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這些維度，小心地包裹著它們，保護它們不讓人發現。如果不仔細看，你還真想不到會有什麼玄妙。

關於維度認知的錯誤信息源於嬰兒時代，嬰兒床首先引領我們進入一個三維空間。當我們在嬰兒床裡面爬行時，是在一個二維的平面上；等我們能站起來往床外爬時，又多了垂直的另一維。自那時起，物理定律（更不用說人的常識）就加強了三維空間的信念，排斥任何可能會有更多維度的設想。

然而，時空很可能與我們的想像大相徑庭。我們熟知的物理理論，沒有任何一條規定時空只能有三維。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「前後」、「左右」有著不同的方向，是一個不同的維度一樣，在浩渺的宇宙中也可能存在其他全然不同的新維度，儘管看不見、摸不著，卻合情合理。

這種推想的不可見的維度，尚沒有一個確切的名稱。如果真的存在，它們該是一些新的方向，事物可以沿著這些方向行動。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」。這些通道可能很平直，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。它們可能極微小——比原子還要小很多，迄今凡是相信額外維度存在的人都這麼認為。但是，有新成果顯示，這些額外維度也可能很大，甚至是無窮大，卻仍然很難看見。我們的感官只能認知三個大的維度，突然多出一個無窮大的額外維度，聽起來令人難以置信，但這個不可見的無限維度正是存在於宇宙中的眾多離奇的可能之一。

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，甚或是痴人說夢，而不像真正的科學探索課題。儘管如此，它們卻是可能出現在額外維度世界的真正的科學景象。

不粘鍋里的另一個世界

即便包含額外空間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，一向只專註於對可見現象做出預言的物理學家，為什麼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，儘管人們還沒有切身感受到額外維度的存在，也依然不十分明白額外維度是怎麼回事，它們卻能夠揭示宇宙中某些最本質的秘密。對於我們看到的世界，額外維度可能蘊含著某些深意，而有關它們的思想，或許會最終揭示我們在三維空間中迷失的某些關聯。

如果我們不能從時間上認識到因紐特人和中國人屬於同一祖先，就不會明白為什麼兩者有相似的體貌特徵。同樣，與空間額外維度相伴的聯繫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的難題。因為當空間鎖定在三維時，粒子屬性和力的關係似乎難以解釋；而在高維空間里，那些關係就顯得天衣無縫了。

我相信額外維度嗎？我承認我信。過去，對於可測量範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。我想正是因為這樣，才使我既沒有失去興趣，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，正當我越過查爾斯河進入劍橋大學時，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，這驚訝我之前也曾經歷過：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。

對額外維度的深入了解更增強了我對其存在的信心，而同時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，可能還有更多類似於我們這個宇宙的額外維度的宇宙，這表明我們目前只看到冰山一角。即便額外維度與我將做的描述並不十分一致，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。

彭羅斯拼圖，該圖是五維晶體結構在二維平面的投影

如果得知在你家廚房裡就有可能隱藏著額外維度的痕迹，你的好奇心或許立馬就會被激發出來。這個痕迹就在不粘鍋里：不粘鍋上有一層准晶體的鍍層。准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，其中一個基本元素不斷重複出現。在三維中，我們知道晶體會形成怎樣的結構，會以哪種模式排列，可是，准晶體的原子和分子排列不符合晶體的任何一種模式。

真正的晶體結構精確、規則，就像是平面坐標紙上的網格；而在准晶體的圖例中，我們卻看不到這種精確的規則排列。有關這些奇特材料的分子排列模式的最貼切的解釋辦法是藉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的對稱性。三維空間全然無從解釋的模式，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，正是利用了准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三維平凡結構是有差異的，原子排列的不同使得它們不會粘連在一起。原子的這種不同排列，既使我們依稀看到了額外維度的存在，同時也對一些可見的物理現象做出了解釋。

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准晶體分子的排列問題。正因如此，現在物理學家推想，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繫——那些在只有三維的空間里令人費解的聯繫。

近40年來，物理學家一直依賴粒子物理中被稱為標準模型的理論。標準模型理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。物理學家發明了一些自宇宙誕生幾秒以後從未在我們的世界中出現過的粒子，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做出了成功的解釋。不過，標準模型卻無法解答一些根本性的問題，而這些問題又是直接關聯本質，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。

20世紀，物理學有了革命性的進步，粒子物理學、弦理論都是強有力的理論，還有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。但是，這些理論都有它們未能解答的問題，正是這些未解之謎推動了我們今天的研究。

