我們為什麼不能生活在異度空間

一直以來，關於異度空間、時空隧道的傳說總是層出不窮，比如一輛滿載乘客的地鐵突然失蹤;有人從這個地方消失，幾十年後卻又出現在另一個遙遠的角落……當然，這些傳說多半是不可信的。

事實上，物理學家也從理論上證實了，我們所熟悉的三維空間之外，還有多維空間的存在，每個新的維度都會打開一個新的空間。有人認為，如果打開第4維空間，我們就能隨意穿牆而過，監獄就不能關住我們;如果打開第5維空間，我們就可以看到一個人從生到死的全過程，但是卻沒辦法改變它;如果打開第6維空間，我們就可以回到過去的任意一個時間點，去改變未來所發生的事了，就像很多穿越視劇所表演的那樣;如果打開第7維，我們就可以把時空捲曲起來，就像把鋪在地上的毯子捲起來那樣輕鬆自如，那樣就可以在宇宙中瞬間從一個點到另一個點了，不管這兩者之間相距有多遙遠;在第8維以上，也許我們具備了上帝全知全能的能力，我們甚至能讓自己長生不老。

遺憾的是，這些都是我們無所事事時的幻想，在現實中，我們永遠不知道4維、5維……的世界是什麼樣子，我們身處其中的這個世界，空間既不是2維、4維，或者5.2維，而剛好是3維的。我們需要問一問：我們為什麼只能生活在3維空間，而不能在更多維的空間呢?

我在，故空間必須3維

目前，對這一問題流傳最廣的解釋是：空間必須是3維的，否則，我們人類就不可能存在。那麼，為什麼空間倘若不是3維的，人類就不可能存在呢?

首先，讓我們來看看空間少於3維的情況。我們大腦的神經元是以錯綜複雜的3維結構連接起來的;我們的消化道是從嘴巴貫穿肛門的3維管道;我們的DNA是3維的雙螺旋結構。如果一個生物生活在2維世界，別的且不說，要是它還像我們一樣，需要進食和排泄，那麼有一點可以肯定，它的嘴巴和肛門不能直接相連;否則，這樣一個中空的通道就把它扁平的身體一分二了……從這一點就可以看出，在2維平面上生活是非常不容易，非常難以想像的。

其次，維度還涉及到基本作用力的問題，而基本作用力則關係到恆星、行星或者原子、分子能否穩定存在。

在我們這個3維世界，兩物體之間的引力與距離的平方成反比。在2維世界，「引力」與距離的一次方成反比，而在4維世界，與距離的三次方成反比。

根據物理學上的簡單證明，如果引力與距離成反比，行星與其所在的母恆星之間的引力就會變大，行星很容易掉到恆星里去;而如果引力與距離的三次方成反比，行星就會很容易脫離恆星，飄蕩到宇宙空間去。無論哪種情況，形成的恆星-行星系統都是極不穩定的。

同樣的後果也適用於原子。維繫原子的靜電力，在我們3維世界，跟引力一樣，其大小也與距離的平方成反比。如果在2維或4維世界，「靜電力」與距離的一次方或者三次方成反比，「原子」也是不能穩定的。既然「行星」和「原子」都不能保持穩定，那就遑論出現高級的智慧生命了。

所以說，為了確保我們的存在，為了確保我們今天能站在這裡問「空間為何是3維的?」，我們生活於其中的空間必須是3維的。

量子糾纏和它的專一性

但是，並非所有人都滿意這個回答。在有的人眼裡，從人類自身的存在出發來考慮宇宙問題，是非常危險的。一個例子是，古人相信地球是平的。如果問他們為什麼，他們會信誓旦旦地說，地球要是不平，人就站不穩;譬如地球要是圓的，那住在我們對面的人就要掉下去……但事實上，地球就是圓的。

