宇宙中的隐秘之维

宇宙中的隐秘之维

你必须要打扮得漂亮，以免被他忽视。

甲壳虫乐队（The Beatles）

宇宙有着说不尽的秘密，空间的额外维度可能就是其中之一。如果真是这样，那一定是宇宙一直在隐藏着这些维度，小心地包裹着它们，以免被人发现。如果不仔细看，你还真想不到会有什么玄妙。

关于维度认知的错误信息源于婴儿时代，婴儿床首先引领我们进入了一个三维空间（见图0-1）。当我们在婴儿床里爬行时，是在一个二维的平面上；等我们能站起来往外爬时，又多了垂直的第三维。自那时起，物理定律（更不用说人的常识）就加强了三维理论的信念，排斥任何可能存在更多维度的设想。

然而，时空很可能与我们的想象大相径庭。我们所熟知的物理理论，没有任何一个明确指出时空就只能是三维的。不假思索地否认其他维度存在的可能性，未免显得草率。正如“上下”与“前后”、“左右”有着不同的方向，是一个不同的维度一样，在浩淼的宇宙中也可能存在其他全然不同的新维度，尽管看不见、摸不着，却合情合理。

图0-1　一个婴儿的三维世界。

这种未知的不可见的维度，尚没有一个确切的名称。如果它们真的存在，事物就有了一个新的行动方向，因此，当需要一个名称来提及某个额外维度时，我会称之为“通道”（阐释额外维度时，我用“通道”这个词）。这些通道可能很平坦，就像我们熟知的那些维度一样；也可能是弯曲的，就像哈哈镜里的影像一样。它们可能极其微小——比原子还要小得多：迄今为止，凡是相信额外维度存在的人都这么认为。但是，最新成果显示，这些额外维度也可能很大，甚至是无穷大，却仍然很难被看见。我们的感官只认知三个大的维度，突然多出一个无穷大的额外维度，听起来还真是令人难以置信，而这个不可见的无限维度正是宇宙中众多离奇的可能性之一。在本书中，我们就来一探究竟。

有关额外维度的研究还引出了其他一些引人注目的概念，它们足以满足一个科幻迷的科学幻想，诸如平行宇宙、弯曲几何、三维溶洞等，这些话题听起来更像是小说家的杜撰，甚或是痴人说梦，而不像真正的科学求索的主题。尽管如此，它们却是可能出现在额外维度世界中真正的科学景象。（现在不熟悉这些名词和概念没关系，后面我们会进行介绍和探究。）

即便包含额外维度的物理学允许出现这些引人入胜的情景，或许你仍会纳闷，一向只专注于对可见现象作出预言的物理学家，为什么会对这些如此看重呢？答案一如额外维度本身一样耐人寻味。新的研究成果表明，尽管人们还没有切身感受到额外维度的存在，也依然对额外维度甚是迷惑，但它们却能够揭示宇宙中某些最本质的秘密。对于我们看到的世界，额外维度可能蕴含着某些深意，而有关它们的思想，或许最终会揭示我们在三维空间中错失的某些关联。

如果我们不能从时间上认识到因纽特人和中国人系属同一祖先，那么就不会明白为什么他们有着相似的体貌特征。同样地，与额外维度相伴的联系有可能解释粒子物理学中令人费解的方方面面，帮助我们揭开几十年来的难题。因为当空间锁定在三维时，粒子属性和力的关系似乎难以解释；而在高维空间里，那些关系就自然逻辑自恰了。

我相信额外维度吗？我承认，我信。过去，对于可测量范围之外的物理学的猜想——包括我自己的观点，我虽然很着迷，却也存有一定程度的怀疑。我想正是这样，才使我对这些未知既没有失去兴趣，又保持了忠实的态度。不过有时候，某个想法似乎必定蕴含着真理的萌芽。

5年前的一天，正当我坐船穿过查尔斯河进入剑桥镇时，我突然意识到：我的确相信某种形式的额外维度一定存在。环顾四周，我思忖着那些看不见的维度。我对自己世界观的改变感到非常惊讶，这种感觉我之前也曾经历过：作为一个地道的纽约人，在棒球加时赛中，我突然发现，我竟然在为纽约洋基队的对手波士顿红袜队呐喊助威——那同样是一件我从未料到的事。

