作者：艾萨克.阿西莫夫

在现代科幻小说里，频繁地需要快速跨越银河的大跨度运动。以平常方法获得的普通速度不足以达到这个目的。因而，宇宙飞船需要通过一种被称为“超空间”的特别的东西，在一眨眼的工夫，或者在眨几下眼的时间里，我们就能离开太阳系，到达某颗数十光年远的恒星附近。

什么是超空间呢？它是科幻作家们无端发明的术语吗？

嗯，假如你坐在运载工具中，它能够沿着一条单一线路运动，但是永远不能离开这条线路。比方，你可以想象它是一列火车，沿着一条铁路线不停地运动。它能够沿着这条路线向前或者向后运动但不能走其他路线。另一个例子是电梯，它能够上下运动但不能走别的路线。

如果这个运载工具停了下来，而你希望确定它的位置，那么，你只需给出一个唯一的数字。如果你说，电梯在地平面以上27米处，那么，人们就能准确知道它在什么位置。如果你说火车在离东部终点站175.4千米处，人们也就准确知道了它在什么位置。

由于运动被约束在一条路线上，使得只用唯一一个数字就可以确定一个物体的位置，这条路线就被称为是一维的。

假设你正游移于一个大的、平坦的区域。你能够行走在一条南北走向的直线上，或者行走在一条东西走向的直线上，或者行走在这两条路线之间的任一条路线上。你能够自由地改变方向，向左或向右转一个你想要转的角度。对于一艘在没有路径的海洋上航行的船只，同样的情况也成立。

在那种情况下，你不能靠一个数字来确定物体的位置。

假如你家处于某个特定地点，而你外出迷了路。你拿起电话机给家里打电话，并且请求来人接你。当问及你在什么位置时，你回答说：“我在离家恰好3.58千米的地方。”

这不够。会有一个非常恼怒的声音问你：“是的，可是，在什么方向？”

现在需要的是两个数字。你可以说：“我在离家向北2.12千米并且向西2.885千米的地方。”

这样，才会有人能够驱车离家向北2.12千米，然后向西2.885千米，到达你所处的位置。不然，他也可以直接沿着对角线抄近路，这是在西北偏西一点点的位置。为了知道确切方向，他还不得不知道（或者计算出）与南北线或者东西线所成的精确角度。

在电话里，你可以说：“我正好在朝北偏西52.75°的方向上离家3.58千米远的地方。”你仍然要给出两个数字，这一次给出的是一个距离和一个角度，它们足以确定你的位置。

地球表面上任何局部，或者它的整体，都能够被绘制在一张纸上。地图被两组相交成直角的线条所标记——即纬线和经线。每组中有一条线被称为0度线，而每组中的其他线从0度线出发以一种统一的方式用数字标记出来。一旦完成了这件事，地球上的任何位置都能依靠纬度和经度确定下来。

因此，如果有人要去由北纬48.08°和东经11.35°所表示的位置，他将会发现自己处在慕尼黑中部。这两个数字将是确定方向所需要的一切。

一个能够用恰好两个数字确定任何位置的面是“二维的”。

想象第三个基本方向并不困难。不仅存在南北方向和东西方向，还有上下方向。我们是如此习惯于被约束在地面上，以至于我们在考虑位置时常常忽视了上下方向。现在，假定我们试图确定在某一特定时刻一只苍蝇在房间里所处的位置，或者一架飞机在空中的位置，或者一颗人造卫星在轨道上的位置。

那么，给出通常的两个度量就不够了。你可以说：“飞机位于地球北纬2.55°和西经121.43°上空的准确位置。”

回答会是不耐烦的：“是的，是的，但是，它在海拔多高的高度上？”

我们将需要第三个数字。

借助于这第三个数字，我们能够确定房间里任一点的位置，不仅从前到后，或者从一侧到另一侧，而且从地板到天花板。我们能够确定地球上的任一点的位置，不仅在它的表面上，而且在大气层中的任何位置上，或者在海洋的任何深度上，或者在这颗行星自身的坚固球体内部。

事实上，借助于3个数字，我们能确定从这里到银河系最远处的空间中任一点的位置，倘若我们一致认定度量开始的某个零点的话。

因此，在这个意义上，空间是三维的。

我们可能需要4个数字吗？是的，当然。如果我们靠3个数字就能确定房间里一只苍蝇的位置，或者大气层中一架飞机的位置，或者轨道上一颗卫星的位置，仅仅表示我们在时间方面只考虑一个特定时刻。如果你不这样做，那么，就在你获得位置并且搜寻被定位的目标时，苍蝇或者飞机或者卫星已经不再在那儿了。它已经离开了。你需要用第四个数字来给出特定的时间，对应这个时间，其他3个数字是确定的。

在这个意义上，时间是第四维，在爱因斯坦的宇宙观里，时间必须作为空间的一个组成部分；因此，我们提到四维时空。

可是，时间，在根本上不同于其他三维。

南北、东西、上下3个维度是可以互换的。假定你有一个立方形的箱子，想要确定它里面一个点的位置。无须非得将箱子保持在某个固定的位置上。你可以移动它，从而南北向变成了东西向，反之亦然；或者东西向变成了上下向，反之亦然。

