我們是怎麼認識世界的

人類認識微觀事物的過程

在我們認識事物的本真並且也有能力近距離觀察事物的時候（顯微鏡、電子顯微鏡等等），我們逐漸發現所有物質都由分子組成，而又發現其由更小的原子組成，而原子又能再分為原子核與電子。在相當長的時間我們一度認為原子核是構成我們世界的基本單元，直到我們用大型強子對裝機將其互相碰撞產生出一些列的基本粒子。

於是我們想進一步的研究基本粒子，但這時候問題來了，由於基本粒子太小，我們無法用肉眼觀測到它們。也許你會說它再小又怎麼樣呢，加大顯微鏡的放大倍數不就行了麼？也許還真沒這麼簡單。

想一想我們要做的任何觀測是不是都要用到光（電磁波），這些電磁波擊打到物體上再反射回我們的眼睛被我們所觀察到，人體通過感受這些攜帶資訊的電磁波認識到事物的本貌。而基本粒子由於太小（如果一個原子核是太陽系，那麼基本粒子就是地球上的一棵樹）無法被電磁波所擊中並反射。這時候你可能會說那我加大電磁波的頻率（能量）讓它能擊中基本粒子不就行了？還真沒那麼簡單，你擊中是擊中了，不過你自身所攜帶的能量大，其被高能電磁波擊中性質發生改變也就不再是原來的基本粒子了。該經典現象被稱為“海森堡測不準原理”，是物理學中十分重要的現象，也是量子力學的理論的基礎。

說到量子力學，其認為構成我們宇宙的所有基本粒子都是空間上的一個特定電荷量與品質的點，然後其相互產生作用，這就是電子場論。它解釋了很多問題，該理論認為各種基本粒子產生出不同的力相互作用構成了現在我們的宇宙。一切都似乎順理成章合乎情理，不過它卻對解釋四大基本力之一的引力（重力）毫無辦法。

四大基本作用力

在認識世界的過程中我們認為宇宙中存在的萬事萬物都是由基本粒子（當前公認）組成，而運動是絕對的，靜止是相對的，運動就存在粒子間的相互作用--作用力。所以粒子在空間尺度上的相互作用力促成了我們所在世界的關鍵。

在當今科學研究中已知宇宙中存在四種基本作用力，下面讓我們簡單易懂的介紹下。

①強核力S（目前所知四種基本作用力中作用力最強的，就如強力膠水般存在於每個原子鐘，將質子與中子粘在一起形成原子核。）其有多強大呢？我們通過破壞該強核力，釋放出強核力將原子分裂，該過程就是原子彈爆炸。其威力想必大家已有所耳聞了。

使原子核形成的強核力

②弱核力W（將中子轉化為質子，其現象便是輻射衰變，恆星中的氫聚變的過程就是由它啟動）。

③電磁力EM（最形象的例子便是當你推一個物體的時候該物體反作用給你一個排斥力，而這個力便是電子產生的排斥力，也就是電磁力）。

電子間的互相排斥

④引力G（相較於電磁力等是一個相當弱的力，不過在巨集觀尺度上如星球間的引力來說，其又顯得尤為重要，愛因斯坦的廣義相對論更多的將引力看作一種類似於舞臺的幾何空間，宇宙今天結構的形成與引力密不可分）。

品質大的星體對時空造成的彎曲

針對宇宙間的四大基本力以前我們主要用到兩種理論來解釋：

①廣義相對論：主要適用於研究巨集觀宇宙尺度上的物質，所以其重點解釋了巨集觀物體間的引力。

②量子力學：在研究微觀尺度上的物質時顯得尤其適用，較完美的解釋了強核力、弱核力與電磁力。

在上一節中我們提到了“海森堡測不準原理”，這一原理是量子理論中的核心基礎，用量子力學來解釋微觀世界中的“強核力”、“弱核力”、“電磁力”再合適不過，不過量子力學卻對“引力”的解釋顯得捉襟見肘。在很長一段時間裡我們不能從原子與亞原子等微觀層面（也就是量子力學）對其進行解釋，而愛因斯坦的廣義相對論可以。

