08 智子与维度

本期节目略微烧脑，特附上音频逐字稿，便于大家理解。

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宇宙很大，生活更大！喜马拉雅的朋友，您好，我是北京天文馆的齐锐，欢迎收听《齐说三体》。

在上一集里，我们聊了智子工程。智子，是三体舰队到达地球之前，地球和三体这两个世界之间，在物质实体层面上的唯一的单向交流。可以说，从智子来到地球之后，地球人类才真正进入了三体危机的时代。智子是大刘在小说里开出的第一个大脑洞，也是从头到尾贯穿三体三部曲的唯一的角色。

所以今天呢，我打算结合智子的故事，谈谈相关的科学知识。在这一集里，就先说说制造智子的过程，就是小说里写的，把原子核中的质子，进行低维展开那部分。这里的低维，是更低的空间维度的意思。那么到底什么是空间的维度呢？

一、空间维度

我们平时在日常生活和工作中说的维度，指的是人们观察、思考事物的“思维角度”。在数学里也有维度的概念，一般是指描述一个数学对象所需要的参数的个数。

今天我们说的空间维度，和上面的都不一样，它是物理学里的概念。用科学的定义，它是指相互独立的空间坐标的数目。这么说可能有点抽象，如果您不太明白，我们举几个例子，来说明什么是空间的维度。

比方说，有一个无限小的点，它在空间中就是零维的，换句话说，一个没有大小的点，就是零维的。这个容易理解。

接下来假如有一条无限长的线，它没有粗细，是一维的。在一维空间里，坐标轴就只有一个，就是沿着线的方向。

同样道理，假想有一个平面，它只有长度和宽度，没有厚度，那么这个平面，就是二维的，在这个世界里，坐标轴的方向有两个，就是前后和左右。

而我们平常所熟悉的这个世界，除了有前后和左右两个方向之外，我们还能够上下运动，一共有三个空间方向，可以自由的运动。也就是说，我们生活的世界是三维的。

到此为止都很好理解吧。那您可能想问我，是不是有更高维空间呢？

二、高维空间

在《三体》小说里，大刘借物理学家丁仪之口，谈到了我们的宇宙空间的维度。丁仪说，宇宙的空间实际上不止有三个维度，而是有十一个维度。之所以我们只能感觉到三个维度，是因为这十一个维度里，只有三个维度是在宏观上展开的，其余的八个维度都被禁锢在微观尺度上了，所以我们根本无法感觉到它们。

关于空间高维度的概念，大刘在小说里可能是借用了弦理论的说法。在弦理论中，物质在空间中的维度，的确不止是我们在宏观上看到的三维，而是有十维。这个数和大刘在小说里描述的十一维，稍有差别。不过这基本不影响小说的情节。

那么，什么是弦理论，智子的低维展开又是怎么回事呢？您慢慢听我往下讲。

上个世纪六七十年代，随着物理学的发展，人们发现了黑洞，也提出了宇宙大爆炸理论，这个时候，爱因斯坦的相对论遇到了一些无法解决的难题，于是就有人提出，宇宙的空间不止三个维度，应该还有更多的维度。

经过二三十年的研究，出现了比较完善的弦理论，它是迄今为止，在高维空间方面，最为知名的理论。弦理论认为组成物质的基本粒子，不是我们通常认为的一个点，而是一维的，也就是一根弦，就像琴弦那样，所以这一类理论才叫做弦理论。

弦理论到了后期升级为超弦理论、和M理论，它们是当代物理学研究的最前沿之一，目的是试图解释宇宙时空的基本组成。近年来受到广泛关注，知名度很高，普通人即便是不知道它是什么，至少也听说过这名字。

三、智子的低维展开

小说里说，组成物质的普通质子，在空间上是高维的，所以可以把它一级一级地从高维向低维，做展开。每展开一维，质子在这个空间里，它的体积就会变大很多。当一个十一维的质子，最终展开成二维平面的时候，就会特别大。上次我们已经介绍过，三体人把这个平面当做一个集成电路版，加工成一个超级计算机。然后再把这个平面化的质子，向高维一级一级地收缩回去，最终就又回到十一维的状态，但是这个时候，这个质子，已经被改造成了具有超级智能的智子了。

我们不去讨论三体人是怎么操控维度的，他们怎么就能随意地把物质粒子从高维展开到低维，又从低维缩回到高维。这里只结合今天的主题，单从弦理论出发，来看看把一个普通质子进行改造，是不是可行的？实际上从科学上讲，这里是存在问题的。什么问题呢？

