅作幫助思考之用，不作任何嚴謹說明。
四維時空的提出，簡化了許多複雜的物理學原理。比如說，描述電磁現象的麥克斯韋方程組，以前要寫成4行，包含整整8個方程，時間和空間在這8個方程中要被分開處理，非常複雜，但在引入了時間作為第四維後，這8個方程就可以被統一為一個簡潔漂亮的方程，也就是麥克斯韋方程組的相對論形式，這被當做是物理公式優美的典範。
之後，利用四維時空的概念，愛因斯坦重新解釋了引力，提出了廣義相對論。在廣義相對論中，引力的本質其實就是四維空間的彎曲。愛因斯坦的引力理論再次震驚了世界，同時也回答了許多牛頓引力理論所無法回答的問題。
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㊄
數學家卡魯查的突破
不光是愛因斯坦，其他科學家也利用多維空間取得了理論突破。比如有一位叫作卡魯查的數學家，就給愛因斯坦寄了一篇自己的文章。在這篇文章中，卡魯查通過在四維時空的基礎上引入第五空間維，居然統一了愛因斯坦的引力場理論和麥克斯韋的電磁場理論。也就是說，這個五維空間成功地把引力和電磁力這兩種基本力結合在了一起。
雖然在卡魯査的五維空間中，四種基本力中的核力仍然被排除在外，但物理學家們已經開始看到曙光。你想想，只是在三維空間的基礎上增加了兩個時空維數，人類就統一了四種基本力中的兩種，那再多增加幾個時空維數，我們說不定能統一四種基本自然力了。
隨著科學的飛速發展，物理學家們逐漸發現，自然規律在多維空間中表述時會更簡單和優美，這意味著我們有希望通過增加時空維數來統一四種基本物理力，找到終極的統一理論，於是，多維空間理論就這樣誕生了。
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㊅
量子理論的誕生
剛才講到，卡魯查利用五維空間把電磁力和引力結合到了一起，讓愛因斯坦都為之震驚，但問題是，這個理論為什麼沒有發展下去呢？這是因為，從20世紀30年代開始，物理學家們成群地離開了這個研究領域，轉而熱情地投身於一種新的理論，也就是跟相對論並稱為“當代物理學兩大支柱”的量子理論。
在量子理論誕生後，多維空間理論就被打入了冷宮。一方面是因為高維空間虛無縹緲，沒辦法用實驗證實；另一方面也是因為量子理論的確偉大，可以精準地解釋許多匪夷所思的問題。
此圖僅作幫助思考之用，不作任何嚴謹說明。
在量子理論中，宇宙是由各種各樣的粒子組成的。不光物質是由粒子構成的，力也是由於粒子的交換而產生的。比如說，兩個電子碰撞時之所以會產生相互排斥的電磁力，就是因為它們交換了一個光量子。除了光量子以外，還有產生強核力的 π 介子，產生弱核力的 W 玻色子等，總之它們都和粒子有關。所以，量子理論就成功地把電磁力、強核力、弱核力這三種基本力都統一了起來。
從20世紀30年代開始，直到80年代中期，量子理論幾乎主宰了物理學界，沒有學者再去嘗試用其它方式解釋除了引力之外的另三種基本力了。之後，量子物理的標準模型也慢慢建立了起來，在標準模型中，一切問題都要從粒子角度出發來進行解釋。標準模型是目前精度最高的物理模型，幾乎可以完美地符合一切實驗數據。
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㊆
量子理論的瓶頸
量子理論從20世紀五六十年代開始就逐漸陷入了瓶頸。這是因為，人們在原子對撞機中發現了越來越多種類的粒子，這些海量的實驗數據雖然確實證明了量子理論的成功，但也把物理學家們搞得暈頭轉向。
舉個例子，在標準模型中，就算是最基本的夸克都有整整36種，而不同夸克的組合又會產生不同的粒子，這樣組合下來簡直數都數不過來。此外，在加來道雄寫這本書的時候，標準模型中就已經有了6種輕子、12種楊-米爾斯場和至少19個需要人為確定的常數，這一切都說明標準模型理論實在是太複雜了。
