Unter den Linden

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超空间和关于一切的理论

——四维时空的背后时什么？

文：加来道雄  编译：soma

    当我还是个孩子的时候，有一次去位于旧金山的日本茶艺馆游玩。整整一个下午我被茶艺馆中池塘里的鲤鱼所深深吸引。那个漂浮着荷叶的池塘并不是很深。鲤鱼们就生活在这些荷叶下几英尺范围的世界里面，而全然没有理会到荷叶上的整个宇宙。

    我问了自己一个只有孩子才会想到的十分幼稚的问题：如果我变成一条鲤鱼的话，我将会看到一个怎样奇怪的世界？我猜想池塘对于鲤鱼来说就是整个宇宙，一个二维的空间。鲤鱼只能或前或后，或左或右地游。我想对于鲤鱼来说，超越荷叶的“向上”的概念将会变得截然不同。任何敢于谈论“超空间”——即池塘之上的第三维空间——的“鲤鱼科学家”将马上被冠以狂人的称号。我不知道如果我伸手抓住一条“鲤鱼科学家”，把它带到池塘上面的“超空间”来会导致什么样的后果。它大概会向它的同行们描述它看到一个多么惊奇的世界，这个世界中存在着难以置信的全新的物理规律：有不用鳍就能移动的生物，有不用腮就能呼吸的生物，有不用吐泡泡就能发声的生物……但是如果没有我把它抓上来的话，鲤鱼们将怎么知道我们的存在？直到有一天下雨了，我看到雨水落到池塘的表面形成了涟漪，我终于明白了……

    鲤鱼们在水中将会看到涟漪的影子。它们看不到“第三维空间”，但是它们完全可以看到在“第三维空间”产生的摄动。也许当一条“鲤鱼科学家”感受到了涟漪，它就会用一个幼稚的感念来描述它，称之为“力”。它甚至会赋予这些“力”可爱的名称，比如“光”啊，“引力”啊。我们也许会对它的发明嗤之以鼻，因为我们知道根本就没有什么“力”，那仅仅是水波而已。

    今天，很多科学家认为，我们就是在小池塘里游泳的鲤鱼，满足于对我们头上但却看不见的超空间里的整个宇宙的无知。我们在三维的空间里生活着，相信我们用望远镜所能看到的就是所有的一切，完全忽视了十维超空间存在的可能性。尽管我们看不见这些更高的维度，但是它们产生的“涟漪”却是我们能够看见和感受得到的。这些“涟漪”就是“引力”和“光”。关于超空间的理论，数十年来一直苦于缺乏物理的证据和应用。但是这个一度曾被认为古怪而神秘的理论，正在复苏，因为一个简单的理由：它可能是通往有史以来最伟大的理论——关于一切的理论——的关键。

    爱因斯坦用了他生命的最后三十年来研究这个被称为史物理学的圣杯的理论，但是并没有成功。他试图用一个理论统一解释四种宇宙中最基本的力：引力、电磁力和两种核力（强作用力核弱作用力）。这个努力如果成功的话，将是从古希腊人提出世界是有什么组成的问题以来两千年中最伟大的科学成就。爱因斯坦在寻找一个方程，可能不足一英寸长而可以印在T恤衫上，但是这个方程能够解释一切——从大爆炸，恒星爆发到原子分子乃至池塘里的那片荷叶。

    爱因斯坦想要读懂上帝的思想，但他最终失败了。他还受到不少年轻的同僚们的奚落：“上帝撕碎的东西，没有人能够把它重新组合起来。”但是也许现在到了爱因斯坦扬眉吐气的时候了。在过去的十年里，对于将四种基本的相互作用力统一到一个理论中的研究十分热烈，即一个可以统一广义相对论（解释引力的理论）和量子理论（解释两种核力和电磁力的理论）的理论。

    物理学家们遇到的问题是：相对论和量子理论是完全对立的。广义相对论是一个宏观的理论：关于星系、恒星、黑洞甚至大爆炸。它是基于四维时空结构的弯曲的基础之上的。量子理论则恰恰相反，是一个微观的理论：关于亚原子粒子的世界。它是基于分立的被称为“量子”的小的能量包的基础之上的。在过去的五十年间，人们作了很多努力试图统一这两个相对面，但都以失败告终。通往大统一场论——关于一切的理论——的道路上铺满了失败的残骸。解决这个难题的钥匙也许就是“超空间”。1915年，爱因斯坦曾说时空是四维的并且是被弯曲了的。他证明正是这个弯曲产生了一种力——“引力”。1921年，另一个物理学家克鲁萨证明第五维时空的“涟漪”何以被看作时“光”。正像鲤鱼们所看见的那样，物理学家们相信，光是由第五维时空的“涟漪”所产生的。那第五维时空之上还有没有更高的维度呢？

    从理论上讲，如果有越来越多的维度，那么我们将通过用不同的方法弯曲它们来创造越来越多的“力”。事实上到第十维的时候，我们就可以引入所有四种基本的相互作用力了！当然，实际并没有那么简单。简单地讲时空推广到十维的话，我们将遇到一连串的数学上的矛盾（无穷大和异常，物理上是不能有无穷大量的，这也是物理与数学的差别所在）而扼杀我们之前的理论。唯一能够从所有这些挑战中幸存下来的理论就是“超弦理论”，在这个理论中，十维的时空中充满了微小的弦。

    这个十维的超弦理论的出现给了我们一个简单而又极具说服力的关于所有力的统一的解释。就像小提琴的琴弦一样，这些微小的弦也可以振动而产生共振，或者更形象地说是一个个的“音符”。这样就能解释为什么我们发现了那么多亚原子的粒子：它们就是超弦产生的“音符”。（这看上去十分简单。但是在五十年代，物理家们陷入了不断地发现新的基本粒子的大雪崩中。原子弹之父奥本海默甚至说道，诺贝尔奖应该颁给那些在那一年之中没有发现新粒子的物理学家们！）类似地，当这些弦在时空中运动的时候，它们将像爱因斯坦所预言地那样，使周围地空间弯曲，因此，通过这么一个简单的图像，我们可以将引力（由运动的弦引起的弯曲的空间）和其他的量子的作用力（由弦的振动引起的）很好地统一起来了。

    当然，任何一个这样地具有权威性的理论都由一个问题。因为它是一个关于一切的理论，这个理论本身是一个关于创造一切的理论。因此，要想充分测试这么一个理论，就得通过它来重新创造一切。这看来几乎是不可能的。我们不能忽视地球小小的引力而在实验室里埋头重复创造出一个宇宙来。但是的确有一个办法来解决这个难题。一个关于一切的理论，当然也是关于一切实在的理论。当这个理论充分完善的时候，它将能够解释质子，原子，分子甚至DNA的存在。因此，关键就在于充分完善这个理论，并通过用它来解决宇宙未知的性质来对它本身进行检验。目前，地球上还没有一个人能够完成这么一个理论。超弦理论是一个完美的精确定义了的理论，但是正如你所见的，它虽然是二十一世纪的物理，但同时也是属于二十世纪的。当两位年轻的物理学家在翻阅一本数学书的时候，它被意外地发现了。我们还不能领会到它的完美与威力，因为属于二十一世纪的数学还没有完全被发展出来。但是就像历代的物理学家们都是乐观主义者一样，我相信在不远的将来我们一定能够完成这个理论。也许正在阅读此文的一位年轻人会被本文一开始那个关于鲤鱼的宇宙的故事所吸引而最终由他（她）能够完成这个理论。我们期待着这个人地的出现。