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作为第四维度的时间
在我们的宇宙中，空间有三个维度：上下、东西和南北。但是，当你约一位朋友去吃午餐的时候，不仅要告诉她在哪里吃饭，还得约定一个时间。从这个意义上来说，时间就是第四维度。
然而，时间是一种不同于空间的维度。我们可以随意向东或向西，只要作出选择然后行动就可以了。但是，在到达我们的午餐地点之后，在那个时刻、那个地点，我们无法穿越时间回到过去。无论我们如何努力，也只能顺着时间向前。相对论物理定律保证了这一点，而且要求必须如此。[1]
无论如何，时间是第四维度，是我们宇宙的第四个维度。我们生活的领域就是这样的四维时空：三维空间外加一维时间。
当物理学家们通过实验和数学方法探索这个时空领域时，我们发现时间和空间是通过好几种方式统一在一起的。从最简单的层面讲，当我们望向太空时，由于光在到达我们之前需要传播很长时间，所以我们自然而然地是在经历过去的时间。我们看到了一个距离我们10亿光年远的类星体，这是因为进入我们望远镜的光是从10亿光年之前发出的。
从更深的层面说，当你相对于我做高速运动时，我们对于事件发生的同时性就无法达成一致。两个爆炸，一个在太阳上，一个在地球上，你可能认为是同时发生的，而我却认为地球上的爆炸比太阳上的早5分钟。在这种意义上，你所认为的纯空间（爆炸之间的距离）的问题，在我看来却是空间与时间混合的复杂问题。
虽然空间和时间的混合似乎与直觉相悖，但这却是我们宇宙的基本构造。好在除了第29章外，我们在这本书里并不需要太过于在意这个问题。
超体：真实还是虚构？
在本书中，当我形象地展示弯曲空间的时候，总是把我们的宇宙画成一个二维的、弯曲的薄膜，或者我们的宇宙膜。它处于一个三维超体中，就像图20-1所展示的那样。当然，我们的宇宙膜事实上有三个空间维度，而超体有四个维度。但是我不太擅长画这种图，所以在我的图中，通常有一个维度是被去掉了。
由唐·戴维斯（Don Davis）根据我的草图所绘
图20-1 一个小黑洞旋转着落入一个大黑洞。此图从超体视角绘制，其中一个空间维度被去掉了
超体是真的存在，还是只是我们想象中的东西？实话说，在20世纪80年代之前，大多数物理学家，包括我自己，都认为超体是虚构出来的。
它怎么会是虚构的呢？我们不是确信宇宙的空间是弯曲的吗？“海盗”号发回的无线电信号（radio signals）不是很精确地揭示了空间的弯曲吗（见第3章）？是的……既然我们的空间的确是弯曲的，那么它难道不是必须弯曲在某个更高维的空间——某个超体内吗？
并非如此。我们的宇宙完全可能是弯曲的，但却并不存在于某个更高维的超体中。在不借助超体帮助的情况下，物理学家们就能够从数学上描述我们宇宙的弯曲。同样在不需要超体的条件下，我们也能够用方程表达出决定空间弯曲的爱因斯坦的相对论物理定律。事实上，这是我们在科研中几乎一直采用的方式。
在20世纪80年代之前，超体对于我们来说都只是一个视觉辅助工具——能够给我们提供关于数学结果的直观印象，能够帮助物理学家们之间以及与非物理学家们之间的交流。它只是一个视觉辅助工具，并不是真实存在的事物。
那么，如果超体是真的，又意味着什么？我们如何来检验它是否真实存在？只有当超体对我们测量的事物产生影响时，我们才能确定它的存在。在20世纪80年代之前，我们一直没有发现它能对我们的测量结果产生何种影响。
1984年，这种认识发生了改变，而且是彻底的改变。伦敦大学的迈克尔·格林（Michael Green）和加州理工学院的约翰·施瓦茨（John Schwarz）在寻求量子引力理论发现的工作上取得了重大突破。[2]但让人感到奇怪的是，只有假设我们的宇宙是一个嵌在超体中的膜时，他们突破性的结果才能够成立。这个超体有一个时间维度和九个空间维度——比我们的宇宙膜多了六个空间维度。格林和施瓦茨所从事的数学理论叫作“超弦理论”。这个理论指出，超体的额外维度会以较为显著的方式影响我们的宇宙膜。当我们掌握了足够先进的科技时，就能够在物理实验中检测到这些方式。这些方式或许会使量子物理和相对论的统一成为可能。
图20-2 左图：1984年，迈克尔·格林（左）和约翰·施瓦茨（右）正在科罗拉多的阿斯彭徒步旅行。此时，正是他们取得突破性进展的时期。右图：因为他们的突破性贡献，迈克尔·格林（左）和约翰·施瓦茨（右）被授予2014年度基础物理学奖（Fundamental Physics Prize），奖金为300万美元。中间左数第一个人是尤里·米尔纳（Yuri Milner，奖项创始人），第二个人是马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg，Facebook联合创建人）
由于格林和施瓦茨的突破，物理学家们开始非常认真地对待超弦理论，并且付出诸多努力去探索和扩展它。也正因如此，我们已经开始认真地考虑以下这个想法：超体真实存在，并且的确能够影响我们的宇宙。
第五维度
尽管超弦理论指出超体比我们的宇宙多了六个空间维度，但实际上，我们还是有理由怀疑：额外维度的数目只有一个（我在第22章对此作出了解释）。
图20-3 我们的宇宙是一个具有四维时空的膜，处在一个五维的超体中。在图中，我省略了两个维度：时间和我们宇宙（膜）的上下维度
因为这个原因，也同时因为六个额外维度对科幻电影来说有点多，所以《星际穿越》中的超体只有一个额外维度，总共五个维度。其中三个空间维度和我们的宇宙膜一样：东西、南北、上下。它还和我们的宇宙膜共享第四个维度——时间维度。除此之外，它还有第五个空间维度：膜外维度（out-back）。在我们的宇宙膜的上方以及下方，它都垂直于我们宇宙膜的延伸，如图20-3所描绘的那样。
膜外维度在电影《星际穿越》中起了相当重要的作用，虽然电影中布兰德教授和其他人都没有用“膜外维度”这个词汇，只是用“第五维度”来指代。膜外维度是接下来的两章以及第24章、第28章和第29章的关键内容。
[1] 但是相对论的确提供了一种沿着迂回路线回到过去的可能性：先从我们的宇宙膜里飞出，然后通过迂回，在出发时间以前回到原地。我将在第29 章着重谈这个话题。
[2] 第3 章简述了量子引 力理论的发现之路。
