探索幻想中的宇宙航行

曾有一篇題為《銀河探險記》的科幻小說，說地球人發(fā)現(xiàn)銀河中有一顆可能存在智慧生物的星球，于是派了一艘飛船前去考察。可是，那個星球上的文明雖然比地球文明發(fā)達，但卻被一些頭腦發(fā)達、四肢不勤的超智慧人統(tǒng)治著，他們奴役著當?shù)氐钠胀ㄈ?。在那里，地球人還接觸到來自科技水平更高的超星球的“總星系人”，在他們的幫助下，地球人歷盡艱險，終于與當?shù)仄胀ㄈ艘黄鹜品顺腔廴说慕y(tǒng)治。這個星球離地球有幾萬光年之遙，也就是說，以光速返回地球，也得花費幾萬年時間。但由于總星系人已掌握“改變時空結(jié)構(gòu)”的技術(shù)，于是，幾萬光年的空間在一瞬間被穿越了。

“改變時空結(jié)構(gòu)”，競能使遠在天涯的物體近在咫尺，實在是非常奇妙和誘人的。難怪在許多有關(guān)宇宙航行的科幻小說中，常?？梢钥吹健俺臻g”、“隱空間”、“特異空間”等名詞。有人把這種新奇的“隱空間”、“特異空間”解釋為人類孜孜以求的四維空間。許多奇妙的現(xiàn)象將伴隨著第四維的出現(xiàn)接踵而來。

眾所周知，我們生活于三維空間之中。它有三個維，或三個互相獨立的測度：長度、寬度和高度。為什么現(xiàn)實空間不是四維空間或二維空間呢？如果存在四維空間，那會出現(xiàn)什么情況呢？

一維空間和二維空間

讓我們先想象存在一維的人。他們像一個個點，生活在一維空間中，即生活在一條線上，這個世界只有一個測度——長度，只有兩個方向——向前或向后。因此，它可以是一條直線，也可以是一條曲線。

一維空間實際上存在于二維空間中，但一維人無法看到二維空間，也不了解在二維空間會發(fā)生什么事。哪怕這個一維空間是條螺旋線，相鄰兩圈非常接近，對二維人來說，要從螺旋線上的A點走到B點，只要沿虛線走就行了，可是一維人不能沿虛線穿越二維空間的縫隙，只能循規(guī)蹈矩地沿螺旋線走。

我們再想象二維空間的二維人，他們能夠在兩個維度上移動。這個二維世界既有長度，又有寬度，但沒有高度。二維人雖然可以猜測存在三維空間，但由于他們無法越雷池半步，所以對三維空間一無所知?？赡苡腥藭f，他們用手把這個二維平面戳穿，不就可以看到三維空間中的情況了嗎？其實不然，即使把平面戳一個洞，二維人也只能觀測手指與平面接觸的二維區(qū)域，他們甚至不知道，這就是從二維空間進入三維空間的“入口”。對于那個第三維——高度，他們是無法理解的。

如果二維空間中有A、B兩點，它們相距50千米。現(xiàn)在有一個二維人，以每天爬1米的速度從A點爬到B點，那么他要爬足足100余年。但如果這個平面是彎曲的，在三維空間的人看來，它們的距離只有1米，這個二維人只要能夠進入三維空間，那他一晝夜就可以到達目的地！可惜，二維人卻無法這樣做，因為這個1米是在第三維高度上，二維人不懂得什么是高度，也不能脫離平面。

三維空間和四維空間

與一維、二維的情況相似，我們生活的三維空間可能包含在更廣的四維空間內(nèi)。但我們?nèi)S人卻不了解四維空間的居民，尤其是他們的生活習性和運動規(guī)律。三維空間的三個基本測度可以用三根互相垂直的坐標軸來表示，但是，如果再補充第四根坐標軸，要使它與前三根坐標軸均垂直，我們是無法做到的。

同樣，如果在三維空間中有極其遙遠的兩點A和B，在四維人看來，他們近如毗鄰，只要在第四維上挪動一下就行了?？墒怯捎谌S人不知道如何進入四維空間，所以只能長途跋涉了。

要實現(xiàn)科幻小說中的穿越四維空間，前提是三維空間是彎曲空間，而不是平直空間。這一點現(xiàn)在已經(jīng)清楚了。以前，人們以為空間就是一個空盒子，它有長、寬、高，物體在這個盒子中移動。20世紀初，愛因斯坦提出了相對論，空間和時間不再是脫離物質(zhì)的獨立存在，“如果沒有物質(zhì)，盒子也不復存在”。而有物質(zhì)存在的空間不再是歐幾里得的平直空間，而是彎曲空間，物質(zhì)的密度越大，其周圍空間彎曲得越厲害。但是在極端情況下，空間竟會彎曲得封閉起來，這時由中心物質(zhì)發(fā)出的光將沿閉合曲線傳播，放射不出去。因此，外部觀測者看不見從中心物質(zhì)發(fā)出的光。而在通常物質(zhì)密度不大的空間，光是沿直線傳播的。

