一个球通过二维平面。| 素材参考:NewScientist
爱因斯坦和相对论体系促使我们对世界的认识产生了关键的转变。20世纪初,爱因斯坦提出了狭义相对论。随后,1908年,数学家闵可夫斯基(Hermann Minkowski)将狭义相对论的基本概念精炼成了一种非同寻常的四维几何,就是闵可夫斯基的四维时空。
闵可夫斯基时空的细分。| 图片来源:MissMJ/Wikicommons
闵可夫斯基这种时空的几何观具有重要意义。他的四维时空包含了标准的三维空间和一个描述时间流的第四维。而闵可夫斯基思想最大的革命性在于,它将时间和空间整合为一个不可分割的整体,并由此产生了更深远的影响。正是因为爱因斯坦认识到了闵可夫斯基的这种非凡的时空观,并对这一思想进行了推广,才构成了爱因斯坦的广义相对论中关于时空弯曲的概念。
在广义相对论中,空间成为一个动态实体。它与时间交织成一个四维时空,被质量弯曲,产生了我们称之为“引力”的基本力。
维度的提高还远没有结束。1919年,数学家卡鲁扎(Theodor Kaluza)提出了第四个空间维度的存在,它或许能将广义相对论与电磁理论联系在一起。随后,数学家克莱因(Oskar Klein)在卡鲁扎思想的基础上进行了细化。克莱因认为,空间既包括延伸的维度,也包括卷曲的维度。那些延伸的维度就是我们熟悉的三维空间,而在延伸维度的深处,卷曲的维度出现了,它可以被看作一个极小的圆。
卷曲的维度。| 图片来源:新原理研究所
尽管后续的研究表明,卡鲁扎和克莱因的卷曲维度并没有如愿将广义相对论和电磁理论结合起来,但几十年后,它启发了后来的科学家。弦理论学家发现这个想法是有用的,甚至可以说是必要的。