我们前面说过了，弦理论认为组成物质的基本粒子，不是我们通常认为的一个点，而是一维的，也就是一根弦，就像琴弦那样。

所以，对于一个质子，虽然它由更基本的夸克组成，但是从弦理论的角度来看，它最多也就是一根弦而已。换句话说，质子就是一维的，它并不是高维的，因此，根本不可能把它低维展开成一个二维的平面。大刘的这个脑洞开的稍微大了一点。

四、宇宙的琴弦

听到这里，您可能很好奇，如果说组成物质的基本粒子，都是一维的弦，那这大千世界里怎么会有纷繁复杂、各不相同的万事万物呢？那些基本粒子，例如质子、电子、光子，它们有的很重，有的很轻，差别很大啊。它们怎么就都是由一根根的弦组成的呢？

在弦理论来看，确实就是这样。首先，组成物质基本粒子的弦，都很小很小，目前人类还没有办法直接观察到它们。其次，就像我们平时见到的琴弦，可以通过振动发出声音一样，这些弦本身也能够振动，不过这些弦的振动，最终呈现出来的并不是声音，而是组成我们这个世界的物质的基本粒子。并且，弦以不同的频率和能量振动，就能够产生不同类型的粒子，例如质子，电子，光子等等。换句话说，组成我们宇宙万物的，不过是些小到看不见的弦振动的结果。从本质上说，宇宙就是由一根根弦的振动而形成的一首交响乐。                          

在当今的物理学中，由弦理论发展而来的M理论，是最有希望把自然界中的基本粒子，和四种相互作用力统一起来的理论。不过目前它只是停留在理论研究的层面，还没有任何相关的物理实验证据。与它相竞争的、颇具实力的理论，还有量子引力理论中的圈量子理论等等，时间关系，我们这里就不展开来讲了。

如果您对空间的维度这一话题感兴趣的话，给您推荐两本科普读物。它们是英国著名的理论物理学家、科普作家布莱恩·格林写的，叫做《宇宙的琴弦》和《宇宙的结构》。

在《三体》小说里，和高维空间有关系的故事，还有很多，例如第三部里面的二向箔和降维打击、田园时代的宇宙等等，随着对小说的解读，以后我都会讲到。

五、四维空间

说到空间的维度，我们作为在三维空间中生活的人，可能很想知道，四维的宇宙是什么样子的？我告诉您，谁也没有见过超过三维的世界，更不知道它的样子了。在三体的第三部里，有很多对四维空间的描述，这都是大刘的独创，对人们理解高维度空间很有启发。

由于我们都生活在三维的世界里，很难想象出四维的情况。但是可以通过在三维空间里观察二维平面的情况，来找到类似的感觉。设想在我们的三维世界里，有一幅画，这幅画是平面的，也就是二维的，我们假想在这个画的二维世界里，有一个二维的生物，它当然是个扁片人，只能贴在画面上。不管这幅画多么丰富多彩，这个扁片人只能看到周围世界的侧面，在他眼中，周围的事物都是一些长短不一的线段而已，线段后面的情况，他无法看到。只有当他从画中飘出来，进入到三维空间，才能真正看到这幅画的样子。

如果把我们生活的世界，比作一幅三维的画，那我们生活在这幅画里的人，同样只能看到周围事物的侧面。这个所谓的侧面，其实就是所有不透明物体的外表，它们挡住了我们的视线，我们没法看到物体的内部，就像二维生物看不到线段后面的情况一样。

只有当我们离开三维世界，进入了第四维，才能看到我们的世界，这幅画的全貌，也就是说，当我们进入更高的维度，三维物体的表面再也不能挡住视线，我们就能直接看到物体内部的一切了。

所以说，假如一个人能进入四维空间，那对于三维世界的普通人来说，他就具有了神一样的能力。比方说，这个神从第四维，可以不需要破坏物体的表面，轻易地取出物体内部的东西，在普通人眼里这就是隔墙取物的神功。再比如，这位神人利用这个第四维，可以在三维世界里，瞬间从一个地方转移到另一个地方，在凡人眼里，这不就是孙悟空的一个筋斗十万八千里的本领吗。在三体的第三部里，蓝色空间号飞船上的人，就是利用第四维，轻易地破坏了威力强大的三体武器——水滴，最终取得了胜利。

好了，关于智子涉及的空间维度的话题，我们就先说到这，下次我们继续聊智子背后的科学。

我是北京天文馆的齐锐，这里是齐说三体。咱们下集再见。