对于额外维度的深入了解更增强了我对其存在的信心，而同时那些反对的论点则漏洞百出，不能令人信服；离开额外维度，物理学理论就有很多问题无法解答；随着对额外维度的探索，我们发现，可能还有更多类似于我们这个宇宙的多重宇宙，这表明我们目前只看到了冰山一角！即便额外维度与我将做的描述并不十分一致，但我依然认为，它们极有可能以这样或那样的形态存在，其意义也必定是出人意料、发人深省的。

如果得知在你家厨房里就有可能隐藏着额外维度，那么你的好奇心或许立马就会被激发出来。这个痕迹就在不粘锅里：不粘锅上有一层准晶体的镀层。准晶体的结构十分奇妙，其基本秩序只有在额外维度中才能显现。晶体是一种原子和分子排列高度对称的网格结构，其中一个基本元素会不断重复出现。在三维空间中，我们知道晶体会形成怎样的结构，会以哪种模式排列，可是，准晶体的原子和分子排列却不符合晶体的任何一种模式！

图0-2所示的是准晶体的一种排列模式。真正的晶体，结构精确、规则，就像是坐标纸上的网格；而在准晶体的图例中，我们却看不到这种精确的规则排列。对这些奇特材料的分子排列模式，最贴切的解释办法是借助高维晶体模式的投影——有点儿像三维的影子，以此来揭示它在高维空间里的对称性。三维空间中全然无从解释的模式，却反映了它在高维世界的有序结构。带有准晶体镀层的锅之所以不粘，正是利用了准晶体与常见食物的结构差异，锅里镀层的高维晶体投影与常见食物的一般三维结构是有差异的，原子排列模式的不同使得它们不会粘连在一起。原子的这种不同排列模式，既使我们依稀看到了额外维度的存在，也使我们对一些可见的物理现象作出了解释。

相比其他作用力，引力为何不堪一击

额外维度帮助我们理解了一直令人费解的准晶体分子的排列模式，正因如此，现在物理学家们推想，额外维度理论也可以解释粒子物理学和宇宙学中的某些联系——那些只有在三维空间里令人费解的联系。

近40年来，物理学家们一直依赖于粒子物理学中的标准模型理论。标准模型理论（在第7章中我们会进一步讨论）讲述了物质的根本性质以及物质基本成分之间的相互作用力。物理学家创造了一些自宇宙最初几秒以来从未在我们的世界出现过的粒子，以此来检验标准模型。他们发现，标准模型对这些粒子的许多属性都作出了成功的解释。不过标准模型却无法解答一些根本性的问题，而这些问题又是如此直抵了事物的本质，它们的解答有望使我们对这个世界的建构基础及其相互作用产生新的认识。

本书讲述了我和其他科学家是如何探求标准模型难题的答案，以及怎样进入额外维度领域的。额外维度研究的新进展最终必然会成为万众瞩目的焦点，但在此之前，我要先介绍几个强有力的理论——它们是20世纪物理学的革命性进步，我随后讲述的新的理论观点正是建立在这些重大突破之上的。

我们要回顾的话题大致分为三类：20世纪早期物理学、粒子物理学以及弦理论。我们会研究相对论和量子力学的主要观点、粒子物理学的现状以及额外维度可能遇到的难题。我们还将思考弦理论的基本概念。许多物理学家认为，弦理论是现在最有希望将量子力学和万有引力统一起来的理论。弦理论指出，自然界的最基本单位不是粒子，而是基本的振动弦。因为这一理论需要一个超出三维的空间，所以就为额外维度的研究提供了强大动力。我还会讲到膜的作用，膜是薄膜状的物质，在弦理论中如同弦本身一样，是最基本的。我们还将探讨这些理论的成功之处以及它们未能解答的问题，正是这些未解之谜推动了我们当今的研究。

其中，一个主要的未解之谜是：相比其他作用力，引力为何如此微弱？爬山时，你可能觉得地球引力并不微弱，但想想，那可是整个地球都在作用于你。但反过来看，一块小小的磁铁却能将一枚曲别针吸起，任地球庞大的质量正在将其拉向相反的方向。面对一块小小磁铁的小小拉力，地球引力何以如此不堪一击？在标准三维粒子物理中，微弱的地球引力实在是一个巨大的谜团，而额外维度就有可能成为这个关键的解。

