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，以免被人發現。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，它們卻是可能出現在額外維度世界中真正的科學景象。（現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。

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歷過：作為一個地道的紐約人，在棒球加時賽中，我突然發現，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，我們發現，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存在，其意義也必定是出人意料、發人深省的。

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。晶體是一種原子和分子排列高度對稱的網格結構，其中一個基本元素會不斷重復出現。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、規則，就像是坐標紙上的網格；而在準晶體的圖例中，我們卻看不到這種精確的規則排列。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系——那些只有在三維空間里令人費解的聯系。

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。物理學家創造了一些自宇宙最初幾秒以來從未在我們的世界出現過的粒子，以此來檢驗標準模型。他們發現，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，弦理論是現在最有希望將量子力學和萬有引力統一起來的理論。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，然后發現了一種時空嚴重彎曲的結構，即便引力在一個空間區域內很強大，而在其他區域內也會變得微弱。

我們還有更加不同尋常的發現：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，以此來解釋我們為什么看不見它們。可是在1999年，我和拉曼不僅發現彎曲時空能夠解釋地球引力的微弱，還發現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生適當的卷曲。額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現了什么，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）發現：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，它可能由不同的區域組成，每個區域包含不同數量的維度。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！

新發現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，我們很快就能發現。而LHC研究高能粒子的實驗很可能會發現支持這些假設以及它們所包含的額外維度的證據。

LHC會讓一些高能粒子發生碰撞，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三維世界的腳印。如果足夠幸運，實驗還會記錄其他線索，甚至可能會發現高維黑洞。

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現都是如此。20世紀，隨著物理學的發展，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，我們才發現了它們。暗物質和暗能量的發現也是如此：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，即使有些細節并不能完全與現實相符，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，基本結構的發現總是驚人的，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·麥克斯韋創立了經典電磁理論，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）；元素周期表的發現者德米特里·門捷列夫拒絕接受周期表所體現的化合價的概念；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實的聯系。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去發現嗎？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，人們就發現了它！

我們在繼續探求著更基本的結構，如果到我們這里便不再有新成果、新發現了，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，都將是一項重大發現。

面對周圍的世界，我們有什么理由不去探索呢？