他是数学的一个分支学科﹐它主要是以分析方法来研究空间微分流形)的几何性质。欧拉数绝对值的六表示空间维度,而卡-丘”空间的形状卷蜷缩起来,躲出了大家的视野。蜷缩的高维就是六维空间目前还没有一个固定的模型能在计算机上展现出来。
宇宙中有高维空间吗?
目前以有相关理论,在数学上支持高维空间的说法;但是在实际当中,还无法验证高维空间的存在。我们一般说的空间是指三维空间,包含了上下、左右和前后三个维度;至于更高的维度,人类是无法感知到的,甚至有没有高纬度存在,目前都无法下定论。
在经典力学、量子力学和相对论力学体系中,都没有对空间的维度做限制;也就是说,把这些理论应用在更高的维度中时,理论也是成立的。
而在上世纪末,发展起来的一个非常前沿的理论——超弦理论,就认为我们宇宙由“十维的空间+一维的时间”组成,但是空间的七个维度被蜷曲在普朗克尺度,只有三个维度的空间在宇宙大爆炸时展开了。
关于超弦理论“十一维时空”的说法,是超弦理论的直接推论,超弦理论要求我们宇宙具有十一个维度,否则超弦理论将无法自洽,这是超弦理论与传统理论最大的不同之处。
以目前的技术条件,还无法对超弦理论进行验证;但是关于高维空间的猜想,还是有一些物理现象对此有暗示,比如:
(1)现代天文学认为,我们宇宙是有限无边的,假如这个模型成立,或许就暗示着我们宇宙还存在更高的维度;因为更高维度对我们的三维空间的投影,得到的三维空间就是有限无边的;
(2)科学家已经证实,量子力学是非定域性的,或许量子力学的这一性质,暗示着我们宇宙存在更高的维度,量子力学的定域性或许能在高纬度下得到全新的解释;
(3)数学中已经证明的卡拉比猜想,由我国著名数学家丘成桐完成证明;从而证实了六个维度的卡拉比-丘成桐空间在数学上是存在的,或许也暗示着我们宇宙存在这样高度蜷曲的空间。
当然,以上三点针对高维空间的存在性,只是给出了一些暗示,并没有真正证明其存在性。
有高维空间吗?为什么人类无法想象高维空间的样子?
人类能直观感受的空间是三维,加上时间维度是四维,至于更高的维度我们无法直接想象出来,我们的大脑无法处理更高维度的信息,唯有利用数学去研究高维度的性质。
我们的三维空间,可以理解成由上下、左右、前后三个维度组成,在相对论中,时间被描述成第四维,利用光速的不变性,三维空间与一维时间共同组成了四维时空,也就是闵可夫斯基空间,只不过时间在公式中成了虚数。
在某些科学理论中,有对高维空间的描述和解释,比如我国著名数学家丘成桐,就证明了六个维度的卡拉比-丘成桐空间在数学上的存在性,我们无法直接想象这个六维空间,但是计算机可以模拟出卡拉比-丘成桐空间在三维空间中的某个投影,如下图:
利用类比的方法,立方体在平面上的投影是平面图形,立方体包含的信息量远远高于投影的平面图形;同样六维空间在三维空间中的投影自然是三维的,该投影看起来非常复杂,要知道维度每增加一个,信息量将会大大增加,所以我们的大脑根本无法模拟高维空间。
就如可见光由七种颜色组成,但是我们知道可见光只是电磁波中非常小的一个波段而已,在可见光之外还有紫外线、红外线、X射线等等,如果要你想象可见光之外的颜色,你是想破头皮也想不出来的,因为那是超越人类想象的事物,高维空间也是一样的。
不过我们利用数学,可以去研究高维空间的性质:
1、零维是点。
2、一维是线。
3、二维是面。
4、三维是立方体。
5、四维是超立方体。
……
在这超立方体就超出了人类的理解范围,我们利用数学可以知道,超立方体在三维空间中的投影具有如下性质:
(1)在三维空间中,超立方体的投影是一个三维立体。
(2)随着投影角度的变化,投影会出现不同的大小和形态。
(3)在所有投影中,超立方体最简单的投影图是立方体。
在大刘的《三体》中,有一个故事情节描述了在四维空间,我们能做出一些三维空间中看起来不可能完成的任务,比如在四维空间中,三维物体可以轻易进出三维空间中封闭的瓶子,我们可以在A地突然消失,然后在B地突然出现。
听起来好像有点类似量子力学中的量子隧穿效应,或者是双缝实验中光子同时穿过两条缝一样神秘,至于两者是否有联系就不得而知了。
量子纠缠的能量来自哪里?为何它们能无视浩瀚距离相互感应?