愛因斯坦的廣義相對論認為重力區別於其他三種作用力，重力就如一個幾何空間，例如一個蹦床，品質大的物體（如星球）能將其彎曲或延展，而這種在時空尺度上的彎曲或延展使兩個物體互相靠近沿著另一物體對時空的彎曲形成的軌道進行運動，形成了我們所感受到的引力。

而同樣廣義相對論解釋了引力卻不能解釋微觀尺度上的電磁、強核力與弱核力。這顯然是不合理的，因為我們存在於一個宇宙，應該有一個普遍適用的物理學規則，那麼有沒有一個理論能同時包含量子力學與廣義相對論的永恆理論呢？弦理論應運而生。

玄理論，萬物的終極原理？以及其涉及的11維空間

在以前，主流科學認為粒子是點，和絃一點也不搭邊。科學家們都是通過將粒子進行高速對撞後產生的各種微小粒子進行研究，隨著對撞後產生的粒子種類增多，科學家們意識到自然界比他們想象的來得更復雜，幾乎每個月都能產生一種新粒子，在對粒子的研究中科學家們提出了統一電磁力、強核力以及弱核力的標準模型以及量子力學，不過卻不能統一我們所熟知的一種力——重力G。

1968年左右，一位義大利年輕的物理學家，在尋找一個描述強核力的物理公式時，無意中在一本古老的書中發現一個200年前的舊方程式（尤拉方程），而它似乎能用來描述強核力（從數學的角度）。而該公式通過學者間不斷的流傳最終來到一位美國物理學家Leonard Susskind面前，他通過不同的方式擺弄該方程，發現一些奇妙的結構，此方程在描述一種存在內部結構且能震動的無品質的粒子，就如弦一樣能收縮、延長與擺動。而其被認為是構成這個世界的基本粒子。

弦理論對四大作用力的統一

此理論完美的解釋了四大基本力之一的重力的執行過程，且與其他三種基本作用力進行了統合（即用該理論可以完美解釋我們宇宙中的四大基本作用力）。

該理論曾被寄予厚望認為是可以解釋一切事物的終極理論，它較為完美的描述了所有作用力與物質的執行關係。從極其微小的基本粒子到星球再到浩瀚無垠的星空，從時間的開端至結尾，一切盡歸此理。

弦理論研究面臨的問題

既然弦理論是解釋宇宙的“真理”那我們理解了它是否就能理解宇宙間的萬事萬物以及執行規律了呢？世界也許就是這麼奇妙，當你以為即將了解到宇宙的本源的時候總是會伴隨著新的問題的產生。要使弦理論繁雜的方程式可解需要使我們的空間增加到10個維度（不過在M理論出現後弦理論被增加了額外一個維度變為11維，即10維空間加一維時間），而這時弦顯現為一個扭轉轉曲的複雜微型結構。

根據弦理論，形狀決定一切，而它是如何捲曲成如此獨特的形狀的？如果我們能縮小並了解到弦獨特捲曲方式的六維結構裡，弄清這些結構是如何扭轉彎曲相互交疊，就能知道到弦是如何運動與震盪的。而這可能就是揭開宇宙神祕面紗的關鍵。

而我們要揭開弦理論的面紗，其中最關鍵的就是理解多維空間以及其數學模型，進而從數學的角度來計算出弦的不同震動所代表的含義（就如我們的DNA序列一般）。

什麼是維度空間

上文說到我們在認識宇宙本質的時候發現了弦理論，而理解弦理論的關鍵在於理解其在高維空間上的扭轉與捲曲，並最終從數學上得以解答。

首先說明這裡提到的維度空間僅僅是歐基米德提出的幾何意義的多維空間與閔可夫斯基的高維時空是兩個截然不同的概念。

在介紹多維空間之前首先讓我們舉幾個都能理解的維度空間的例子。也許大家都聽過這樣一個例子來介紹我們的多維空間：

零緯空間：一個點。

一維空間：一條直線（過一點能做與這個點垂直的直線的空間）。

二維空間：一個平面（過一點能做出兩條相互垂直的直線的空間）

三維空間：一個立體空間，擁有長寬高（過一點能做出三條緯互相垂直的直線的空間）

眾所周知三維空間是我們所生存的世界，我們都是三維生物，所以對於三維以及三維以下的空間事物都能理解（其實並不能真正認識的三維）。這時我們不禁會想，四維空間、五維空間甚至於更高維的空間又是什麼樣子的？

