引言

宇宙中的隱秘之維

宇宙有著說不盡的秘密，空間的額外維度可能就是其中之一。如果真是這樣，那一定是宇宙一直在隱藏著這些維度，小心地包裹著它們，以免被人發(fā)現(xiàn)。如果不仔細看，你還真想不到會有什么玄妙。

關于維度認知的錯誤信息源于嬰兒時代，嬰兒床首先引領我們進入了一個三維空間（見圖0-1）。當我們在嬰兒床里爬行時，是在一個二維的平面上；等我們能站起來往外爬時，又多了垂直的第三維。自那時起，物理定律（更不用說人的常識）就加強了三維理論的信念，排斥任何可能存在更多維度的設想。

然而，時空很可能與我們的想象大相徑庭。我們所熟知的物理理論，沒有任何一個明確指出時空就只能是三維的。不假思索地否認其他維度存在的可能性，未免顯得草率。正如“上下”與“前后”、“左右”有著不同的方向，是一個不同的維度一樣，在浩淼的宇宙中也可能存在其他全然不同的新維度，盡管看不見、摸不著，卻合情合理。

這種未知的不可見的維度，尚沒有一個確切的名稱。如果它們真的存在，事物就有了一個新的行動方向，因此，當需要一個名稱來提及某個額外維度時，我會稱之為“通道”（闡釋額外維度時，我用“通道”這個詞）。這些通道可能很平坦，就像我們熟知的那些維度一樣；也可能是彎曲的，就像哈哈鏡里的影像一樣。它們可能極其微小——比原子還要小得多：迄今為止，凡是相信額外維度存在的人都這么認為。但是，最新成果顯示，這些額外維度也可能很大，甚至是無窮大，卻仍然很難被看見。我們的感官只認知三個大的維度，突然多出一個無窮大的額外維度，聽起來還真是令人難以置信，而這個不可見的無限維度正是宇宙中眾多離奇的可能性之一。在本書中，我們就來一探究竟。

有關額外維度的研究還引出了其他一些引人注目的概念，它們足以滿足一個科幻迷的科學幻想，諸如平行宇宙、彎曲幾何、三維溶洞等，這些話題聽起來更像是小說家的杜撰，甚或是癡人說夢，而不像真正的科學求索的主題。盡管如此，它們卻是可能出現(xiàn)在額外維度世界中真正的科學景象。（現(xiàn)在不熟悉這些名詞和概念沒關系，后面我們會進行介紹和探究。）

不粘鍋里的另一個世界

即便包含額外維度的物理學允許出現(xiàn)這些引人入勝的情景，或許你仍會納悶，一向只專注于對可見現(xiàn)象作出預言的物理學家，為什么會對這些如此看重呢？答案一如額外維度本身一樣耐人尋味。新的研究成果表明，盡管人們還沒有切身感受到額外維度的存在，也依然對額外維度甚是迷惑，但它們卻能夠揭示宇宙中某些最本質的秘密。對于我們看到的世界，額外維度可能蘊含著某些深意，而有關它們的思想，或許最終會揭示我們在三維空間中錯失的某些關聯(lián)。

如果我們不能從時間上認識到因紐特人和中國人系屬同一祖先，那么就不會明白為什么他們有著相似的體貌特征。同樣地，與額外維度相伴的聯(lián)系有可能解釋粒子物理學中令人費解的方方面面，幫助我們揭開幾十年來的難題。因為當空間鎖定在三維時，粒子屬性和力的關系似乎難以解釋；而在高維空間里，那些關系就自然邏輯自恰了。

我相信額外維度嗎？我承認，我信。過去，對于可測量范圍之外的物理學的猜想——包括我自己的觀點，我雖然很著迷，卻也存有一定程度的懷疑。我想正是這樣，才使我對這些未知既沒有失去興趣，又保持了忠實的態(tài)度。不過有時候，某個想法似乎必定蘊含著真理的萌芽。

5年前的一天，正當我坐船穿過查爾斯河進入劍橋鎮(zhèn)時，我突然意識到：我的確相信某種形式的額外維度一定存在。環(huán)顧四周，我思忖著那些看不見的維度。我對自己世界觀的改變感到非常驚訝，這種感覺我之前也曾經(jīng)歷過：作為一個地道的紐約人，在棒球加時賽中，我突然發(fā)現(xiàn)，我竟然在為紐約洋基隊的對手波士頓紅襪隊吶喊助威——那同樣是一件我從未料到的事。