其实没有什么神秘的!两千多年前《华严经》就告诉:“三千大千世界百亿四天下阎浮提中,悉亦如是。然我此身本来无二,非一处住,非多处住。”地球处于四天下之南阎浮提(南赡部洲),三千大世界为一微尘宇宙。此宇宙中还有无数这样的地球和我们!只是名称形态习性等不同(比如其它猫猫狗狗的生命形态)!最不可思议的是我们的法性在各“地球”上的分身其实是一体无二,非在一个世界住亦非在多个世界住!这是在讲现代量子纠缠性!?把一个粒子分开两个或多个粒子,无论它们之间距离有多远都能瞬间感应。我们与世界万物本来就是一体无二的!无法分割的!犹如从各个角度看球体,球体这一面转动,其他面当然随之转动。我们本身就是量子,具有多种形态同时叠加状态,有了我的意识参与,就有现在确定的生活世界。一念起万念生,万念寄于此念同时演绎出其他人身乃至变猫猫狗狗身的平行宇宙,此缘结束,就换个色身按自己早已编好的剧本继续演戏。
同时,我们每念皆在平行宇宙中“穿梭”却不自知。比如你遇到非常恼火的事,选择『发怒』和『平静』的场境会不同,就是说发怒与平静两种状态叠加。这一念的选择会设计规划你的未来。不过我们凡夫被业力牵引很难做出不发火的选择……所以,一些人有突然预知到下个场景似曾相识的体验。……
量子纠缠(quantum entanglement)不需要能量,因为它不传输任何信息。认为它需要能量,是因为你还是在以经典认知来看待量子效应。不过这是所有人都会有的困惑,爱因斯坦也不例外,所以爱因斯坦将量子纠缠称为 “幽灵般的超距作用” 。
所谓的经典认知就是决定论,爱因斯坦坚信如果掌握事物的运转规律,就能给出确定的描述,所以他认为量子力学的不确定描述是不完备的。爱因斯坦看不惯概率论,于是就用他那天才的大脑设计了好几个思维实验,企图击溃当时以玻尔为首的哥本哈根学派。
关于玻尔与爱因斯坦在索尔维会议上的三次交锋,可以说是物理学史上的一段佳话,相爱相杀的两人共同将量子力学推向了物理学的巅峰。玻尔也在于爱因斯坦的一次次交锋中走向了神坛,成为量子力学的重要领军人物。
而爱因斯坦也在交锋中,运用他那疯狂的大脑了提出了各种精彩的"思想实验”,而最后一个最重量级的思想实验,更以论文的形式发表了在了《物理评论》上,核心内容就是描述量子纠缠的EPR佯谬。而“纠缠”这个词也是薛定谔看到爱因斯坦与波多斯基、罗森联名发表的论文后,在给爱因斯坦的信件中首次提出的。
EPR佯谬描述的“量子纠缠”现象,是一种从未被世人观察到,仅以当时刚构建的量子力学基础阐述,经爱因斯坦大脑疯狂运算81个脑回路后,炮制出来的一个看似虚无缥缈毫无真实感可言的幽灵。
一对神奇的粒子可以在无视距离的完全分离后,仍能产生神秘的联系,这在爱因斯坦看来是违背了相对论的超光速限制的,是不可理喻的。他以这一核心论点驳斥了量子力学不确信性描述的荒谬。在看到爱因斯坦的论文后,玻尔起初也认为不可能存在这样的现象,于是闭门检查爱因斯坦论文的漏洞,试图在逻辑上以及运算上扳倒爱因斯坦的推论。
然而,玻尔这次并未发现爱因斯坦的任何错误,但最后却给出一个和爱因斯坦完全相反了答案。玻尔抛弃了经典认知,选择相信了数学与逻辑推论,认为量子纠缠现象是可能存在的。
一场史诗大戏就在一个否定,一个肯定的回答中落幕。当时的科研实力无力对爱因斯坦与玻尔的最终答案做出评判,不过在两位大神双双离世后,物理学界还是通过实验给出了最终的检验结果:量子纠缠现象确实存在。
