第14章 三维人进入四维会发生什么?

《三体》系列第三部《死神永生》中有一段关于“万有引力号”飞船追击“蓝色空间号”飞船，反被“蓝色空间号”上的人进人第四维彻底占领的故事。这一段写得惊心动魄，同时也展示了从高维空间中看三维世界的非同寻常的美刚和复杂：

“我们进去吧。”褚岩说，然后像跳水似的钻进了那个空间。莫沃维奇和关一帆惊恐地看着他的身\_体从头到脚消失在空气中，在空间泡无形的球面上，他身\_体的断面飞快地变换着形状，那晶亮的镜面甚至在周围的舱壁上反射出-水纹一样跳动的光影。褚岩很快完全消失了，正当莫沃维奇和关一帆面面相覷之际，突然从那个空间伸出两只手，那两只手和前臂就悬在空中，分别伸向两人，莫沃维奇和关一帆各抓住一只手，立刻都被拉进了四维空间。

……

人们总是喜欢用这样一个类比：想象生活在三维空间中的一张二维平面画中的扁片人，不管这幅画多么丰富多彩，其中的二维人只能看到周围世界的侧面，在他们眼中，周围的人和事物都是一些长短不一的线段而已。只有当一个二维扁片人从画中飘出来，进入三维空间，再回头看那幅画，才能看到画的全貌。

假如真的存在高维——例如第四维，我们这些“可怜”的三维生物到底能不能进入？

答案：根据物理学，即便不是不可能，也是异常困难的。

为什么很困难甚至不可能？我们首先回顾一下《三体》一书中提到的在四维空间传播无线电信号的问题。在四维空间中，无线电信号比三维空间中要衰减得厉害得多。

根据能量守恒，信号强度乘以四维空间中的球面面积不变，也就是说信号强度乘以距离的三次方是不变的，这里，距离的三次方就是四维中三维球面的“面积”（忽略一个常数）。所以，在四维空间中，信号强度与距离的三次方成反比。而在三维空间中，信号强度是与距离平方成反比的。这是因为，三维中的二维球面的面积与距离平方成正比，那么信号强度乘以面积是一个不变量，这是能量守恒定律。实验表明，在我们的世界中，信号强度确实与距离平方成反比。

也许你会说，在四维空间中能量也许是不守恒的。好吧，我们退一步接受你的说法，在四维空间能量不守恒。能量不守恒的结果是很可怕的，这是因为，在物理学中，能量是与时间有关的。如果能量不守恒，物理学定律会随时间变化。也就是说，一个在四维中的人，下一个时刻的体积和体重会剧烈变化，等等。我们还是不要接受这种可怕的假定。

好，接受了能量守恒定律，你就得接受信号强度在四维空间中与距离立方成反比这个结论。比如，我们从远处看一盏灯，灯会随着距离迅速暗下去，

比在三维空间中暗下去的速率要大。

我们都学过库仑定律。这个定律说，两个电荷之间的作用力也随距离平方成反比，这和信号强度类似。其实，这两个定律的起源是一样的，因为两个电荷之间的作用力是通过电磁场传递的。（如果你学过力学，你还知道，两个电荷之间的势能与距离成反比，而力是势能的变化率即导数，所以与距离平方成反比。）我们还知道，牛顿的万有引力定律告诉我们，两个质量之间的万有引力也与距离平方成反比。其实，物理学家早就知道，在三维空间中，所有长程力都与距离平方成反比。

那么，在四维空间中如何呢？前面我们已经知道了，在四维空间中无线电信号与距离的立方成反比，所以，四维空间的库仑定律就是：两个电荷之间的力与距离的立方成反比。

这下就糟了，学过一点力学的人可以计算一下，如果两个电荷之间的力与距离的立方成反比，质子与电子形成的束缚系统——氢原子，是否还是稳定的？结论很悲观：只要给一点扰动，这个“氢原子”就会很快消失，电子不是逃逸了，就是落到质子上去了。

那么，量子力学告诉我们什么？结果更加糟糕，除非电荷被调到一个与质量有关的固定值，否则氢原子的束缚态根本不存在！也许，只是很少的物理学家知道这个结果，但任何学过量子力学的人自己都可以简单地计算一下，束缚态不存在。

现在回到“蓝色空间号”飞船上。我们问，当这艘被追击的星舰进入四维“气泡”时，它会怎么样？答案很清楚，立刻灰飞烟灭。这是齒为我们人类的身\_体是由分子、原子构成的，而分子、原子之所以成为分子、原子是因为原子核与电子之间的电磁力。分子、原子进入四维空间就不存在了，人当然也会随之解体。当然，三维人更不可能通过翘曲点进入四维空间。

我们可以问一个更深的问题。假如电磁现象只在三维空间中成立，当三维空间与四维气泡连接时，会出现什么现象？一种可能是，电磁现象完全被囚禁在三维里，电磁场不能进入四维空间。这种情况确实出现在超弦理论中：三维空间是一个三维膜，三维膜上的一些物理场被囚禁在膜上，不能进入四维空间。那么，人身上的分子、原子可以进入四维空间吗？在弦论中，一般是假定进入不了的。当然，我们可以假想分子、原子中的原子核和电子可以进入四维空间，那么我们问，电磁场能进人吗？我还没有看到一个自洽的理论说如果电磁场可以进入四维，人就会解体。

一种办法是，让分子、原子与电磁场永远囚禁在三维中，但让这个“三维体”随意进人四维，这就要求我们发明强大的机器来实现：这有点像我们在三维空间中拉扯皮球的皮，若没有强大的能力是做不到的。

最后，顺便谈一下其他维。二维如何？既然三维中库仑力与距离平方成反比，那么在二维中库仑力与距离成反比。其实，二维中的束缚态的尺寸非常小。如果我们二维化了，不见得会变大，很可能会塌缩，而且，二维中的质量会导致二维空间闭合一这已是另外一个话题。

更高维的空间呢？只要高于三维空间，库仑力导致的束缚态都是不稳定的。也就是说，在四维和四维以上的空间中，不存在原子，也不存在稳定的太阳系和美丽的银河系。

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