宇宙是几维的？

主流的是哪一种说法呢

有关回应 · 2021-5-23 19:49:49

2015/8/23更新，已填坑。该答案已经完成任务，且删改很多，不是最初的样子，没有后续价值。折叠吧。

………………………………………………………………………………………………………………
基于评论里一些朋友建设性的意见和建议，以及看到对某个“不明觉厉”答案大家也表达出了各自独立的思考，而不是草率赞同。我想我这个“答非所问”的答案也完成了它的“使命”，是时候修改一下了。
和谐了几乎所有针对性的，不友善的内容。如果要追究更复杂的原因，我在答案最后试着讨论了一点（我的意思是大可直接调到最后），希望不会引起更多的误解。

反正这种钓鱼问题下次不会咬钩了。

觉得有不妥的朋友，尽管点下“没有帮助”。
╮（╯◇╰）╭
………………………………………………………

2015/8/20更新，补充Copenhagen诠释、EPR佯谬、隐变量理论的历史背景，为便于理解，部分表述不甚准确，希望有关人士予以批评意见。………………………………………………………………………………………………………………关于原问题：其实关于维数这个东西挺麻烦的，基本来自于线性空间里面基底的个数。主要是数学家纠结这些东西，近世代数里面有专门的Dimension theory，详细讨论代数簇的维数。物理里面常见的比如三维经典空间的三个维度、分析力学里的相空间（辛流型）、GR里面（Minkowski空间）的时空流型（N维连通拓扑流型局部同胚与N维欧氏空间，这里N=4）、QT里面无穷维的Hilbert空间，等等。物理最重要的是物理图像，数学模型与结构是其次的。至于维数，足够描述对应的物理图像就OK了，不用过分纠结。………………………………………………………………………………………………………………
1、物理方面的误解

1.1关于隐变量理论

文章里面提到的“Bohm的理论”源自De Broglie–Bohm theory（隐变量理论）。但其中的表达，却缺乏科学素养，一定程度上歪曲了Bohm的工作。

（补充）关于隐变量理论，这是量子力学的一种解释。下面澄清一下，和那篇文章里面说的不是物理意义上的隐变量理论。

这个问题说来话长，首先回到1925年，开始一段漫长的故事。

1、1、1 Copenhagen interpretation(哥本哈根诠释)

1925年开始，Boris Podolsky&Nathan Rosen就开始构建后来被称为“哥本哈根诠释”的量子力学解释。而这个解释正式为人所熟知是因为1929年，Werner Heisenberg（海森堡）在芝加哥大学的讲座，基于1930年出版的在哥本哈根职教期间的The Physical Principles of the Quantum Theory。
Copenhagen interpretation是为了给定义在抽象的Hilbert空间上的量子力学给予一个不依赖数学形式与术语的普通语言表达。其基本要点有二：
1、（量子假设）亚原子事件为离散定态之间的不确定不连续的演化。
2、不相容的共轭特性无法同时精确测量。（反映为不确定性）
当然，与此同时还有很多种解释。比如后面将要说的隐变量理论解释。

1、1、2 EPR佯谬（EPR paradox）和隐变量理论（De Broglie–Bohm theory）

1935年，Albert Einstein、Boris Podolsky、Nathan Rosen发表了著名的“EPR论文”。里面给出了一个思想实验，后来被称为“量子纠缠”。

至于量子纠缠。纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题。

当时EPR认为，量子纠缠说明量子理论是不完备的，应当扩展为含隐变量的理论（De Broglie–Bohm theory）；不过自从1964年开始证实的Bell's theorem，已经排除类似的隐变量理论。

也就是说，自从1964年起理论以及实验对Bell理论的研究，隐变量理论基本宣告破产。由于其既不能证明也不能证伪，目前是不被主流学术界认可的早期理论。

Bohm的隐变量理论虽然在历史上有其不可替代的贡献，比如催生出Bell's theorem的理论与实验的研究。但由于其和实验不符，我们应当舍弃它。即使加以讨论，也是在科学方法的基本框架内，不是想当然的和所谓“哲学”，“宇宙大道”混为一谈。科学，有它自己的规则。

1、1、3 Holographic principle（全息理论）

至于文章里面的“全息理论”，和物理学里面的Holographic principle不是一回事。Holographic principle（全息理论）的创始人是Gerard 't Hooft、Leonard Susskind、Charles Thorn。

而Holographic principle不关Bohm什么事。Holographic principle基本思想是N维变为N-1维，而不是增加维度。文章里面将“全息理论”误解为“存在高维形式影响可知低维形式”，实际上这是某种隐变量理论类的表述。