現在讓我們分別來探討下各個維度的空間。

低維空間

這是所指的低維是相對於我們人類所處三維空間而言，即二維，一維，甚至零維。

舉個例子我們看見一個球，無論它所做何種運動，在我們眼中它僅僅是一個球面（二維），即可以說我們三維生物是用二維的方式來感知事物的。既然我們能用二維的方式來感知事物，那麼我們就能看到（二維）事物真實的樣子。

同理二維生物能感知到一維事物真實的樣子卻不能認識到二維事物真實的樣子。（例如一二維生物看見一線段逐漸遠離自身，本來線段是會變短的，不過這時候我們把線段拉長，其觀測到線段的長短無變化不認為其在遠離自身，認為該線段無任何改變）

二維生物與三維生物“對話”

換言之作為三維生物的我們從某種程度上講，也不能認識到我們所處世界的真實模樣。

而當一個四維生物以三維的方式來感知我們（三維）的世界，它就可以看穿事物，看到物體（三維）本來的樣子，同時看到一個物體的上下左右外部內部，每個細節都一清二楚。

四維空間

順著以上思路推論，我們不難得出四維空間就是過空間中任意一點能做出四條互相垂直的直線。

我們也可以換個思路想一想。

①零維：一個點。

②一維：由無數的點組成的線。

④三維：由無數面組成的立體空間

順著思路四維即是由無數個三維空間組成，不過那不是簡單的堆砌更多三維空間（就如同二維平面增大面積一樣），那還是三維空間。

是不是很難想象那是一個怎樣的場景？正常，因為我們是三維生物，我們的大腦感官只能感受平時的三維空間，就像二維生物理解三維空間物體或者生物一樣，所看見的僅僅是三維物體在二維空間的一個投影，是區域性、片面且不完整的，不能認識到其真實原本的樣子。

對於四維空間最有名的例子就是超立方體了，為四個互相巢狀的立方體，其所有的鄰邊都相互垂直，所有的對邊都相互平行，每個頂點有四條線相連（相互垂直），有點像如下圖所示，而這只是在我們三維的一個投影而已。

我們無法知道或想象超立方體的模樣（只知道其定義），或者任何一個四維空間物體，因為由三維物質組成的我們的三維感官不能想象與感知四維空間的事物（只有四維生物能感知），同時我們對三維空間的感知也是不全面的。

對高維空間的思考

針對四維或以上得高維空間，許多物理學家認為維度是非常輕微的針對上一個維度得彎曲。

這個理論的一大依據是認為沒有任何事物是真正絕對無限的，讓我們把視角回到維度。

①一條直線，當其一直延伸經歷了非常遙遠的延伸後，它最終會變成一個圓，就如我們人類向前走一般，無論其行徑路線為何最終會回到起點，也就形成了一個面，即二維。

②而一個面，如果你將其無限擴充套件，其必將經歷極其輕微的彎曲，最終會形成一個球體，即三維。

通過以上不同視角的思考，我們也基本可以得出以下共識：低維空間總是存在於高維空間之中，無數的低維空間組成了高一維度的空間，以此類推。

高維時空與高緯空間

高維時空與高維空間是兩個截然不同的概念，上文中對高維空間做了一些簡單的介紹，相信大家有了一個基本的概念。下面來說一說多維時空。

高維時空

①四維時空（三維空間＋一維時間）：我們是四維生物，而隨著時間的推移世間萬物都在變化，而我們所感受到的每一刻發生的事件組成了我們的人生。三維生物只能看到每一個時間點所發生的事，這就是我們的三維時空。

②五維時空（四維空間＋一維時間）：簡單地說，假如有四維生物，那麼處於四維時空中的生物能一眼看到一個人一生的整個全貌，經歷的所有事，就如由每個時間點發生的事情組成的整個人生（一條線）。

③六維時空（五維空間＋一維時間）：按照低維時空處於高維時空之中的規律，可以看出五維時空即是包含了人在世間不同可能性的集合（並性），例如根據一個人不同的選擇他可能成為醫生、律師、老師、工程師等等。包含這一切可能性的多重人生的集合（一個面），便是五維時空。同理，如果有五維生物的存在，那麼它一眼看去能看盡四維生物的我們不同可能性的多種人生。

