二维世界是什么样子的？

二维世界是什么样的？《三体》里有一个来自歌手文明的攻击叫降维。辛格文明使用的双向陪衬可以把附近的空间从三维降低到二维，绝对的二维世界意味着三维空间在一个方向上变为零。那么二维世界是什么样子的呢？

二维世界是什么样子的？1物质的主要特征是具有固定的相态。什么是相态？比如我们通常熟悉的气液固三态除了气液固三态，还有很多其他的相，比如液晶和等离子体。其实相是两个字，一般可以混用。Phase，英文叫phase，和药物临床试验阶段、细胞分裂周期阶段是同一个词。State，英文叫state，美国的州都是一个字。什么时候不能混相？很多物质在一种状态下可以有很多相，大家都忽略了，因为不常见。比如冰有十多种相，最常见的是六边形冰晶，雪花就是最好的例子。很多时候，我们看到的雪花经过放大后都是六边形对称结构。

在不同的环境下，原子的排列结构可能会发生变化，相位也会发生变化。这种变化叫做相变。比如从液相到固相，原子排列变化明显，液相中的原子排列是不规则的，而固相通常是冷却下来得到的，但晶体排列是规则的。从一个固相到另一个固相，需要其他特殊处理，不同固相的原子排列也不同。六边形，四边形，菱形都有。所以相的不同主要是指原子排列的不同。固体原子的排列是有序的。三维世界中的固体具有长程有序。二维世界里没有固体的长程序[1]。这个很特别，所以很多人开始研究二维固体是怎么变成液体的(因为固体和液体没有很长的过程)。于是在20世纪70年代，涌现出一大批杰出的物理学家，包括2016年诺贝尔物理学奖获得者科斯特利茨和索利斯。他们通过基于拓扑亏损的理论描述了二维状态下的固液相变，后来通过一系列补充形成了一套KTHNY理论(不要以为NY是服装店，NY是Nelson和Young，不是纽约)。这个理论是这样描述二维固液相变的:在二维状态下，液体先变成六方相，然后六方相变成液相。这两个过程是连续的[2]。

二维相变中的连续性和六方相

这个理论非常令人震惊，因为它与三维情况相差太大。比如在三维空间里，我从冰箱里拿出一块冰，放在室温下，它在0度左右就变成水了。这个过程叫做熔化。这个过程确实会随着时间而改变，但是温度不会改变。如果我们以温度为变量，以密度为函数来观察这种现象，那么相变过程就发生在一个恒定的温度下。在一个曲线图中，如果纵轴是密度，横轴是温度，那么熔化过程就像一个阶跃函数。当然，密度从冰的0.9变成了水的1。但是这个过程在二维空间是不一样的。在二维空间中，这个过程是连续的。二维空间里，冰慢慢变成六角相，然后慢慢变成水。这个过程的温度是一直在变化的，也就是说，在一定的温度范围内，固体和液体的相态是非常模糊的。想象一下，在二维空间里，你的血液突然不知道是液体还是固体，流动和不流动。你恐慌吗？

其实这个理论是有争议的。很多科学家说KTHNY理论所描述的情况在我们生活的原子系统中是不存在的，也就是说二维空间中的相态和相变仍然和三维空间中的一样。这个推测也在一些实验中得到证实[3][4]，但这些实验中的原子其实是三维的，只是局限于二维空间活动。即便如此，原子之间的相互作用也会受到影响，因为不同维度的物质的相变点(如熔点、沸点)是完全不同的，所以维度的变化肯定会瞬间影响物质的相态。无论这种降维攻击是将所有基本粒子限制在二维活动，还是将所有基本粒子降维，其后果都将导致物质的混乱和文明的毁灭。

二维世界是什么样子的？2二维世界是什么样子的？三体降维打击是什么意思？

英国曼切斯特大学的安德烈·海姆说，“二维是最好的。”一个维度过于简单，无法满足；三维太复杂太乱；二维的“平面国家”恰到好处，它的空间正好允许有趣有用的东西出现。海姆说:“作为一名物理学家，你会希望生活在这个维度中。”

他当然会这么说。海姆的团队在2004年制作了第一个二维材料石墨烯。这种厚度只有一个碳原子的二维碳片可以让电子几乎不受阻碍地传输，因此这种材料有很大的应用前景。如果未来电脑的电线是用纳米管做的，石墨烯将是制造电路板的理想材料。