隐变量理论再怎么不是也是一个正经而自洽的理论，而把隐变量理论断章取义在和形而上的概念混淆是一种不科学也不哲学的行为。

1.2 关于Alain Aspect先生的实验

Alain Aspect先生是做光学的。量子光学里面纠缠关联也很正常的，量子纠缠可以理解的。一般是量子隐形传态，不传递信息和物质，不违反经典理论了，也不存在所谓的轰动性事件。

2、关于文中列举的医学家

我只是学物理的，医学心理学方面的东西不懂不乱说。但wiki了一下“超个人心理学”（transpersonal psychology)。感觉Stanialav Grof到处谈论灵魂、巫术、死亡、诞生之类超验的东西，似乎不是主流。希望有医学/心理学涉猎的同志解读解读。

不过Pribram的工作还是很有趣的。

不过可以肯定，文章把心理学和基础物理混在一起，是严重违背科学论证规律的。（严格说是还原论认识规律，考虑到“more is different”就更复杂了）

3、用研究气功的方法研究量子力学始末

这是一个神奇的故事，故事的主人公都是令人尊敬的老一辈科学家。不过经历了XXXX，这也是特定时代的产物，毕竟中国现代的科研是从那个时候起步的，还处在摸索阶段。中国老学界曾经在八十年代“研究”过“Bohm理论”。

具体情况有兴趣的话详见David Bohm
………………………………………………………………………………………………………………
这个问题的讨论非常bug，我写这个答案就是反驳另一个民科论调，完全是出于第一反应的反感，所以一开始措辞非常尖锐，伤害了一些朋友的感情，这里表示道歉。

首先表态，这种争论没有必要，我以后再也不会掺和类似的论战。

一直有朋友质问我为什么不写干货，我其实有过这个想法。昨天礼拜六，闲着无聊打开WinEdt一通狂敲，基本也就是对着资料敲公式。敲完之后，心情大好，但转念一想，问题来了：
1.我把一通公式发上去，能看懂的人因为他本来就懂，所以我敲的东西没有意义。
2.我把一通公式发上去，本来看不懂的人也不会看懂，所以我敲的东西没有意义。
3.我不是搞量子的，只能应付曾谨言，写那些东西是自欺欺人。
所以，就没有然后了。

至于为什么看到民科内心就难受，除了个人强迫症的因素外，有朋友之前提到过这个回答，我觉得基本上是这样的。
为什么国内一流高校的数学物理类专业的学生大多对民科充满反感和鄙夷？ - 王力乐的回答

但我觉得看到嚣张的民科反感不代表要和他辩论，以后尽量把反感藏起来。特别是在网络上，更没有什么意思。他们乖张的言论是对相关专业人士的不尊重，再把反感反弹回去，只会造成死循环。解决民科问题还要看基础教育水平和科普工作者的素质，不是几句反对可以解决的。

还有，类似于这种“宇宙是几维的？ - 物理学”、“如何理解时间？ - 物理学”这种一两句话说不清民科泛滥的题目还是少问，这种低质量问题你只能得到想我这样有苦说不出的低质量回答。

想看到高质量回答，必须有高质量问题。举个栗子，优秀的脑洞问题比如“为什么云下面总是平的？ - 气象”、优秀的专业问题比如“凝聚态物理有哪些前沿领域？重要性如何？ - 物理学”、优秀的学术问题比如“物理学为什么没能从理论上预测巨磁阻效应？ - 量子物理”、“量子力学中引入虚数 i 的深层意义是什么？ - 物理学”。这些都是非常好的问题，自然会有好的回答。对做物理的人，发现参与这些优秀的问题，是很愉快的事情，而不是在这种问题下的逞口舌之快。

不要在这种问题和我这种回答上浪费时间了，纯吐槽。

丸。

有关回应 · 2021-5-23 19:49:50

弦论说11维和咱们民间科学爱好者说的三维或者3+1维不是同一个概念。拿三体或者星际穿越的维度概念去理解弦论的维度是没有意义的。弦论的维度更多的是数学上的概念，而不是物理上的概念——甚至弦论本身也可以说是这样，比物理更接近数学。

