我們的日常生活，三維空間就足夠了，用長、寬、高就能夠描述事物所處的維度。可是如果用三維空間理論去解釋宇宙，那麼就顯得不太夠了。歷史上也曾經有過“第四空間”的騙局，之後人們認為多維空間就是偽科學，可是近現代科學家們發現，多維空間確實能夠解決很多物理問題，尤其是宇宙科學。

多維空間的由來

萬有引力，電磁力，還有核力當中的弱力與強力，這四種力貌似互不相干，描述它們各自的物理規律，萬有引力描述我們日常所看到的重力以及宇宙當中星體的引力等，電磁力則是我們第二次工業革命的基礎，現在所用的所有家用電器，都源自於這個理論。弱力解釋中子的衰變，強力則表示夸克之間的力，它們是量子領域當中普遍的規律。

這讓物理學家非常苦惱，難道我們生活的不是同一個物理世界嗎？為何自然規律還呈現出多種形態呢？在大部分物理科學家看來，描述世界的底層規律就像愛因斯坦的質能方程：E=mc²，簡潔而又優美。

所以科學家們相信肯定有那麼一個公式，能夠把這四種力結合在一起。如果我們在多維空間當中描述這些自然規律，那麼一些就變得和諧而又優美，在這種背景下，多維空間的超空間理論就這樣誕生了。

還拿愛因斯坦的狹義相對論來說，如果把我們的世界理解為三維的，很難理解他的理論，但是如果我們把世界描繪為四維，也就是說時間不再是一個恆定的，而是變化的、可更改的，那麼他的理論就容易理解了。

這就好比我們站在更高維度去理解這個世界，在三國時期，人們認為東風是諸葛亮借過來的，可是如果我們了解到氣壓的概念，就知道受到氣壓的影響，如果我們通過衛星，還能夠觀察到雲層。這就是不同視角所帶來的改變，在三維世界當中看似紛繁複雜的物理現象，在多維空間當中，就比較簡單。

以前在三維空間當中描述電磁現象的麥克斯韋方程組，要寫密密麻麻的8個方程組，才能描述清楚這個方程，可是如果我們放在四維空間當中，增加時間這個維度，就形成了麥克斯韋方程組的相對論形式，這個方程就表現得非常簡單、簡潔。

之後人們利用四維空間的概念，去從新定義引力，這就是廣義相對論的由來。在廣義相對論當中，引力的本質就是四維空間的彎曲。當這個理論被提出之後，超越了人類的想象力，就好像你回到三國，說天氣是由氣壓引起的一樣，不但周瑜理解不了，諸葛亮自己也理解不了。

後來有位叫卡魯查的數學家，他在四維空間的基礎上又引入了第五維空間，居然能夠把愛因斯坦的引力場理論，和麥克斯韋的電磁場理論融合了，也就是在五維空間當中，引力和電磁力結合在了一起。

但是在卡魯查的五維空間當中，沒有辦法把核力當中的弱力與強力統一起來，但是這讓物理學家們看到了希望。人們只需要在三維空間當中增加兩維空間，人類就可以實現統一四種基本力的兩種。那麼再增加幾個時空維度，是不是就能夠實現四種力的統一呢？這就是多維空間研究的由來。

多維空間的弦理論

20世紀30年代，由於量子力學的興起，人們逐漸把注意力轉向了量子領域，多維空間理論的研究陷入了停滯。

在量子領域當中，認為我們的宇宙是由各種粒子組成的。比如電磁力就是電子之間，把光子這種粒子扔來扔去，核力當中的強力是玻色子這種粒子扔來扔去，而弱力則是W和Z玻色的扔來扔去。

到了20世紀80年代，量子理論幾乎主宰了整個物理學界，人們利用量子物理當中的標準模型去解釋物理學當中的四種基本力。

但是到了20世紀60年代，人們發現量子領域的研究陷入了瓶頸，人們在原子對撞機當中發現了越來越多的粒子，這些海量資料雖然證明了量子理論的正確性，但是物理學又陷入了紛繁複雜的混亂當中。

在標準模型當中，人們認為最基本的夸克是36種，但是不同的夸克又可以組成不同的粒子，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，這些讓標準模型理論異常複雜。

在物理學家看來，這些模型和愛因斯坦的質能方程相比，太缺乏美感。更為重要的是，在標準模型當中，無法描述引力，對於引力的解釋還需要依靠廣義相對論。人們無法將量子理論和廣義相對論相互統一起來，也就是說這個所謂的標準模型，一點也不標準。