對于額外維度的深入了解更增強了我對其存在的信心，而同時那些反對的論點則漏洞百出，不能令人信服；離開額外維度，物理學理論就有很多問題無法解答；隨著對額外維度的探索，我們發(fā)現(xiàn)，可能還有更多類似于我們這個宇宙的多重宇宙，這表明我們目前只看到了冰山一角！即便額外維度與我將做的描述并不十分一致，但我依然認為，它們極有可能以這樣或那樣的形態(tài)存在，其意義也必定是出人意料、發(fā)人深省的。

如果得知在你家廚房里就有可能隱藏著額外維度，那么你的好奇心或許立馬就會被激發(fā)出來。這個痕跡就在不粘鍋里：不粘鍋上有一層準晶體的鍍層。準晶體的結構十分奇妙，其基本秩序只有在額外維度中才能顯現(xiàn)。晶體是一種原子和分子排列高度對稱的網(wǎng)格結構，其中一個基本元素會不斷重復出現(xiàn)。在三維空間中，我們知道晶體會形成怎樣的結構，會以哪種模式排列，可是，準晶體的原子和分子排列卻不符合晶體的任何一種模式！

圖0-2所示的是準晶體的一種排列模式。真正的晶體，結構精確、規(guī)則，就像是坐標紙上的網(wǎng)格；而在準晶體的圖例中，我們卻看不到這種精確的規(guī)則排列。對這些奇特材料的分子排列模式，最貼切的解釋辦法是借助高維晶體模式的投影——有點兒像三維的影子，以此來揭示它在高維空間里的對稱性。三維空間中全然無從解釋的模式，卻反映了它在高維世界的有序結構。帶有準晶體鍍層的鍋之所以不粘，正是利用了準晶體與常見食物的結構差異，鍋里鍍層的高維晶體投影與常見食物的一般三維結構是有差異的，原子排列模式的不同使得它們不會粘連在一起。原子的這種不同排列模式，既使我們依稀看到了額外維度的存在，也使我們對一些可見的物理現(xiàn)象作出了解釋。

相比其他作用力，引力為何不堪一擊

額外維度幫助我們理解了一直令人費解的準晶體分子的排列模式，正因如此，現(xiàn)在物理學家們推想，額外維度理論也可以解釋粒子物理學和宇宙學中的某些聯(lián)系——那些只有在三維空間里令人費解的聯(lián)系。

近40年來，物理學家們一直依賴于粒子物理學中的標準模型理論。標準模型理論（在第7章中我們會進一步討論）講述了物質的根本性質以及物質基本成分之間的相互作用力。物理學家創(chuàng)造了一些自宇宙最初幾秒以來從未在我們的世界出現(xiàn)過的粒子，以此來檢驗標準模型。他們發(fā)現(xiàn)，標準模型對這些粒子的許多屬性都作出了成功的解釋。不過標準模型卻無法解答一些根本性的問題，而這些問題又是如此直抵了事物的本質，它們的解答有望使我們對這個世界的建構基礎及其相互作用產(chǎn)生新的認識。

本書講述了我和其他科學家是如何探求標準模型難題的答案，以及怎樣進入額外維度領域的。額外維度研究的新進展最終必然會成為萬眾矚目的焦點，但在此之前，我要先介紹幾個強有力的理論——它們是20世紀物理學的革命性進步，我隨后講述的新的理論觀點正是建立在這些重大突破之上的。

我們要回顧的話題大致分為三類：20世紀早期物理學、粒子物理學以及弦理論。我們會研究相對論和量子力學的主要觀點、粒子物理學的現(xiàn)狀以及額外維度可能遇到的難題。我們還將思考弦理論的基本概念。許多物理學家認為，弦理論是現(xiàn)在最有希望將量子力學和萬有引力統(tǒng)一起來的理論。弦理論指出，自然界的最基本單位不是粒子，而是基本的振動弦。因為這一理論需要一個超出三維的空間，所以就為額外維度的研究提供了強大動力。我還會講到膜的作用，膜是薄膜狀的物質，在弦理論中如同弦本身一樣，是最基本的。我們還將探討這些理論的成功之處以及它們未能解答的問題，正是這些未解之謎推動了我們當今的研究。

其中，一個主要的未解之謎是：相比其他作用力，引力為何如此微弱？爬山時，你可能覺得地球引力并不微弱，但想想，那可是整個地球都在作用于你。但反過來看，一塊小小的磁鐵卻能將一枚曲別針吸起，任地球龐大的質量正在將其拉向相反的方向。面對一塊小小磁鐵的小小拉力，地球引力何以如此不堪一擊？在標準三維粒子物理中，微弱的地球引力實在是一個巨大的謎團，而額外維度就有可能成為這個關鍵的解。