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所以，即使是量子理論最堅定的支持者，也絕不會認為標準模型是解釋宇宙本原的終極理論。首先，就像剛才說的，標準模型過於複雜；但更重要的是，標準模型一直無法描述引力，對於引力的解釋還是要靠愛因斯坦的廣義相對論。量子理論和廣義相對論這兩大當代物理學的支柱理論還是沒能結合起來，既然如此，那標準模型肯定就不是一個完備的理論。
到了20世紀80年代，物理學幾乎走進了一條死衚衕。引力就是沒法跟其它三種力統一起來，相對論跟量子理論就是涇渭分明，無法融合。當時的物理學家都認為，這可能是人類歷史上最大的科學難題，誰要是解決了這個問題，就相當於捧起了“物理學聖盃”。
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㊇
十維超弦理論
就在這個時候，休眠了半個多世紀的多維空間理論重新引起了物理學家的關注。它以一種精妙的表現形式，一躍成為了最有希望實現大一統的理論，讓整個物理學界為之震驚，這個形式就是“十維超弦理論”，也被簡稱為弦理論。
在標準模型中，宇宙是由粒子構成的，但這些粒子的種類實在是太多了，而且科學家們也無法解釋為什麼會有這麼多種粒子，而弦理論就回答了這個問題。
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在弦理論中，宇宙的基礎構成元素不再是粒子。弦理論提出，如果我們能把一個粒子放大一萬億億倍，你就能看出它並不是一個點，而是一條正在振動的弦，就跟小提琴上的弦差不多。理論上，弦能以任意頻率振動，不同的振動模式就會產生不同的粒子。這就像你拉小提琴的時候，即使是同一根弦，也可以拉出很多個音。所以，振動的弦能構成無窮多的物質形式，這就解釋了自然界中粒子的豐富性。
當然了，弦理論真正的魅力，在於它有可能把廣義相對論和量子理論結合到一起。因為根據弦理論，一根弦如果想要在時空中完成複雜的運動，就必須遵循一套條件，其中就包含了對時空的限制條件。物理學家們在計算這個限制條件時發現，弦理論居然可以直接導出愛因斯坦方程。這就意味著，弦理論既能對量子理論中的物質粒子作出完美的解釋，也能兼容愛因斯坦的相對論，它是一個真正包羅萬象的理論。
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科學家們已經發現，從弦理論出發，人們可以重新推導出過去2000年來物理學的所有進展。所以像愛德華·威騰這樣頂尖的物理學家甚至認為，廣義相對論出現在弦論之前是“地球上的一個偶然事件”，宇宙中的其它文明很有可能會先發現弦理論，然後通過弦理論來導出廣義相對論。威騰甚至說，“物理學中所有真正偉大的思想”都是弦理論的“派生理論”。
弦理論這麼厲害，它跟多維空間又有什麼關係呢？剛才講到過，在弦理論中，弦的運動是要遵循一套限制條件的。科學家們通過計算髮現，這套條件就規定了弦必須在一個特定的維數中運動，也就是必須在十維空間中運動，才能讓弦理論成立。如此一來，多維空間理論就重新迴歸物理學家的視野，並且讓當代物理學產生了一次重大變革。
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㊈
多維空間理論能被證實嗎？
剛剛已經說過，在弦理論中，宇宙必須是十維的，那你可能會想，我們普通人確實只能感受到三個空間維和一個時間維，那這剩下的六個維度都去哪了呢？對於這個問題，物理學家的解釋是，剩下的這六個維度被緊緊地捲曲到了一個非常非常小的尺度上，所以目前無法被人類觀測到。
既然有六個維度無法觀測，這就意味著弦理論目前無法通過實驗得到檢驗。那問題來了，稍有科學常識的人都知道，任何一個科學理論都必須可以被檢驗才行，否則就是偽科學了，一個目前無法被檢驗的理論，那不就是毫無意義的嗎？的確，有不少弦理論和多維空間理論的質疑者們都經常會提起這個問題，這也是弦理論面對的最大挑戰之一。