回答问题：空间是三维的，按照宇宙=时间和空间的定义，宇宙是3+1，四维的。

至少以现有的公认的不是假说的科学认知来说是这样。

然后吐槽一下，咱们社区科学爱好者（简称知科好了），特别喜欢说蚂蚁是二维生物。然而三体里只是拿蚂蚁打了个比方，没让你真信啊…社区科学爱好者还比较喜欢用比方代替论证，这是题外话。
蚂蚁是二维生物的话，大象是不是？大象的行动也只有随着地平面做前后左右，大象又不能跳。大象可以趴下来，翻过来，蚂蚁也行。大象可以感觉到垂直方向的光，蚂蚁也能感觉到垂直方向的光和气味。所以蚂蚁大象和蚂蚱最大的区别是蚂蚱会跳，所以会跳的是三维生物，不会跳的是二维？
对了蚂蚁窝是很显然的三维结构。蚂蚁的坐标在泥土中拥有上下左右前后三个方向的自由量。所以蚂蚁爬到地面上就是等效于被二向箔了？

有关回应 · 2021-5-23 19:49:51

@St Jason的答案（同样，只针对答案）确实在开头就存在了错误的陈述，量子的这种纠缠态特性并不违反相对论，原因是很多人错误的认为不管什么时候，只要改变其中一个粒子自旋状态，那么另外一个粒子的自旋状态也会相应的发生改变。但其实当你去观测这个纠缠态时，他的波函数就已经坍塌了，你只能作为一个观察者的身份去获悉这次观测的结果而不能去改变什么，所以你不能单纯的利用量子纠缠态特性传递什么有效信息。
当然肯定有人会提出量子通信这个名词，但量子通信技术也不能超光速传递信息的，虽然同样是利用了量子纠缠态特性进行的信息传输，但其实传输过程中仍需其他方法进行辅助的。

------------------------
补充，刚看到了上面 @li li 的答案，很赞同，并且由于我只是一个写代码的。。还请 @li li 能指出我的理解当中的不足之处

有关回应 · 2021-5-23 19:49:52

不能忍了，点了一堆没有帮助和反对。
不能眼睁睁地看着社区被民科和气功大师和没学过物理却说话不负责任的人占领。

有关回应 · 2021-5-23 19:49:53

宇宙在大尺度是三维空间加一维时间，不同的宇宙学模型只是对应不同的四维度规。而在小尺度，目前有多种额外维的理论，但是均没有被实验证实。但是，即使在小尺度存在额外维，我们也无法“直接观测”到，它仅仅体现为在四维时空的一些“不同效应”而已，或是一些新粒子，或是一些激发态，或是不同的角分布效应，人类不可能以实验的方式“深入探测”四维时空以外额外的维度。

很多人提到了弦理论和R-S模型。需要指出的是，弦理论虽然目前取得了很大的进展，但他归根到底是极小尺度的物理。虽然小尺度物理会影响大尺度宇宙的演化，但这些小尺度的额外维效应绝对不会扩展到天文尺度。再者，弦理论为什么会选取卡拉比-丘流型作为背景，因为他更容易紧致化为低维理论而不产生很多目前实验不支持的副产品。那么什么是紧致化？紧致化其实说白了就是缩维，把一个十一维超弦或是十维的M理论，变成一个四维的有效理论，然后看看有没其它玩意。缩维的本质原因是我们没有在大尺度观测到任何额外维效应，在小尺度的额外维效应也受到目前实验的极大限制。R-S模型也是一个道理。原则上，任何人都可以写一个加了额外维的作用量和额外维度的度规，R-S模型最大的作用也是告诉我们，在我们把这个额外维度积分掉时，我们会发现一堆的KK态粒子，而这些粒子活在四维时空里，它的额外维度已经被积分掉了。为什么这个额外维度可以被积分掉？因为它必须是紧致化的。为什么它要被紧致化？因为大尺度的额外维很麻烦。

说到这里可能很多人明白了两个事实：高能物理实验目前没有发现额外维度，而且对小尺度额外维（紧致化）具有很大的参数上的限制；天文观测和宇宙学甚至普通的动力学实验，都排除了大尺度额外维（非紧致化）的可能性。

宇宙是几维的？这个问题其实有点难回答，因为我们既没有一个完备的小尺度的理论，也没有一个完美的大尺度理论。但是物理学是实验的科学，我们只能说，在目前实验限制下，大尺度上构造超过三维空间加一维时间的多维理论基本上是无法实现的，小尺度上各种额外维模型都受到越来越严格的实验限制，而且在宏观看来，小尺度的额外维就像小孩吹出的肥皂泡，总是会碎在四维时空中。

顺便说下，我很喜欢《星际穿越》这部电影，里面有关广义相对论的很多东西都是非常有科学依据的，包括黑洞和虫洞的一些理论，但是关于额外维，那就是在瞎扯，大家看看就好，电影毕竟是电影。

宇宙是几维的？

5 个回复