如果存在四維空間，由于我們的三維空間是彎曲的，似乎提供了超越空間的可能。然而，存在彎曲的三維空間并不是存在四維空間的直接證據(jù)。那么，我們怎么來判斷是否存在四維空間呢？

如果有四維空間

如果存在四維空間，就應該發(fā)生一些奇怪的現(xiàn)象。為了便于理解，我們先舉一個二維空間的例子。對二維人來說，盡管他不能越出二維空間，但由于畢竟存在外部的三維空間，所以在原則上，某些現(xiàn)象可以從第三維的入口流進二維空間，使二維人看到通常在二維世界看不到的現(xiàn)象。讓我們設(shè)想平面上有一個鐘面，它上面的阿拉伯數(shù)字是按順時針方向排列的，不論我們在平面上如何搬動或轉(zhuǎn)動它，都無法使之變?yōu)槟鏁r針方向排列。如果我們把它從平面中取出來，在三維空間翻一個身，再放進平面去，鐘面上的數(shù)字順序就一下子變?yōu)槟鏁r針排列的了。二維人可以從這個現(xiàn)象，得到存在三維空間的結(jié)論。

三維人可以從下述現(xiàn)象判斷是否存在四維空間。例如有一只左手手套，無論我們怎樣移動、轉(zhuǎn)動它（不是把它里外對翻），都無法把它變?yōu)橛沂钟玫氖痔?。然而，如果存在四維空間，把左手手套拿到四維空間去翻一個身再送回三維空間，那它就可以成為一個右手手套了。我們可以根據(jù)這個現(xiàn)象斷定存在四維空間，因為這只手套就曾去過四維空間。

遺憾的是，迄今為止我們還沒有發(fā)現(xiàn)哪一個現(xiàn)象必須用存在四維空間來解釋，也許自然界根本就不存在四維空間。

盡管四維空間提供給我們瞬時穿越巨大距離的可能性，但它也有非常致命的缺點。事實上，隨著維數(shù)的增加，運動的穩(wěn)定性要減小。大量研究證明，在二維空間，通常任何擾動都不會破壞沿閉合軌道運動的某個物體的平衡，使它飛到無窮遠去。

在三維空間，如果擾動不大的話，這種沿閉合軌道運動的物體也不會越軌而去。而在四維空間，情況就大不一樣了，所有圓軌道都是不穩(wěn)定的。在這種空間，行星不可能沿閉合曲線繞太陽運行，它們或者落到太陽上，或者飛到無窮遠去。

根據(jù)量子力學的運動方程同樣能證明，在多于三維的空間中，氫原子已不能作為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)存在，繞核旋轉(zhuǎn)的電子必然要落到原子核上去。

除了運動的物理性質(zhì)變化外，空間維數(shù)的增加也改變了空間的純幾何性質(zhì)。如果把地球儀的球面展開為平面地圖，圖形有了變化，但經(jīng)緯線之間的角度始終不變，一直是90。。這就是幾何學中的保角變換。數(shù)學家證明，任何連續(xù)的平面圖形都可保角變換為圓形，但不是所有的三維物體都能保角變換為球形。這說明，三維空間的保角變換遠不如在二維空間那樣廣泛，那樣容易。增加一根坐標軸，就使空間的幾何性質(zhì)受到了限制。

現(xiàn)實的完美空間

我們的現(xiàn)實空間為什么既不是二維，也不是四維，而恰恰是三維的？也許全部的癥結(jié)在于：二維空間過于自由，而四維空間又過于框死，我們的三維空間恰到好處。按古希臘學者亞里士多德的觀點，客觀世界應該是和諧、完美的，而只有三維世界才最完美。

誠然，哲學家的思辨不能代替科學的研究。伽利略考慮過這個問題，他指出，我們的世界只能存在三個相互垂直的坐標軸，但他沒有進一步說明為什么不能存在四個。數(shù)學家萊布尼茲嘗試用純幾何的方法證明這一點，但卻沒有成功。用現(xiàn)有的物理學理論是無法說清楚這一點的，因為它們都建立在三維空間的基礎(chǔ)之上。這個問題只有在更廣的新的物理理論框架中，才能得到解決。

有人說，相對論中不是有四維空間嗎？事實上，這兩種四維空間是全然不同的。在相對論中，四維空間除了三根空間坐標軸外，還有一根時間坐標軸，它表明事件不僅發(fā)生在空間內(nèi)，還必然發(fā)生在時間內(nèi)。這是四維時空，不是上面討論的四維空間。

看來，瞬時穿越巨大空間區(qū)域的宇宙航行，在目前的科學理論框架中是無法實現(xiàn)的，即使在科幻小說里，也只是表達一種愿望而已，我們遠沒有摸到進入四維空間的門檻?；蛘撸揪筒淮嬖谒木S空間。