1998年，我和同事拉曼·桑卓姆提出了一个可能的解释。我们的观点基于弯曲几何，这是源于爱因斯坦广义相对论的一个概念。据此理论，时间和空间被物质与能量融合在一起，形成了一个卷曲的或弯曲的时空结构。我和拉曼将此理论应用到了一种新的额外维度的模型中，然后发现了一种时空严重弯曲的结构，即便引力在一个空间区域内很强大，而在其他区域内也会变得微弱。

我们还有更加不同寻常的发现：尽管近90年来，物理学家一直假定额外维度一定是极其微小的，以此来解释我们为什么看不见它们。可是在1999年，我和拉曼不仅发现弯曲时空能够解释地球引力的微弱，还发现看不见的额外维度也可能延伸至无穷大——只要它在弯曲时空里发生适当的卷曲。额外维度可以是无穷大的，却依然隐藏着——这一观点并非所有物理学家都能立即接受，但我物理学领域之外的朋友很快就以为我发现了什么，这并非因为他们完全精通了物理学，而是因为在一次会议上我表述完自己的研究成果之后，在宴会上史蒂芬·霍金让我坐在了他旁边！

在书中，我将解释这些以及其他一些理论成果的基本物理学原理，还有能借以构造它们的空间新概念。然后，我们还会遇到更加离奇的事：一年后，我和物理学家安德烈亚斯·卡奇（Andreas Karch）发现：尽管宇宙的其他部分都是多维的，但我们却可能生活在空间的一个三维口袋里。这个结果引出了大量可能的时空新结构，它可能由不同的区域组成，每个区域包含不同数量的维度。500多年前，哥白尼提出地球不是世界中心的观点震撼了整个世界，而今，我们不仅不是世界的中心，还有可能只不过生存在一个孤立的三维空间里，而它却也只是高维宇宙的一部分！

新发现的被称作膜的薄膜状物质是丰富的高维景象的重要组成部分。如果说额外维度是物理学家的运动场，那么膜宇宙——在这个虚拟宇宙中，我们就生存在一个膜上，就是一个可望而不可即、多层、多面的丛林体育馆[1]。本书将带你进入弯曲、庞大、有着无限维度的膜宇宙中，其中一些宇宙只有一个膜，而另外一些有着多层膜，笼罩着看不见的世界。

这一切皆有可能。

未知中的兴奋

假想的膜宇宙是信念的理论性飞跃，它们包含的观点是猜测性的。就如股市一样，冒险可能失败，但也可能带来巨大的回报。

想象暴风雪过后的第一个晴日，你坐在上山的缆车上放眼望去，一片白茫茫的雪野，一个脚印儿都没有，雪地就在你的脚下，闪着银光诱惑着你。你知道，无论怎样，只要踏上这片雪地，这必然会是美妙的一天。有些滑道是陡峭的，崎岖不平；而有些则畅通无阻，如闲逛的巡游；还有些要穿越丛林，像走入迷宫一般。但是，即使偶尔会有错误的转向，偏离滑道，这一天仍将是非常美妙且值得留恋的。

对我来说，模型构建就如这雪地一般，有着同样难以抗拒的诱惑力。对于当前现象的基础理论探索，物理学家称为模型构建，它是在概念和观点之间穿梭的“冒险旅行”：有时，新观点显而易见；而有时，却如捉迷藏般不可捉摸。但是，即使在我们并不知道这些有趣的新模型最终会把我们引向何方时，它们也常常开拓出不为人知且令人兴奋的新天地。

关于我们在宇宙中的位置，究竟哪个理论会作出正确的描述，我们还尚不知情，其中有一些，我们可能永远都不会了解。但令人难以置信的是，并非所有的额外维度理论都是如此。任何一个解释了引力微弱的额外维度理论，最令人兴奋的一个特征就是，如果它正确，我们很快就能发现。而LHC研究高能粒子的实验很可能会发现支持这些假设以及它们所包含的额外维度的证据。

LHC会让一些高能粒子发生碰撞，生成一些我们从未见过的新物质。如果有任何一个额外维度理论正确，它都可能会在LHC里留下可见的痕迹，这些证据将包括叫作卡鲁扎-克莱因模式的粒子的痕迹。卡鲁扎-克莱因模式是额外维度留在我们三维世界的脚印。如果足够幸运，实验还会记录其他线索，甚至可能会发现高维黑洞。