1998年，我和同事拉曼·桑卓姆提出了一個可能的解釋。我們的觀點基于彎曲幾何，這是源于愛因斯坦廣義相對論的一個概念。據(jù)此理論，時間和空間被物質與能量融合在一起，形成了一個卷曲的或彎曲的時空結構。我和拉曼將此理論應用到了一種新的額外維度的模型中，然后發(fā)現(xiàn)了一種時空嚴重彎曲的結構，即便引力在一個空間區(qū)域內(nèi)很強大，而在其他區(qū)域內(nèi)也會變得微弱。

我們還有更加不同尋常的發(fā)現(xiàn)：盡管近90年來，物理學家一直假定額外維度一定是極其微小的，以此來解釋我們?yōu)槭裁纯床灰娝鼈儭？墒窃?999年，我和拉曼不僅發(fā)現(xiàn)彎曲時空能夠解釋地球引力的微弱，還發(fā)現(xiàn)看不見的額外維度也可能延伸至無窮大——只要它在彎曲時空里發(fā)生適當?shù)木砬ｎ~外維度可以是無窮大的，卻依然隱藏著——這一觀點并非所有物理學家都能立即接受，但我物理學領域之外的朋友很快就以為我發(fā)現(xiàn)了什么，這并非因為他們完全精通了物理學，而是因為在一次會議上我表述完自己的研究成果之后，在宴會上史蒂芬·霍金讓我坐在了他旁邊！

在書中，我將解釋這些以及其他一些理論成果的基本物理學原理，還有能借以構造它們的空間新概念。然后，我們還會遇到更加離奇的事：一年后，我和物理學家安德烈亞斯·卡奇（Andreas Karch）發(fā)現(xiàn)：盡管宇宙的其他部分都是多維的，但我們卻可能生活在空間的一個三維口袋里。這個結果引出了大量可能的時空新結構，它可能由不同的區(qū)域組成，每個區(qū)域包含不同數(shù)量的維度。500多年前，哥白尼提出地球不是世界中心的觀點震撼了整個世界，而今，我們不僅不是世界的中心，還有可能只不過生存在一個孤立的三維空間里，而它卻也只是高維宇宙的一部分！

新發(fā)現(xiàn)的被稱作膜的薄膜狀物質是豐富的高維景象的重要組成部分。如果說額外維度是物理學家的運動場，那么膜宇宙——在這個虛擬宇宙中，我們就生存在一個膜上，就是一個可望而不可即、多層、多面的叢林體育館。本書將帶你進入彎曲、龐大、有著無限維度的膜宇宙中，其中一些宇宙只有一個膜，而另外一些有著多層膜，籠罩著看不見的世界。

這一切皆有可能。

未知中的興奮

假想的膜宇宙是信念的理論性飛躍，它們包含的觀點是猜測性的。就如股市一樣，冒險可能失敗，但也可能帶來巨大的回報。

想象暴風雪過后的第一個晴日，你坐在上山的纜車上放眼望去，一片白茫茫的雪野，一個腳印兒都沒有，雪地就在你的腳下，閃著銀光誘惑著你。你知道，無論怎樣，只要踏上這片雪地，這必然會是美妙的一天。有些滑道是陡峭的，崎嶇不平；而有些則暢通無阻，如閑逛的巡游；還有些要穿越叢林，像走入迷宮一般。但是，即使偶爾會有錯誤的轉向，偏離滑道，這一天仍將是非常美妙且值得留戀的。

對我來說，模型構建就如這雪地一般，有著同樣難以抗拒的誘惑力。對于當前現(xiàn)象的基礎理論探索，物理學家稱為模型構建，它是在概念和觀點之間穿梭的“冒險旅行”：有時，新觀點顯而易見；而有時，卻如捉迷藏般不可捉摸。但是，即使在我們并不知道這些有趣的新模型最終會把我們引向何方時，它們也常常開拓出不為人知且令人興奮的新天地。

關于我們在宇宙中的位置，究竟哪個理論會作出正確的描述，我們還尚不知情，其中有一些，我們可能永遠都不會了解。但令人難以置信的是，并非所有的額外維度理論都是如此。任何一個解釋了引力微弱的額外維度理論，最令人興奮的一個特征就是，如果它正確，我們很快就能發(fā)現(xiàn)。而LHC研究高能粒子的實驗很可能會發(fā)現(xiàn)支持這些假設以及它們所包含的額外維度的證據(jù)。

LHC會讓一些高能粒子發(fā)生碰撞，生成一些我們從未見過的新物質。如果有任何一個額外維度理論正確，它都可能會在LHC里留下可見的痕跡，這些證據(jù)將包括叫作卡魯扎-克萊因模式的粒子的痕跡。卡魯扎-克萊因模式是額外維度留在我們?nèi)S世界的腳印。如果足夠幸運，實驗還會記錄其他線索，甚至可能會發(fā)現(xiàn)高維黑洞。