④高維時空（高維空間＋一維時間，此時跳過7、8、9維空間直接來到高維）：到了這個地步也許就有點難以設想了，在高維空間與時空總是包含著低一維時空的無數種可能性這一原則的前提下我們不妨設想，我們生活的這一宇宙還有其他的平行宇宙，那些宇宙擁有不同的物理規則。而高維時空就是包含了我們所在宇宙的不同物理規則宇宙的集合，也就是流行的多元宇宙論。

關於多元宇宙的假說相信大家也有所耳聞，而這在弦理論中被用數學計算出來，我們的宇宙存在於11維空間這層巨大的膜上，此外還存在其他宇宙所形成的膜。如果弦理論真的成立它也能解決大爆炸之謎。

弦理論與它的11維時空

說完了高維時空空間，讓我們回到解釋萬物的弦理論。

很多科學家認為高緯度是存在的，因為它們是由弦理論公式計算出來的，弦需要在多於三維的空間中運動。而根據弦理論方程式認為世間存在11個維度（10個空間維度與一個時間維度），我們只看到其中的四維時空（三維空間＋一維時間），我們看與感受不到更加高維的空間，因為由三維空間物質構成的我們的感官只能觀察到到三維空間的物體。

而如果十一維確實存在，通過方程式計算出來後，它們看起來就像薄膜或面，它使單根弦延伸成了薄膜，膜可以是三維也可以是更多維的，給它足夠的能量它可以變得和宇宙一樣巨大。巨大薄膜與額外維度的推論存在，會得出一個令人驚奇的結論，那就是我們的宇宙存在於一個更大更高維空間的薄膜上。

弦理論中的宇宙大爆炸

現在普遍認為的宇宙大爆炸學說認為在宇宙誕生之初，宇宙是一個極小的點，而大爆炸拉伸延展了宇宙的空間結構，變得非常大並引發了一連串的反應形成我們今天所熟知的宇宙

宇宙的開端

再讓我們回到宇宙爆炸之初那極小的一個點時，當一個點包含無限大的密度時（就如黑洞），我們所熟知的物理規則將不復存在，所有的物理公式變得不再適用與無意義。讓我們用弦理論的方式來認識解釋宇宙的起源。

一些弦理論學者認為大爆炸不是起源，在大爆炸前我們的宇宙已經是現在這樣，只不過我們所居住宇宙的薄膜與更高維度其他宇宙的薄膜彼此靠近然後發生碰撞發生能量大交換即宇宙大爆炸。

而更加激進的說法是宇宙成為現在的模樣並非只經歷了一次多維宇宙間的碰撞（大爆炸），而是周而復始的發生。按照此理論，將來也必將發生宇宙大爆炸。

不同膜宇宙間的相互碰撞

不得不承認這是一個很有創意的理論，如果弦理論真的正確，那麼大爆炸也就能如此解釋。不過看似能解釋一切的弦理論也有自己的問題，我們都知道科學來源於數學猜想與實驗驗證，而弦是如此的小，導致我們觀察不到實驗結果（海森堡測不準原理）也無法驗證其正確性（未來利用引力波也許有希望），科學與科幻（哲學）在此刻模糊了界限。

科學精神是實事求是，反覆驗證的過程，為使弦理論不至於變成哲學範疇我們人類又做出了哪些努力與嘗試呢？

人類嘗試驗證弦理論

在說驗證實驗之前先讓我們明白以下兩個常識進而理解其驗證原理。

我們認為構成我們所有物質、力、光等的是弦，弦的不同形狀與其獨特的震動方式構成了不同的東西。而經由弦理論的數學計算得出：

①構成我們光與物質的是由開環的弦組成，所有弦的末端被束縛在三維的膜上（像不像四維物體在三維空間上得投影？）。

②產生引力的引力子是由閉環的弦組成，由於弦沒有末端可以連線，所以產生引力子的弦可以自由穿梭於其他維度，消失在我們所處的三維空間中。上文提到宇宙間的四大基本作用力之所以引力比電磁力（或其他力）小這麼多，就是因為產生引力的閉環弦穿梭於多維度進而稀釋了其強度。