记录这些对象的探测仪是一个惊人的庞然大物——甚至需要穿戴好肩背带、头盔等登山装备才能爬上去工作。事实上，在瑞士靠近欧洲核子研究中心（CERN）附近，我就曾用这些装备进行了一次冰川旅行，CERN就是LHC安家的地方。这些庞大的探测仪会记录下粒子的性质，然后物理学家利用这些性质重构通过它们的粒子。

诚然，额外维度的证据可能并不直接，必须由我们将各种各样的线索拼接起来，不过几乎所有新近的物理学发现都是如此。20世纪，随着物理学的发展，我们的研究对象已不单纯是能由肉眼直接观察的事物，而是转向了只有通过测量和逻辑推理才能“看见”的事物。例如，我们中学时代就已熟悉的质子和中子的组成成分夸克，它就从未独立地出现过，在影响其他粒子时，它们会留下痕迹，正是跟踪这些痕迹，我们才发现了它们。暗物质和暗能量的发现也是如此：我们不知道宇宙中大部分的能量来自哪里，也不知道宇宙所包含的大多数物质的本质是什么，但我们知道宇宙中存在着暗物质和暗能量，这并非因为我们直接探测到了它们，而是因为它们对周围的物质有着明显的影响。我们确定夸克或暗物质、暗能量的存在，只是通过间接的方式；同样地，额外维度也不会直接出现在我们面前。但是，即便额外维度存在的迹象并不直接，我们也能知道它们确实是存在的。

首先我得声明：并非所有的观点最终都能被证明是正确的，许多科学家对所有新理论都持怀疑态度，我这里讲的理论也不例外，但猜想是助推我们理解的唯一办法。最后，即使有些细节并不能完全与现实相符，但一个新的理论观点仍能阐明一些物理学原理，启发我们找到真正的宇宙理论。我确信，本书中我们将探讨的额外维度理论绝不仅仅是真理的一丝萌芽而已。

在从事未知事物的研究和推想新观点时，我们不禁会想起，基本结构的发现总是惊人的，而且总会遭遇怀疑和抵触。令人感到奇怪的是，不仅仅是普通大众，有时，就连提出那些基本结构的人，起初也是犹豫不决的。

例如，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦创立了经典电磁理论，却并不相信基本电荷单位（如电子）的存在；乔治·斯托尼（George Stoney）于19世纪末提出电子是基本的电荷单位，却不相信科学家可能会将电子从原子中分离出来，它们只是原子的组成部分（事实上，电子只携带热量或电场）；元素周期表的发现者德米特里·门捷列夫拒绝接受周期表所体现的化合价的概念；马克斯·普朗克提出由光携带的能量是不连贯的，却并不相信他自己观点里暗含的光量子的现实存在；阿尔伯特·爱因斯坦提出了光量子的概念，却不知道它们的力学属性可能使它们等同于粒子——即我们现在所知的光子。但是，并非每个有着正确新思想的人都会否认它们与现实的联系。许多观点，无论是否被承认，最终还是会被证明是确凿无疑的。

还有什么东西等待我们去发现吗？这个问题的答案，我们可以从卓越的核物理学家、科普作家乔治·伽莫夫（George Gamow）的一段“短命”名言中寻得一丝端倪。他在1945年写道：“现在，我们只剩下三种本质不同的实体：原子核、电子、中微子，而不是经典物理学中大量的‘不可见的原子’……如此一来，在物质基本构成的探索中，我们似乎已经找到了根源。”伽莫夫写这些的时候，根本不会想到原子核是由夸克构成的，而且不到30年，人们就发现了它！

我们在继续探求着更基本的结构，如果到我们这里便不再有新成果、新发现了，难道你不觉得很奇怪吗？你不觉得那简直令人难以置信吗？现有理论之间的矛盾透露给我们的是，它们一定不是最终结果。前辈物理学家们既没有当今物理学家的工具，也没有动机来探索本书中将描述的额外维度领域。额外维度，或是支持粒子物理学中标准模型的任何其他东西，都将是一项重大发现。

面对周围的世界，我们有什么理由不去探索呢？