推薦序1

看不見的第五維

韓　濤

美國匹茲堡大學物理天文系杰出教授

美國匹茲堡大學物理天文系杰出教授

匹茲堡粒子物理、天體物理與宇宙學中心主任

人類對自然現象的好奇心驅使著我們探索時間和空間（時空）的奧秘。時空是物質存在的形式，可是時空本身到底以什么形式展現、如何確切地描述，卻是古今中外物理學家、數學家以及哲學家們煞費苦心研究的問題。自從科學誕生以來，對于時空性質的研究就幾乎成了永久的課題。

本書作者麗莎·蘭道爾現任教于哈佛大學。她曾是普林斯頓大學物理系的第一位終身女性教授，也是哈佛大學、麻省理工學院的第一位理論物理系的終身女性教授。從事高能理論物理研究工作近30年來，蘭道爾獲得了多項開創性的重要成果，是當前最有影響力的理論物理學家之一。她和拉曼·桑卓姆（Raman Sundrum）十幾年前提出的額外維度模型，與另一個大額外維度理論一起，產生了劃時代的意義。現在，蘭道爾仍然活躍在科學前沿，致力于基本粒子理論和宇宙學的研究。

作為對額外維度理論的最新進展有開創性貢獻的物理學家之一，蘭道爾相信額外維度的存在?？刹还苓@些卷曲的額外維度有多大，都是我們肉眼所看不見的！那么，我們如何從實驗中確認它們的存在呢？幸運的是，這種理論很可能在我們目前及未來的實驗中留下了蛛絲馬跡?，F在，設在日內瓦歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）已經投入運行，而它也是迄今國際上最大的科學實驗裝置。

LHC可以使高能質子對撞，產生高能反應。然后，能量轉變成質量，產生新的粒子。一種被稱作卡魯扎-克萊因的粒子就是額外維度理論預言的確證，也是LHC實驗中希望發現的。如果LHC中的高能反應有幸達到強引力的范疇，那么還可能產生高維黑洞！

與許多高能物理學家一起，蘭道爾也積極投身于LHC實驗的研究，她近來關于卡魯扎-克萊因粒子及高維黑洞現象的理論預言，都對LHC實驗具有指導意義。高能物理領域熱切期待著革命性的新發現！這種額外維度理論甚至對早期宇宙暴脹理論，以及暗物質的來源都會提供一種新視角。

從目前的觀測看來，我們生活在一個均勻的、各向同性的三維空間加一維時間，即四維時空中，還沒有實驗證據揭示三維空間外的“額外維度”的存在。然而，自20世紀初以來就有理論物理學家提出額外維度存在的可能性。這些額外維度不像我們周圍的三維空間那樣延伸，而是卷曲到小得看不見。有希望統一引力與量子力學的弦理論，恰恰要求額外維度的存在。這個觀點引起了物理學家及數學家的極大興趣，甚至被認為是物理學領域的一次革命！傳統的弦理論認為，我們生活的三維空間只不過是一個更高維空間中的一部分，但現代弦理論指出，額外維度可以微小到永遠無法被觀測的程度，即接近所謂的“普朗克長度”，約10-33厘米。如果真是這樣，額外維度的存在與否，似乎對我們的可觀測世界也沒有什么作用，因此其存在很難由實驗來證實或證偽。

但是，理論物理學研究的最新結果改變了物理學家對額外維度的認識。其實，額外維度可以很大，有的甚至可以延伸到無窮大！它們可以不是平坦的，而是變形的、卷曲的。這種觀點來源于愛因斯坦廣義相對論中的一個概念。物質能量對時間和空間的制約導致了這些異常性質的出現。更引起物理學家重視的是，這些新理論還有其他方面的意義和應用。比如，與我們周圍的核力和電磁力相比，引力如此之微弱。這種卷曲空間的新理論可以解釋這個長期以來的困惑：在嚴重卷曲的空間里，引力可以在某些區域里表現得很強，而在其他區域里表現得很弱。進而，這種卷曲的額外維度理論還可以幫助理解弱核力得以穩定存在的事實。

在本書的最后一部分，蘭道爾提出了一個讓讀者感到驚訝的問題：究竟什么是維度？“確定一個點所需要的獨立坐標數就是維度”，不是嗎？其實答案要比想象的復雜得多！物理現象都是由物質間的相互作用所決定的。如果存在很強的相互作用，那么維度的概念就會變得更加復雜。十幾年來，理論物理學的最新進展表明，一個四維的強相互作用理論可以等效于一個高維的引力理論，即所謂的對偶性。在這種情況下，維度的概念不再明確。其實，弦理論學家早就發現了另外一個對偶性，稱作T對偶。在弦理論里，卷曲空間的極小體積和極大體積產生的物理結果是一樣的，這使得維度的含義再次變得模糊起來。這些屬性實在太玄妙了！蘭道爾以及許多頂尖的物理學家都認為，時間和空間一定還有更為基本的描述。

本書以艾克和阿西娜兄妹倆的對話開始引入維度，每一章都會以他們的夢境、經歷或故事來代入主題，別有一番風味。本書語言輕松易懂，且圖文并茂。書中多處以有趣的例子、圖畫和故事來描述與比喻深刻的理論：從在嬰兒床里爬行時感受到的維度，到不粘鍋中準晶體的高維結構，再到以澆花時水的流量比喻力的強度，又到用漏斗的形狀來比喻卷曲的額外維度，等等，既生動又貼切，極具可讀性。而且該書的翻譯嚴謹，語言通俗，適合于對現代前沿科學有興趣的廣大國內讀者。

時空的性質的確是高能物理和宇宙學中最重要的研究主題，那么額外維度真的存在嗎？這樣引人入勝的想法到底會不會得到實驗觀測的肯定呢？讀者們還是自己從這本妙趣橫生的書中尋找答案吧！