质子十一维展开「质子展开三体中的11维时空物理学界已有理论基础」

《三体》系列是刘慈欣最著名的科幻小说，书中三体人将质子从11维展开至2维，获得了一个面积超大的面，并在上面刻蚀电路，然后又将其折叠至11维，将几颗普通的质子改造成了微型超级人工智能“智子”，然后发射了几颗到地球上，从而在微观高维度层面对人类进行监视以及限制人类基础科学的发展。

那刘慈欣为什么会提出11维这个概念呢？这个概念在现实世界中有理论基础吗？

科学家现在已经在自然界中发现了61种基本粒子，质子、中子等强子及原子都是由这些基本粒子构成的。粒子物理学家一直想知道这些基本粒子是否还存在更基础的结构？M理论认为基本粒子的最基础结构是一根弦，一根处于11维时空中的开弦或闭弦，弦的不同振动模式和运动就产生出各种不同的基本粒子。

《三体》第一部连载于2006年，从原著的创作时间，不难想到，书中11维质子的灵感来自上世纪末诞生的M理论。

M理论是弦理论的进阶版本。弦理论于上世纪六十年代被提出，该理论是为了解释强子之间由强相互作用导致的散射振幅。散射振幅是任何基本粒子理论中最基本的物理可观测量之一。

不过弦理论并不完善，有4个明显缺点：

1，理论只适用于玻色子；

2，理论需要一个26维时空；

3，理论中存在速度超越光速的粒子“快子”；

3，理论中存在除光子外的静止质量为零的粒子。

在弦理论被提出不久后，上世纪70年代量子色动力学的出现完美解释了粒子之间的强相互作用，使弦理论的研究陷入沉寂。经过不断完善，最终发展出了粒子物理标准模型，统一了除引力外的其他三种相互作用。

不过那时理论物理学界仍有一些人还在坚持研究弦理论，期间物理学家通过超对称理论将费米子包括进了弦理论，否定了快子的存在，将时空维度降到了10维，并认为此前理论中提到的零质量粒子是传递引力相互作用的引力子，解决了早期弦理论的不足，最终在上世纪80年代促成了弦理论的第一次革命。

在这之后，弦理论转变为致力于统一宇宙中四大基本相互作用力“强力、弱力、电磁力、引力”的超弦理论。已故知名理论物理学家霍金曾认为，超弦理论是最有希望的大统一理论候选者。

超弦理论共发展出五种自洽的理论，后来物理学家证明这五种理论是等价的，或者说是对偶的，就是两个或多个表面上完全不同的理论能得出完全相同的物理结果。这最终促成了弦理论的第二次革命。

上世纪90年代，美籍犹太裔物理学家、菲尔兹奖得主爱德华·威滕在超弦理论的基础之上提出了M理论（或者叫膜理论），M理论引入了11维的超引力理论，给出了各种紧致化下不同超弦理论的对偶，证明了不同的超弦理论只是M理论在不同极限下的表现。

我们所身处的空间从感知上来看是三维的，加上时间维度，最终构成了四维时空。如果这个世界是11维的，那其他维度在哪里呢？M理论认为，其它额外维度都蜷缩在普朗克尺度下的卡拉比-丘流形中。

流形是微分几何研究的概念，卡拉比-丘流形由卡拉比于1957年提出，最终由美籍华裔数学家丘成桐于1977年证明。

数学是物理学家认识世界的重要工具，M理论虽然在数学上非常完美，但它目前完全不具备实验验证的条件，因为普朗克尺度实在太小，比如一个普朗克长度为1.6×10^-33cm，比夸克的尺度还小的多，在现有的技术条件下，我们无法从任何角度证明它的正确与否。

正是因为这个原因，所以目前很大一部分物理学家并不认同这个理论。也就是说，物理上的高维空间和额外维度是否真的存在，科学家也不清楚。

关注我，带你涨知识。