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宇宙中的这些高维度存在于什么地方?

如果超空间确实在自然界中存在,而不是仅仅存在于纯数学中,那么弦 理论家们就必须要面对远在1921年就闲扰着希奥多尔·卡鲁扎(Theodr Kaluza)和菲利克斯·克莱恩(Felix Klein)的同样的一些问题,那时他们建立了 世界上第一个高维数理论:这些高维度存在于什么地方?

卡鲁扎,过去是个默默无闻的数学家,给爱因斯坦写了一封信,建议用五个 维度(一个时间维度和四个空间维度)来构建爱因斯坦的方程式。

从数学上来 讲,这不成问题,因为爱因斯坦那些等式以任何维度都可以写得面面俱到。但是 那封信中包含了一项令人吃惊的发现:如果人为地把这一个五维方程式中所包 含的那些四维部分分离出来,你会自然而然地发现麦克斯韦的光理论,

简直像变 魔术一样!换句话说,只要我们简单地加上一个第五维度,麦克斯韦的电磁力理 论就从爱因斯坦的引力方程中脱颖而出了。虽然我们看不见第五维度,但第五 维度可以形成波纹,而它们是与光波对应的!这是个皆大欢喜的结果,因为过去 150年中,一代又一代的物理学家和工程师都不得不死背艰涩的麦克斯韦方程 式。而现在,这些复杂的方程式轻而易举地就从第五维度中我们可以找到的最 简单的振动中显现了。

想象一池浅水中鱼紧贴着荷叶下面游动的情景,

把它们的“宇宙”想象成只 有两个维度。我们的三维空间可能就超出了它们的体验。但是可以有一种方法 使它们察觉到第三个维度的存在。如果下雨了,它们可以清楚地看到水波形成 的影子沿着池塘的水面漫延开去。与此类似,虽然我们看不见第五维度,但第五 维度中的波纹,在我们看来就是光。

(卡鲁扎的理论非常之美,而且非常深刻地揭示出对称性的力量。后来又 证明,如果我们在爱因斯坦原来的理论中加进更多的维度,并使它们振动起来, 那么这些高维度的振动就会再现弱核力和强核力中的W -玻色子和z-玻色子, 以及胶子!如果卡鲁扎推出的体系是正确的,那么显然宇宙要比以前所想象的 简单得多。只须简单地把越来越高的维度振动起来就可以再现主宰着世界的许 多种力量。)

虽然爱因斯坦对这一结果大为吃惊,但它听起来太完美了,令人难以相信是 真的。随着时间的推移,陆续发现了一些问题,把卡鲁扎的想法驳得一无是处。 首先,这个理论充斥着奇异与例外条件,这是量子引力理论的通病。第二,它还 有一个更加令人不安的问题:为什么我们找不到第五个维度?当我们向空中射 箭的时候,

我们没看到它们消失在另一个维度中。想象一下烟的样子,

它可以慢 慢地弥漫到空间每个地方。由于从来没有人观察到烟消失在一个更高的维度 中,物理学家们意识到,更高的维度即使存在,也必然比原子还要小。过去100 年中,神秘家和数学家都有了有关高维度的想法,但物理学家对此嗤之以鼻,因 为从来没人见过物体进入更高的维度。

为了拯救这个理论,物理学家不得不提出,这些高维度是极小的,所以在自 然界中是观察不到的a由于我们的世界是个四维世界,这就意味着,第五个维度 只能卷在比原子还小的圈里,通过实验是无法观察到的。

弦理论也必须面对这一同样的问题。我们必须把这些没人需要的高维度卷 在一个非常小的球里(这个过程叫做“紧致化”)。根据弦理论,宇宙原来是10 维的,所有的力都由弦来统一起来。然而,10维超空间是不稳定的,于是10个 维度中有6个开始卷[111到一个微小的球中,而其余的四个维度则随着大爆炸四 外扩散开去。我们看不见其他这些维度的原因,是因为它们比原子小得多,因此 没有东西能够进到它们里面。(事实上走近了看,发现它们原来有二维表面,或 者说是管形的,只是由于这第二维从远处看是缩起来的,因此看不见。)

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