所以，有人希望為「空間3維之謎」尋找更客觀的答案。加拿大理論物理學家馬卡斯?穆勒就是這樣的求索者之一。他認為，答案或許就藏在我們的鼻子底下，藏在現有的理論――量子力學之中。

量子力學是人類迄今建立的最成功的理論，它自創立以來幾乎所向披靡。在量子力學所描述的諸多怪異現象中，有一種被愛因斯坦稱為「鬼魅似的超距作用」，它就是量子糾纏。

什麼是量子糾纏?舉個例子。有一個粒子，它的自旋為零。現在它一分為二，變成了兩個粒子。因為角動量守恆，這兩個粒子中倘若一個自旋朝上，另一個必自旋朝下;接下去，把兩個粒子分開，比方說一個在地球上，另一個在10億光年之外。如果我們通過某種操作把地球上那個自旋朝上的粒子改為自旋朝下，按理說，另一個粒子至少要過10億年才能感知地球上這個粒子的變化――因為信息的傳播需要時間。可事實並非如此。只要地球上的粒子一變化，另一個粒子立刻就能感覺到，並對自己的狀態做相應的調整，使得兩個粒子組成的體系始終保持角動量守恆。

量子糾纏不僅已經被實驗證實，而且還是量子通訊的基礎。目前科學家已經能夠讓兩個糾纏粒子在相距數10千米的情況下實現量子通訊。

量子糾纏還具有專一性，即一個粒子一次只能跟一個粒子糾纏，譬如粒子甲和乙發生糾纏了，那麼，在這個時候，它們就不能再跟其它粒子糾纏了。量子糾纏的專一性也已被實驗證實。

穆勒解決這個「空間3維之謎」的出發點是，想看看，在更高維的空間，能否保證量子糾纏以及它的專一性。經過對高維空間的複雜的數學演算，穆勒得出結論，量子糾纏現象在任意維的空間都存在，但只有在3維空間，量子糾纏才具有專一性，在更高維空間，專一性就被破壞了。譬如，在4維空間，1個粒子可以同時跟2個粒子發生量子糾纏。所以，為了確保量子糾纏的專一性，空間必須是3維的。

也許沒必要為這問題去傷腦筋

我們可以用人類的配偶制來對此做個不太恰當的比喻。人類基本上是實行單配偶制，即「一夫一妻」制的。為什麼會這樣呢?最根本的原因在於，人類在生理上只有男女兩種性別。要是人類有3種或3種以上的性別，那麼，更合乎自然的也許就是多配偶制，而不是單配偶制。所以，只有當人類的性別只有2種時，才能保證單配偶制是我們家庭的普遍組織形式。以此類比，空間也只有3維時，才能保證量子糾纏的專一性。

不知道你被穆勒的證明說服了沒有?至少大多數物理學家沒有信服。他們警告說，做這類證明時，得萬分小心，因為我們很容易在自己都意識不到的情況下，把本該需要證明的東西當作前提來使用，那樣的話，得出的結論就毫無意義。就好比要證明一間房間里有沒有耗子，但一個人衣袋裡事先就藏有一隻耗子，當他把衣服脫了放在房間里，等會兒再穿時，發現裡面有一隻耗子，就大叫道「哎呀，這個房間有耗子」，那無形中他把自己都騙了。

此外，就算證明是嚴格的，這個結論也還是不夠讓人信服。因為在我們看來，量子糾纏的專一性只是一種特殊的物理現象，而空間維數卻是個客觀世界根本性的大問題。現在他說「為了確保量子糾纏的專一，空間維數必須是3維的」，倒好像「量子糾纏的專一性」比空間維度問題更為根本，後者要為前者「保駕」。我們不禁要問：難道「糾纏是否專一」真的如此重要，以至於凌駕於空間的維度問題之上?

有物理學家乾脆認為，「空間為何是3維的?」這個問題是如此根本，也許是物理學本身所無法回答的，所以我們也就沒必要為此去傷腦筋。

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