量子纠缠成了一种纯粹发生于微观世界的现象,源于量子系统的不可分割性,即当几个粒子彼此相互作用后,粒子们所拥有的特性可能纠缠在一起成为一个整体,各个粒子的性质再也无法被单独描述,只能描述整体系统的性质。
为什么会这样?没有公认的回答。大多数量子力学的学者也是睁一眼闭一眼的态度对待这个问题,因为无法给出一个合理的回答。唯一能阐释清楚的超弦理论,却涉及高维空间而无法验证。
基于高维空间的概念,弦论把量子纠缠解释为粒子在高维空间的三维投影,即纠缠的粒子实际处于高维空间中,本就只有一个,只是投影到了不同的三维空间位置而已。只是这种高维空间只存在于普朗克尺度之下。
以上为超弦理论中,数学家构建的高维空间模型,又称卡拉比丘成桐空间,共六个维度。
在超弦理论的理解中,这六个维度卷缩在我们这个四维宇宙的普朗克尺度下,相当于我们这个世界的一个六维伴生宇宙。
量子的种种奇异现象都可以在高维空间下得到解释。不过大多数人认为弦理论只是一个精彩的理论,却不是一个可信的理论。基于数学推导出来的高维空间可能只是一种假想,无法实验验证的理论,再美妙可能也只是一个美丽虚幻的梦。弦论预言的超粒子也从来没有找到,“宇宙的琴弦”撩拨了太多人的心弦,却至今没有留下任何物理性的实证。
所以源于弦论的超弦理论、M理论的高维空间理论逐渐沦为物理学研究的禁忌。无论弦理论家有多么无比的才情,激进的革命,以及动人的宣传,终抵不过现实的打击。科学史上也确实有许多错误的思想曾经看上去是那么的美妙。
先不去评判对错,弦论最大的失败在于太过早去触及宇宙的本质,而科学是一门循序渐进的知识获取体系。
最后的最后,再回答一下题主的问题。量子纠缠的粒子之所以能忽视距离而相互感应,在弦论的解读下,三维空间中的距离对于高维空间来说,并不存在。我们看见的只是我们能看见的两个或多个粒子,在高维空间中,那就只是一个粒子而已。而除了弦论的其他理论对此还没有任何解释,但至少量子纠缠的并不涉及信息的传输,也没有能量的参与。
答:纠缠粒子对之间的超距作用,本身是不传递能量的,也不传递有效信息,至于量子纠缠更深层的机制,目前还是科学中的谜团。
量子力学的正统诠释,可以很好地描述量子纠缠的规律;科学就是这样,可以通过数学方式,来描述物质的发展规律,至于更深层的机制,科学不一定能揭示。
比如万有引力定律,可以很好地描述弱场下的引力作用,但是却揭示不了引力的本质;又比如我们知道不确定原理的精确公式,却不了解不确定性原理更深层的机制。
量子力学描述,处于纠缠态的两个粒子,无论它们相距多远,本质上是一个整体,由同一个波函数进行描述;一旦我们对其进行测量,波函数塌缩成两个量子态,这种塌缩过程是同时的,无视距离的,塌缩结果也是随机的,所以不能传递有效信息。
其中说到的“有效信息”,部分读者可能难以理解,我们假设A有一段确定的信息a,要传递给B,那么信息a就是有效信息,无论A通过什么方式把这段信息传递给B了,都说明信息传递成功。
在量子纠缠中,无论你用什么办法,也无法利用超距作用来传递有效信息,因为在量子纠缠中,波函数塌缩结果是随机的。
但是纠缠粒子的随机坍缩结果,存在一定关联性,我们可以利用这种关联性来作为信息传递的密钥,量子通信原理就是这样的,加密信息只能通过传统通讯方式进行传递,随机密钥通过量子纠缠进行传递,所以有效信息的传递速度取决于传统通讯,也就无法超过光速。
目前科学家能在数学上,精确预言量子纠缠的所有结果,以及结果的可能性,但是更深层的机制没人说得清楚,或许不是我们这个时代的物理学能解释的。