記錄這些對象的探測儀是一個驚人的龐然大物——甚至需要穿戴好肩背帶、頭盔等登山裝備才能爬上去工作。事實上，在瑞士靠近歐洲核子研究中心（CERN）附近，我就曾用這些裝備進行了一次冰川旅行，CERN就是LHC安家的地方。這些龐大的探測儀會記錄下粒子的性質，然后物理學家利用這些性質重構通過它們的粒子。

誠然，額外維度的證據(jù)可能并不直接，必須由我們將各種各樣的線索拼接起來，不過幾乎所有新近的物理學發(fā)現(xiàn)都是如此。20世紀，隨著物理學的發(fā)展，我們的研究對象已不單純是能由肉眼直接觀察的事物，而是轉向了只有通過測量和邏輯推理才能“看見”的事物。例如，我們中學時代就已熟悉的質子和中子的組成成分夸克，它就從未獨立地出現(xiàn)過，在影響其他粒子時，它們會留下痕跡，正是跟蹤這些痕跡，我們才發(fā)現(xiàn)了它們。暗物質和暗能量的發(fā)現(xiàn)也是如此：我們不知道宇宙中大部分的能量來自哪里，也不知道宇宙所包含的大多數(shù)物質的本質是什么，但我們知道宇宙中存在著暗物質和暗能量，這并非因為我們直接探測到了它們，而是因為它們對周圍的物質有著明顯的影響。我們確定夸克或暗物質、暗能量的存在，只是通過間接的方式；同樣地，額外維度也不會直接出現(xiàn)在我們面前。但是，即便額外維度存在的跡象并不直接，我們也能知道它們確實是存在的。

首先我得聲明：并非所有的觀點最終都能被證明是正確的，許多科學家對所有新理論都持懷疑態(tài)度，我這里講的理論也不例外，但猜想是助推我們理解的唯一辦法。最后，即使有些細節(jié)并不能完全與現(xiàn)實相符，但一個新的理論觀點仍能闡明一些物理學原理，啟發(fā)我們找到真正的宇宙理論。我確信，本書中我們將探討的額外維度理論絕不僅僅是真理的一絲萌芽而已。

在從事未知事物的研究和推想新觀點時，我們不禁會想起，基本結構的發(fā)現(xiàn)總是驚人的，而且總會遭遇懷疑和抵觸。令人感到奇怪的是，不僅僅是普通大眾，有時，就連提出那些基本結構的人，起初也是猶豫不決的。

例如，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋創(chuàng)立了經(jīng)典電磁理論，卻并不相信基本電荷單位（如電子）的存在；喬治·斯托尼（George Stoney）于19世紀末提出電子是基本的電荷單位，卻不相信科學家可能會將電子從原子中分離出來，它們只是原子的組成部分（事實上，電子只攜帶熱量或電場）；元素周期表的發(fā)現(xiàn)者德米特里·門捷列夫拒絕接受周期表所體現(xiàn)的化合價的概念；馬克斯·普朗克提出由光攜帶的能量是不連貫的，卻并不相信他自己觀點里暗含的光量子的現(xiàn)實存在；阿爾伯特·愛因斯坦提出了光量子的概念，卻不知道它們的力學屬性可能使它們等同于粒子——即我們現(xiàn)在所知的光子。但是，并非每個有著正確新思想的人都會否認它們與現(xiàn)實的聯(lián)系。許多觀點，無論是否被承認，最終還是會被證明是確鑿無疑的。

還有什么東西等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)嗎？這個問題的答案，我們可以從卓越的核物理學家、科普作家喬治·伽莫夫（George Gamow）的一段“短命”名言中尋得一絲端倪。他在1945年寫道：“現(xiàn)在，我們只剩下三種本質不同的實體：原子核、電子、中微子，而不是經(jīng)典物理學中大量的‘不可見的原子’……如此一來，在物質基本構成的探索中，我們似乎已經(jīng)找到了根源。”伽莫夫寫這些的時候，根本不會想到原子核是由夸克構成的，而且不到30年，人們就發(fā)現(xiàn)了它！

我們在繼續(xù)探求著更基本的結構，如果到我們這里便不再有新成果、新發(fā)現(xiàn)了，難道你不覺得很奇怪嗎？你不覺得那簡直令人難以置信嗎？現(xiàn)有理論之間的矛盾透露給我們的是，它們一定不是最終結果。前輩物理學家們既沒有當今物理學家的工具，也沒有動機來探索本書中將描述的額外維度領域。額外維度，或是支持粒子物理學中標準模型的任何其他東西，都將是一項重大發(fā)現(xiàn)。

面對周圍的世界，我們有什么理由不去探索呢？