而剛才提到弦的第二點也就是引力子可以自由穿梭於多維時空的特點，費米實驗室用其核粒子加速器將剝去電子的氫原子質子加速到接近光速，然後使其與反向運動的粒子相互碰撞，一旦碰撞成功（正碰），此時會產生大量的亞原子粒子。而科學家想通過該過程中引力子的出現進而消失的過程（飄散進其他維度）來驗證高維空間的存在，在此過程中也間接支援驗證了弦理論。

針對引力子逃逸到其它維度的特點，也有不少科學家做出猜想引力在我們世界之所以表現得如此微弱正是由於其逃逸到其它維度被稀釋的原因，進而對於微觀尺度與其他維度事物的探知甚至溝通，科學家們也在嘗試通過引力來實現。

遺憾的是目前這一現象還沒有被發現，不過有望在新建的歐洲核研究委員會的實驗室中成功（更新型核粒子加速器LHCb，比費米實驗室的裝置強大7倍）。

此外還有一種物質被稱為“超對稱性物質”也是科學家們全力尋找的，這是弦理論的核心預測。簡單地說變對稱性理論是指對我們熟知的每個亞原子粒子（如光子、電子、引力子），都會有更重的“超對稱粒子”與之伴隨，而歐洲核研究委員會的新型大型核粒子加速器LHCb也將對其進行驗證以支援弦理論的驗證。

對弦理論的思考

無論弦理論是否正確，我們建設了更為強大的核子對撞機與各種先進物理實驗裝置，這些裝置在將來的十到二十年裡必將使人類更進一步發現宇宙本質令人驚奇的祕密。

從理論上來講任何未經實驗驗證過的理論都會有錯誤的可能性。我們認為弦理論的前景如此美好，從巨集觀到微觀整合了廣義相對論與量子力學，而且它的形態都是由數學所推匯出來有理論支撐的。很難想象它是完全錯誤的，最大的可能是我們對它的認識還不夠充分。

就像我們掌握了船的執行原理一樣，古人通過木頭切割造船並用槳使其產生向前的動力，這離我們今天的航空母艦差別還很大（動力為核動力、複合鋼板製成、豐富的流體動力學、材料學、電力自動化系統等等），不過其基本原理是相同的，走在了正確的軌道上。就如弦理論發展向超弦理論一樣。

結語

我們不知道人類離真正認識世間萬物的本質還有多遠（就像認識人類為何形成現在的模樣一樣（由DNA參與編碼）），科學是一個提出對存在現象的假設，承認自己的無知，並通過反覆嘗試試驗求解的過程。

一個世紀前，大多的科學家認為他們已經了解了宇宙的執行規則，但愛因斯坦以及其理論的出現顛覆了他們對時間、空間與引力的認知。而之後量子力學的出現揭示了物質在亞原子級微觀層面上的運動，展示了一個變化多端的奇異世界，並補充了廣義相對論。雖然現在我們用弦理論統一了上述二者，看似完美，不過科學就是這樣，當發現一個新理論揭示其執行規律時往往會發現我們世界執行的另一面（而該問題往往還非常奇異）。所以我們離弄清所有的真相還很遙遠。也許正如古人所說“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。”

人類探索未來的腳步從未停止

不過至少我們的方向與現今任務（認識世界本源方向）已在眼前（弦理論、超對稱粒子、平行宇宙、乃至更高的維度），以上隨便一個被成功驗證都是值得全人類歡呼的大事。

人類生而擁有好奇心，古往今來好奇心一直驅使著我們探索未知世界，而人類的感官是由自然選擇（先這樣假設吧）進化而來，其泛化能力的獲取也經歷了漫漫長路，你和動物眼中展示的是截然不同的兩個世界（從某種程度上來說，人是不可能真正認識所處世界的）。所以很難在認識事物上客觀而全面。

幾百年後的科學界再回顧人類歷史上現在對於世界本質的理解幾乎可以肯定的說是片面不完整，甚至荒唐的。不過那又有什麼關係呢，至少現在人類用自己的聰明才智將解釋世界的巨集觀與微觀兩套理論通過弦理論進行了數學上較為完美的解釋，是人類創造力的體現。