因为这个缘故，你可以任意构造3个维度，只需画任意两组相互垂直的线，再画第三组与前两组垂直。如果各组以某种方式倾斜，没有哪一组准确地是南北向、东西向或者上下向的，也根本不成问题。以这种方式给箱子定向，各组线仍将给出3个数字来确定一个点的位置。

另一方面，对于时间来说，我们无法静止，我们无法停留在某一点。我们总是做着告别昨天走向明天的旅行，我们每个人和每个事物，好像都在以一个固定的速度行进。

因此，我们可以独立于其他3个维度提及时间。我们可以说，四维时空由时间和3个“空间维度”构成。

可是，数学家能够轻松地处理想象的物体，在这个物体里的点需要用4个数，或者5个数，或者55个数，或者数百万个数来确定位置。

比方，想象一下，一个立方体，从左到右为10厘米，从前到后为10厘米，从上到下10厘米。我们知道它有6个面，12条边围住这些面，这些线相交于8个顶点。我们能够计算各个面的面积和这个立方体的体积。

现在，想象一下，这个立方体还有其他种类的广延性，不仅有左右、前后、上下，而且还有我们可以称之为忽此忽彼的其他某些广延性。

我们无法描述这个新的方向，或者构造一个显示这个方向的模型，然而，我们能够想象它存在。在这样一个立方体中，具有4个不同种类的广延量，在给定时间确定一个点的位置需要4个数字。这种想象物具有4个空间维度。

数学家能够轻松地指出，这样一个四维物体由8个立方体围成。面的总数、边的总数和顶点的总数可以计算出来，各种长度、面积和体积也都能够计算出来。

像我刚才描述过的这样一个四维物体被称为“超立方体”，其中，“超”来自希腊文，意思是“超出”，它的总体积是它的“超体积”。你可以建立维度标度：一维线、二维正方形、三维立方体和四维超立方体。

现在我们知道超空间是什么了，科幻作家为什么要使用它呢？

不幸的是，自从1905年以来，了解某些科学知识的科幻作家不得不承受一个非常严肃的限制。那一年，爱因斯坦与他的狭义相对论指出，光速是任何已知物体或者现象能够经历的最大速度。

光速以地球标准来看是非常大的，因为它为每秒299 792.5千米，但考虑到宇宙的大小，这只不过是爬行。

快如光的传播，到达最近的恒星半人马座阿尔法星，也需要花费4.3年时间；到达明亮的恒星天津四，需要430年；到达银河系的中心，需要3万年；从银河系的一端到达另一端，需要10万年；到达仙女座星系，需要230万年，这是在我们自己星系之外最邻近的一个大星系；到达最邻近的类星体，需要10亿年；而到达最远的类星体，需要100多亿年。

写这样一些故事是可能的，在这些故事中，从恒星到恒星之间花费的很长时间是故事情节的重要部分，然而，在绝大多数情况下，科幻作家可不想让他们的男、女主人公把有生之年都花费在旅途上。他们宁愿在至多两周时间里从恒星到达恒星——可是，相对论不允许他们这样做。

不过，也许这是一个维度问题。

假定我们正在乘船旅行，沿着一条河来来回回。这是一维旅行；沿着河流从A城到B城可能意味着100千米的旅程。

河流可能是蜿蜒曲折的。也许，在A城和B城之间，这条河流绕了个很大的弯。我们只要能在A城弃船越野抄近路，就可以只需通过10千米的旅程到达B城。在那种情况下，通过将一维旅行改换成二维旅行，我们到达目的地就会快很多。

要不然，假定我们沿着陆地或水的表面作二维旅行。船只必须通过黏性的水前行，要排开这些水是困难的。陆地表面凹凸不平。在水中，每小时50千米是很快的速度，而在陆地上，每小时200千米也是很快的速度。我们可能觉得，以更快的速度运动是相当不切实际的。

可是，我们一转换到三维旅行并且作穿过空中的运动，更快的速度就立刻变得可能了。一架超音速飞机能够以每小时3000千米的速度飞行。于是，通过从二维旅行转换到三维旅行，我们再一次以更快地速度到达了目的地。

也许，这种类推对于更高层次的运动也是成立的。也许，相对论法则只对三维空间适用，而在超空间，任何速度都是可能的。至少，科幻作家能够假装就是这样，而且继续写他们的故事。

然而，既然我们知道了超空间是什么，以及科幻作家为什么要使用它，下一个问题就是：超空间真的实际存在吗？

不幸的是，就我们所知，它不存在。

数学家能够想象超空间，而且能够满怀信心地研究它的几何性质。科幻作家能够想象超空间，而且能够毫无顾忌地虚构便利的物理性质。但是，没有迹象表明，超空间能在数学或者文学想象之外存在。没有它真实存在的证据，哪怕是最微小的证据——至少迄今为止是这样。

完整阅读请支持正版
版权信息
书名：不羁的思绪：阿西莫夫谈世事
作者：（美）艾萨克·阿西莫夫（Asimov，I）
译者：江向东　廖湘彧
ISBN：87
本书由上海数字世纪网络有限公司授权京东阅读电子版制作与发行
版权所有 · 侵权必究