此時被物理學家們遺忘的多維空間理論，又重新被拾起。多維空間理論被認為是一種精妙的表現形式，有希望成為量子理論之後，能實現大一統的理論，之後被人們稱之為十維超弦理論，簡稱為弦理論。

在弦理論當中，組成宇宙的不再是粒子，而是弦。弦理論認為，如果我們把粒子再放大一萬億倍，你可能發現這些粒子不是一個點，而是一條正在振動的弦。和我們吉他、二胡等絃樂器上的弦一樣，我們手指摁動弦的不同位置，能發出不同的振動頻率，這也就產生了不同粒子。所以理論上來講，只要弦振動不同，可以產生難以想象的粒子。

弦理論真正的魅力是它把廣義相對論和量子理論完美的融合在一起。因為根據弦理論，一根弦如果想要在時空當中完成複雜的運動，就需要遵循時空當中的限制條件。物理學家們在計算這些限制條件的時候，弦理論居然可以直接匯出愛因斯坦方程。

也就是說物理學界應該先有弦理論，然後才會有愛因斯坦的相對論。這就好比應該先有1234這些數字，才有1+2,1+3這種數學公式。而愛因斯坦像從高年級過來的學生，先有了數學公式，然後再研究這些數字。物理學當中的廣義相對論只是弦理論的一個派生理論。

科學家們通過計算髮現，弦理論必須在一個特定的維數當中運動，也就是十維空間當中運動。

十維空間

在弦理論當中，宇宙必須是十維的，可是我們普通人所能感受到的空間只有四維，空間三維再加上時間，那剩下的6個維度去哪兒找呢？物理學家認為，剩下的6個維度，被捲曲到一個很小的尺度裡，所以我們人類無法觀測到。

空口無憑，那如何驗證呢？弦理論並不是不可被驗證的，只是目前檢驗手段超出了我們人類的科技水平。比如我們對於宇宙大爆炸理論的驗證，我們可以通過觀察其他星系的造父變星，這是一個有規律膨脹與收縮的恆星，只要觀察它，我們就能夠觀察到這個恆星與地球的距離。

然後再通過多普勒效應，能夠測算出這些造父變星離開我們的速度。多普勒效應也非常簡單，如果我們觀察水滴落入平靜的湖面，不同的水滴會產生不同的波，離我們越遠的水滴，它的波長就越長，離我們越近，波長就越短，宇宙當中光其實也是一種波，因此我們就可以測算出宇宙膨脹的速度。有了速度與距離，我們測算出宇宙大爆炸的範圍與時間了。

你看這就是科學，通過已有的科學方式去驗證那些不可測量的資料。弦理論也是一樣，雖然不能觀察到十維空間，但是不能否定這個理論的價值。考慮到科學的發展速度，總有一天我們能夠通過空間探測器或者宇宙線計數器等各種手段，間接探測到第十維時空的存在。

那麼弦理論還可以解決哪些物理問題呢？我們現在都認可了宇宙大爆炸理論，可是宇宙為什麼會爆炸呢？現有的相對論還有量子理論，都無法解釋。根據廣義相對論，宇宙誕生於一個奇點，這個奇點體積無限小，能量無限大，而且時空無限彎曲。但是量子力學認為，這樣一個體積極小，能量極大的空間，如何避免量子效應呢？

弦理論認為，宇宙大爆炸是十維宇宙撕裂的過程，十維宇宙裂解成四維宇宙和六維宇宙。原始宇宙溫度極高，能量極高，此時宇宙當中的引力、電磁力，弱力和強力都融為一體，相對論和量子理論在這裡沒有分別。

但是這個十維宇宙又不穩定，它會裂成四維宇宙和六維宇宙，這個分裂的過程就是宇宙大爆炸。在這個不到一毫秒的時間裡，四維宇宙會不斷膨脹，而六維宇宙不但坍縮，坍縮到一個極小的尺度，所以我們無法觀察到它。

結束語

科學家們之所以對量子力學，狹義相對論，麥克斯韋電磁理論產生懷疑，因為他們都相信宇宙的物理世界底層規律是簡潔的，統一的，那些看上去複雜的自然規律，肯定要走向統一。當我們在多維空間當中進行表述的時候，這些規律似乎都找到統一的路徑，於是多維空間的弦理論就誕生了。

十維超弦理論不僅能解釋粒子的本質，也能解釋時空的本質，從而令量子論和相對論實現了互相相容，為物理學的進步打開了新大門。