据美国《大众机械》月刊网站5月27日报道，我们所体验的宇宙是四维的：三维空间再加上时间。但如果这个数字不是固定不变的呢？如果宇宙有一个隐藏的额外维度，只有在巨大的压力或极高的温度下才会显现出来呢？土耳其伊斯坦布尔大学的一项新研究恰恰提出了这样的观点，并提供了一个用以描述它的数学框架。

这个问题之所以重要，是因为它关乎宇宙大爆炸。宇宙学最大的未解之谜就是宇宙诞生最初的时刻发生了什么，当时所有的物质和能量都被压缩到极为极端的地步，以至于我们的标准物理学彻底失效了。只有在大爆炸之后，我们所知的时间和物质才开始存在。科学家们一直在寻求与这些原始条件类似的状况，比如黑洞或中子星等密度极高的天体，这样就可以至少以一种近似的方式检验他们的理论。

将所有这些奇异的环境联系在一起的是一个奇怪的理论预测：在非常短的距离或非常高的能量下，时空可能不再表现得像是它恰好有四个维度。科学家莉娜·耶尔德兹、德哈·卡伊克和埃尔坦·古代克利的工作成果现在发表在《欧洲物理杂志C》上。他们的研究是基于以下想法，即我们宇宙的不同部分可能看起来比预期的四个“有效”维度要多，正是因为这些区域存在极端的曲率。

研究人员说，宇宙的不同部分可能比预期的四个“有效”维度(长度、宽度、深度和时间)要多，因为这些区域具有“距离短或能量高”的特性。他们引用了可以追溯到2005年的研究成果来证明这一原则。任何像这样表现出奇怪维度特性的区域都是广义相对论的边缘情况，必须将它们整合到我们现有的物理知识体系中进行解释。

那么，你如何建立一个理论，既能让维度发生改变，又不会破坏我们所知道的一切？研究人员的答案利用了分形几何和一个叫作“里奇标量”的量，里奇标量测量时空的曲率以及一些区域与周围的“平直空间”的不同之处。借助这些工具，他们构建了一个新的数学模型，其中的有效维数会对局部曲率作出动态响应。有了数学表达式，这些科学家们就可以将其代入，并与其他理论进行比对测试，看看结果是否合理。至关重要的是，对于曲率较小的区域，该表达式的结果趋向于零，这意味着它的结果不会与已经研究得很透彻的物理学部分相冲突。

这项工作表明，“高曲率环境，比如致密天体或早期宇宙”可以借助完全从广义相对论延伸出来的数学来理解，而不需要我们加入一个带有更多待解参数的“独立物质自由度”。该模型特别强调了奇异的场景，而不会扰乱我们已经理解透彻的日常宇宙。

数学模型也契合被称为“标量-张量理论”或“标量-张量模型”的范式，不需要特殊的额外数学就能很好地发挥作用。眼下，科学家们得出结论，他们的模型只适用于特殊曲率“可以被微扰处理”的一套数学框架，或者作为通常的四个有效维度的补充，被纳入他们在这里定义的“场”(field)中。

这是一种有限的应用，但列出新术语及其适用领域为其他科学家提供了一个起点。宇宙学需要一整套像瑞士军刀一样的工具，你可以在不同的场景中代入和尝试，而不必另外拿起一个工具箱。无论谁想使用时空曲率意义上的小剪刀，都要弄清楚如何制造它们。

那么，我们的宇宙中是否有隐藏的维度呢？根据这个模型，答案实际上是肯定的，但只有在时空弯曲得足够强烈的情况下才能揭示它们。在日常生活中温和、平直的空间中，四维构成了你的全部。只有在极端情况下(比如宇宙大爆炸和处于一个黑洞的核心)，宇宙才会展现出额外的空间。这个谜团还没有完全解开，但现在可以用一件干净利落的数学工具来努力解开它。（编译/冯雪）