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並不微弱，但想想，那可是整個地球都在作用於你。一塊小小的磁鐵就能將一枚曲別針吸起，任地球龐大的質量都會將其拉向相反的方向。面對一塊小小磁鐵的引力，地球引力何以如此不堪一擊？在標準三維粒子物理中，微弱的地球引力實是一個巨大的謎團，而額外維度就有可能做出解答。1998年，我和同事拉曼·桑卓姆提出了一個可能的解釋。

我們可能生活在高維宇宙的三維膜上

我們的觀點基於彎曲幾何，這是源於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，形成一個扭曲的或彎曲的時空結構。我和拉曼將此理論應用到一種新的額外維度的情形，發現了一種時空嚴重扭曲的結構，即便引力在一個空間區域很強大，也會在其他區域變得微弱。

我們還有更加不同尋常的發現：儘管近90年來，物理學家一直假定額外維度極其微小，並以此來解釋我們為什麼看不見它們。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扭曲。額外維度可以是無窮大的，卻依然隱藏著——這一觀點並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麼。這並非因為他們完全精通了物理，而是因為在一次會議上，我講完自己的研究之後參加宴會時，史蒂芬·霍金讓我坐在他旁邊。

一年後，我和物理學家安德烈亞斯·卡奇發現，儘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裡。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，哥白尼提出的地球不是世界中心的觀點震撼了整個世界，如今，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，它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，那麼在這個虛擬宇宙中，我們就生存在一張膜上，膜宇宙就是一個可望而不可即，多層、多面的叢林體育館。在彎曲、龐大、有著無限維度的宇宙中，其中一些宇宙只有一張膜，而另外一些有多層膜，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。

想像暴風雪過後的第一個晴日，你坐在上山的滑雪纜車上，放眼望去，一片白茫茫的雪野，一個腳印都沒有，雪地就在你的腳底下，閃著銀光誘惑著你。你知道，無論怎樣，只要踏上雪地，這必然會是美妙的一天。有些滑道是陡峭的，崎嶇不平；有些則暢行無阻，如輕鬆的巡遊；還有些要穿越叢林，是迷宮樣的路徑。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、非常值得留戀的。

電影《星際穿越》中的四維超立方體

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。對於當前現象的基礎理論探索，物理學家稱之為模型構建，它是在概念和觀點之間穿梭的冒險旅行：有時，新觀點是顯而易見的；有時，它們卻和你玩捉迷藏。但是，即使在我們並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的、令人興奮的新領地。

關於我們在宇宙中的位置，究竟哪個理論會做出正確描述，我們還不能立即知道，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，並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徵就是，如果它正確，我們很快就能發現。而大型強子對撞機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包含的額外維度的證據。

大型強子對撞機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，它都可能會在大型強子對撞機里留下可見的痕迹，這些證據將包括叫作卡魯扎-克萊因模式的粒子的痕迹。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，甚至可能有高維黑洞。

誠然，額外維度存在的證據可能並不直接，我們必須將各種各樣的線索拼接起來，但是幾乎所有新近的物理髮現都是這樣的。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，只是在影響其他粒子時留下痕迹。正是跟蹤這些痕迹，我們才發現了它們。暗物質和暗能量的發現也是這樣：我們不知道宇宙中大部分的能量來自哪裡，也不知道宇宙包含的大多數物質的本質是什麼，但我們知道宇宙中存在著暗物質和暗能量，這並非因為我們直接探測到了它們，而是因為它們對周圍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，額外維度也不會直接出現在我們面前。但是，即便額外維度的跡象並不直接，最終也總能顯示出它們的存在。

首先我得聲明：並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，我這裡講的理論也不例外，但猜想是推進我們理解的唯一辦法。最後，即使有些細節並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原理，啟發我們找到真正的宇宙理論

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伴隨著驚奇，而且總會遭遇懷疑和抗拒。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，卻並不相信基本電荷單位（如電子）的存在；喬治·斯托尼於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，電子只攜帶熱量或是電場）；元素周期表的發現者德米特里·門捷列夫，拒絕接受他的周期表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，卻並不相信自己觀點裡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於粒子——即我們現在所知的光子。但是，並非每個有正確新思想的人都會否認它們與現實的聯繫。許多觀點，無論是否被承認，最終還是被證明是正確的。

還有什麼東西等待我們去發現嗎？對於這個問題的回答，我們來看卓越的核物理學家、科普作家喬治·伽莫夫的一段「短命」的話。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年後，人們就發現了它們！

我們在繼續探求著更基本的結構，如果到我們這裡便不再有新成果、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告訴我們，它們一定不是最終結果。前輩物理學家既沒有當今物理學家的工具，也沒有動機來探索額外維度領域。額外維度，或是支持粒子物理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，我們有什麼理由不去探索？

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