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弦理論並不是永遠無法被檢驗的，只是對它的檢驗超出了人類目前的技術水平，因為在多維空間這個領域，理論遠遠地走在了實驗的前面。在歷史上，科學家們曾經多次認為某個現象不可檢驗或不可證實，但最終這些現象還是得到了間接的檢驗或者證實。
舉例：在19世紀，法國哲學家孔德認為，由於恆星距離我們太過遙遠，所以人類永遠無法瞭解恆星的構成。聽起來似乎很有道理，但是讓孔德尷尬的是，幾乎就在同時，一位德國物理學家通過分析從遙遠恆星發出來的白光光譜，確定了這些恆星的化學組成。
對於一些看起來無法檢驗的科學論證，我們其實可以採取間接實驗的方式去對它們進行證實或證偽。弦理論也一樣，不能因為十維時空暫時無法被觀測到，就否定這個理論的價值。考慮到科學技術的不斷髮展，我們總有一天能通過加速器、空間探測器或宇宙線計數器等各種手段，間接探測到第十維時空的存在。弦理論和多維空間理論，絕不是紙上談兵的偽科學。
鏡頭裡的多維世界
㊉
多維空間理論有實際價值嗎？
既然弦理論有意義，那它到底能幫我們解決哪些實際的科學問題呢？舉例：十維超弦理論可以幫助我們瞭解宇宙大爆炸的原因所在。
目前的主流理論認為，宇宙大爆炸是包括時空在內的宇宙萬物的開端，在大爆炸之前，時間和空間都不存在。但這時候就會出現一個終極問題，宇宙到底為什麼會發生大爆炸呢？難道是因為上帝嗎？物理學家們當然也想搞清楚這個問題，但問題是，在解釋宇宙大爆炸起源的時候，物理學的兩大支柱，相對論和量子理論，互相沖突了。
鏡頭裡的多維世界
簡單地說一下這是怎麼回事。根據廣義相對論的預言，宇宙誕生於一個奇點之中。奇點的體積無限小、能量無限大、時空無限彎曲，它就是宇宙的開端。但量子理論橫空出世以後，物理學家們發現，在這樣一個體積極小能量極大的地方，我們必須考慮到量子效應的影響，而量子理論又無法跟廣義相對論兼容，這麼一來，在人類現有的理論體系下，我們對於宇宙的起點，宇宙大爆炸發生的原因可以說是一籌莫展。
這個時候，十維超弦理論就能發揮作用了。弦理論可以把廣義相對論和量子力學結合起來，因此具有解決宇宙起源問題的潛力。一位哈佛教授的研究，認為宇宙大爆炸可能就是十維宇宙裂解成四維宇宙和六維宇宙的過程。
鏡頭裡的多維世界
最原始的宇宙其實是有十個維度的。這個原始宇宙的溫度極高，能量極高，四種基本力在這裡是融為一體的，相對論和量子理論在這裡也沒有區別。但是，這個十維宇宙並不穩定，它會裂解成一個四維宇宙和一個六維宇宙，這個裂解的過程就是宇宙大爆炸。裂解之後，四維宇宙會發生暴脹，並會在不到一毫秒的時間內完成四種基本力的分離，然後逐漸形成人類如今所觀測到的宇宙；而六維宇宙則會發生坍縮，並且是縮到一個極小的尺度之下，所以目前沒法兒去觀測它。
這個理論聽起來很科幻，但背後是有嚴謹的理論支撐的，並不是幻想。當然了，因為目前技術水平的限制，我們還無法對這些理論做出驗證，只能說是一個假說而已，但從這個闡釋中你也應該能感受到，弦理論的確具備解決終極問題的潛力。
舉例：在宇宙滅亡之時，我們可以通過躲進超空間來躲避宇宙的滅亡。四維宇宙幾種可能的死亡結局中，有一種叫作大坍聚，就是說目前正在膨脹的四維宇宙，會在未來的某個時候開始坍縮。在坍縮過程中，溫度會逐漸升高，慢慢把所有物質都蒸發成氣體，到時候任何智慧生命都會消失。不過，根據十維超弦理論的推斷，隨著四維宇宙的坍縮，我們的六維孿生宇宙很有可能會開始膨脹。如果這個孿生宇宙膨脹得足夠大，人類就有希望通過跨維度旅行逃進六維空間，從而倖免於難。
虛構的宇宙全貌圖
總結：
首先必須承認，多維空間理論和絃理論在目前都無法進行直接的實驗驗證，但在未來，我們還是可以通過直接或間接的方法對它進行檢驗。因此，我們不能因為多維空間暫時無法被觀測，就否認它的價值。
此外，由於弦理論可以將相對論和量子理論結合起來，因此有可能解釋像宇宙大爆炸起源這樣的人類目前無法回答的終極問題。