二维世界有很多便利。我们早就知道超导体存在于-143℃左右，但对其物理机制了解不多。现在，在过去的20年里，我们的进展是知道超导可能是由电荷相互作用形成的“二维条纹”引起的。研究超导背后的二维世界可能有助于我们推进常温超导体的研究。

二维平面既现实又深刻。当电子被强磁场约束在温度低于0.33K的二维层状半导体材料中时，长期以来被认为基本不可分的电子似乎被分裂成带分数电荷的粒子。这种现象叫做分数量子霍尔效应，产生的粒子叫做任意子。

任何一个原子不仅促使我们重新思考电子的本质，也给了我们建造超级量子计算机的希望。这种机器可以忠实地模拟子系统的行为，如果能够大规模投入使用，信息处理过程必将迎来又一次革命。总之，在二维平面上，有一条从新药研发到平行宇宙的几乎一切事物的未来之路。

三维——我在，所以我在？

二维的平原和多维的超空间成为了令人惊叹的赌场，让想象力飞扬，但我们的身体却仿佛被卡在了三维空间。为什么我们不生活在二维、四维、五维或更多维？最近，当物理学家试图结合相对论和量子论来解释时空的本质时，这个老问题又被提出来了。

作为一条通往量子引力真理的路径，弦理论给出了一个不尽人意的模糊答案:零到十维的空间是可能的。这迫使理论物理学家退回到人择原理。根据人择原理，我们可以认为可能存在各种维度的宇宙，因为我们只能存在于三维空间，所以只能看到三维世界。如果我们不存在，就不可能得到这个观测结果。

2005年，西雅图华盛顿大学的安德烈亚斯·凯奇和哈佛大学的丽莎·兰德尔根据物理学原理提出了一种解释。他们基于弦理论中接受度最高的十维时空建立了一个理论模型。根据这个理论，在这个随时间膨胀的超空间中，有各种不同维度的宇宙在漂浮，它们不断地相互碰撞，湮灭。在这个过程中，三维和七维宇宙最有可能存活下来。这个理论模型几乎已经给出了我们为什么对三维世界情有独钟这个问题的答案，除了最后一个问题:为什么不是一个宽敞的七维世界，而是一个狭窄的三维世界？

一个欧洲研究小组最近的工作解释了这个问题。他们认为时空不是一个统一的整体，而是由许多微小的片段组成的无限小的元素。他们把时空分成一些简单的单形(也叫单形)，这些单形以不同的方式连接在一起，形成整个完整的时空。单纯形是空间中最简单的多面体，是平面几何中三角形概念在高维空间中的自然延伸。根据量子理论，宇宙的真实形状应该是所有存在模式概率的叠加。根据计算，如果这个宇宙模型严格满足所有因果关系，那么它的时间是一维的，而空间恰恰是三维的。

根据这项研究，我们可以得出一个结论:在时间和空间的维度上存在一个尺度转折点，在这个转折点上，一个四维的时空会变成二维的。或许，如果你足够仔细地观察，看到一个非常小的尺度，你会发现我们仍然生活在一个二维的世界里。

二维世界中的原子是什么样的？

绝对二维世界意味着三维空间在一个方向上变为零。作为生活在三维世界的生物，我们很难想象二维世界的物理规律和基本粒子。我们三维世界的很多守恒定律都需要重写，比如电荷数守恒。在二维世界中，电荷产生的电场不是距离的二次指数函数，点电荷的势场会变成ln，所以二维世界中电子围绕原子的轨道与三维世界中的不同。

同理，二维世界的重力场也要重写。二维世界中行星的运动满足不同的运动规律。科幻小说《三体》提到了降维攻击的概念。在我心目中，降维条件下的基本粒子及其运动规律有很大不同，高维世界的生物不容易适应，所以我们要安全。

降维攻击，顾名思义，首先要降维。比如一个三维空间的物体在二维空间，物体本身的微观粒子之间的相互作用公式会发生变化，物体的分子将无法维持现有的稳定状态，极有可能发生解体，导致物体本身的毁灭。降维攻击是降低目标本身的空间维度，使目标无法在低维空间生存，摧毁目标。

从我们三维世界的物理规律出发，很多二维系统是不会存在的。一个例子是二维排列的原子是否可以形成周期性的晶格结构。根据Mermin-Wagner定律，在绝对零度以上的二维系统中，长程热涨落会破坏所有的长程序。