看不见的第五维

看不见的第五维

韩　涛

美国匹兹堡大学物理天文系杰出教授

美国匹兹堡大学物理天文系杰出教授

匹兹堡粒子物理、天体物理与宇宙学中心主任

人类对自然现象的好奇心驱使着我们探索时间和空间（时空）的奥秘。时空是物质存在的形式，可是时空本身到底以什么形式展现、如何确切地描述，却是古今中外物理学家、数学家以及哲学家们煞费苦心研究的问题。自从科学诞生以来，对于时空性质的研究就几乎成了永久的课题。

本书作者丽莎·兰道尔现任教于哈佛大学。她曾是普林斯顿大学物理系的第一位终身女性教授，也是哈佛大学、麻省理工学院的第一位理论物理系的终身女性教授。从事高能理论物理研究工作近30年来，兰道尔获得了多项开创性的重要成果，是当前最有影响力的理论物理学家之一。她和拉曼·桑卓姆（Raman Sundrum）十几年前提出的额外维度模型，与另一个大额外维度理论一起，产生了划时代的意义。现在，兰道尔仍然活跃在科学前沿，致力于基本粒子理论和宇宙学的研究。

作为对额外维度理论的最新进展有开创性贡献的物理学家之一，兰道尔相信额外维度的存在。可不管这些卷曲的额外维度有多大，都是我们肉眼所看不见的！那么，我们如何从实验中确认它们的存在呢？幸运的是，这种理论很可能在我们目前及未来的实验中留下了蛛丝马迹。现在，设在日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）已经投入运行，而它也是迄今国际上最大的科学实验装置。

LHC可以使高能质子对撞，产生高能反应。然后，能量转变成质量，产生新的粒子。一种被称作卡鲁扎-克莱因的粒子就是额外维度理论预言的确证，也是LHC实验中希望发现的。如果LHC中的高能反应有幸达到强引力的范畴，那么还可能产生高维黑洞！

与许多高能物理学家一起，兰道尔也积极投身于LHC实验的研究，她近来关于卡鲁扎-克莱因粒子及高维黑洞现象的理论预言，都对LHC实验具有指导意义。高能物理领域热切期待着革命性的新发现！这种额外维度理论甚至对早期宇宙暴胀理论，以及暗物质的来源都会提供一种新视角。

从目前的观测看来，我们生活在一个均匀的、各向同性的三维空间加一维时间，即四维时空中，还没有实验证据揭示三维空间外的“额外维度”的存在。然而，自20世纪初以来就有理论物理学家提出额外维度存在的可能性。这些额外维度不像我们周围的三维空间那样延伸，而是卷曲到小得看不见。有希望统一引力与量子力学的弦理论，恰恰要求额外维度的存在。这个观点引起了物理学家及数学家的极大兴趣，甚至被认为是物理学领域的一次革命！传统的弦理论认为，我们生活的三维空间只不过是一个更高维空间中的一部分，但现代弦理论指出，额外维度可以微小到永远无法被观测的程度，即接近所谓的“普朗克长度”，约10-33厘米。如果真是这样，额外维度的存在与否，似乎对我们的可观测世界也没有什么作用，因此其存在很难由实验来证实或证伪。

但是，理论物理学研究的最新结果改变了物理学家对额外维度的认识。其实，额外维度可以很大，有的甚至可以延伸到无穷大！它们可以不是平坦的，而是变形的、卷曲的。这种观点来源于爱因斯坦广义相对论中的一个概念。物质能量对时间和空间的制约导致了这些异常性质的出现。更引起物理学家重视的是，这些新理论还有其他方面的意义和应用。比如，与我们周围的核力和电磁力相比，引力如此之微弱。这种卷曲空间的新理论可以解释这个长期以来的困惑：在严重卷曲的空间里，引力可以在某些区域里表现得很强，而在其他区域里表现得很弱。进而，这种卷曲的额外维度理论还可以帮助理解弱核力得以稳定存在的事实。

在本书的最后一部分，兰道尔提出了一个让读者感到惊讶的问题：究竟什么是维度？“确定一个点所需要的独立坐标数就是维度”，不是吗？其实答案要比想象的复杂得多！物理现象都是由物质间的相互作用所决定的。如果存在很强的相互作用，那么维度的概念就会变得更加复杂。十几年来，理论物理学的最新进展表明，一个四维的强相互作用理论可以等效于一个高维的引力理论，即所谓的对偶性。在这种情况下，维度的概念不再明确。其实，弦理论学家早就发现了另外一个对偶性，称作T对偶。在弦理论里，卷曲空间的极小体积和极大体积产生的物理结果是一样的，这使得维度的含义再次变得模糊起来。这些属性实在太玄妙了！兰道尔以及许多顶尖的物理学家都认为，时间和空间一定还有更为基本的描述。

本书以艾克和阿西娜兄妹俩的对话开始引入维度，每一章都会以他们的梦境、经历或故事来代入主题，别有一番风味。本书语言轻松易懂，且图文并茂。书中多处以有趣的例子、图画和故事来描述与比喻深刻的理论：从在婴儿床里爬行时感受到的维度，到不粘锅中准晶体的高维结构，再到以浇花时水的流量比喻力的强度，又到用漏斗的形状来比喻卷曲的额外维度，等等，既生动又贴切，极具可读性。而且该书的翻译严谨，语言通俗，适合于对现代前沿科学有兴趣的广大国内读者。

时空的性质的确是高能物理和宇宙学中最重要的研究主题，那么额外维度真的存在吗？这样引人入胜的想法到底会不会得到实验观测的肯定呢？读者们还是自己从这本妙趣横生的书中寻找答案吧！