你盯着一个苹果看。前后、左右、上下,三个方向,到头了。你的身体、你见过的所有东西,都在这三个方向里活动。
所以当有人说“空间可能有九维、十维甚至更多”的时候,你的第一反应大概是:别扯了,剩下的维在哪儿呢?
这个问题,物理学家自己也问了一百年。
事情得从弦理论的一个尴尬说起。上世纪六十年代,意大利物理学家加布里埃莱·韦内齐亚诺在研究强相互作用时,偶然发现,早已被数学家研究过的公式——欧拉贝塔函数——竟然能描述粒子散射的某些特征。
这个发现,很快被日本物理学家南部阳一郎、美国物理学家伦纳德·萨斯坎德和霍尔格·贝赫·尼尔森各自独立地重新解释:也许基本粒子不是零维的点,而是一维的振动的弦。
弦的不同振动模式对应不同的粒子,就像一根吉他弦能弹出不同的音符。
这个想法很漂亮,但算着算着就撞墙了。因为在三维空间里做这套计算,会冒出两个要命的毛病。
第一,光子的质量算出来不为零,而实验早已告诉我们,光子静止质量是零,上限被压到10的负54次方千克以下。
第二,有些散射概率会算出大于1或者小于0的数值。概率大于1意味着什么?意味着同一个事件发生的可能性超过了100%,就像扔一枚硬币,正面朝上的概率算出来是120%。这在现实世界里显然不可能,在物理上更是致命的矛盾。
这显然不是世界错了,是公式待的地方不对。
后来物理学家发现,只要把空间维数往上加,加到25维,这些毛病就自动消失了。方程不再互相打架,计算结果也重新回到物理上合理的范围。
再往后,超弦理论把超对称引进来,要求每一种费米子都有一个玻色子伙伴,每一种玻色子也有一个费米子伙伴,维数要求从25维降到了9维空间加1维时间,共10维。
你听着觉得离谱,可对理论物理学家来说,这并不是拍脑袋想出来的,而是数学方程,在三维空间里走不通之后,逼着人去寻找更高维的解。
你不加维数,方程就给你脸色看;加了,世界就顺了。
那问题来了:如果真有9维空间,我们为什么只感觉到3维?
答案是:剩下的6维蜷起来了。
它们不是像长宽高那样铺开,而是卷成极小的闭合形状。质子的直径大约是10的负15次方米,而这些额外维度的尺度,普遍认为在普朗克尺度附近,也就是10的负35次方米量级,差了整整二十个数量级。
你拿全世界最猛的显微镜也看不见,因为现有任何探测手段,都远远够不到那个尺度。
打个比方。你站在很远的地方看一根水管,它看起来就是一条线,只有一维。
可你走近了,趴上去看,就会发现水管表面其实是个二维的圆筒,蚂蚁还能沿着管壁绕圈走。
对远处的观察者来说,那个"绕圈"的方向太小了,小到可以忽略不计,于是水管看起来就是一维的线。
高维蜷缩类似,只是它卷得更小、更复杂。
卡拉比-丘空间就是干这个的——它把多出来的6个维度紧紧卷成一种复杂的几何形状,蜷在每一个时空点上。
你身体里、空气里、真空里,到处都揣着这么一团,只是它太小,宏观上完全隐身。
卡拉比-丘空间
说到卡拉比-丘,这名字本身有段故事。1954年,法国数学家埃利·卡拉比提出一个猜想:在某些特定条件下,存在一种紧致的、具有特殊对称性的复几何空间结构,它既没有边界,也没有里外之分。
当时很多人不信,包括卡拉比自己后来都怀疑这个猜想是否成立。
但1976年,美籍华裔数学家丘成桐把它证出来了。他证明了这类空间确实存在,并且具有特殊的里奇平坦性质。
再后来,物理学家爱德华·威滕等人发现,超弦理论要求的那6个蜷缩维度,正好可以用这类空间来装。
数学提前给物理备好了工具箱,这种事在科学史上不常有,但发生了。
这些蜷缩的维度不只是数学装饰,它们可能解释一个很现实的物理难题:引力为什么这么弱。
你拿一块小小的磁铁,它能吸起一枚回形针,整个地球的引力都拉不下来。把两个质子之间的电磁力和引力放在一起比,电磁力比引力强大约10的36次方倍。
这个差距大得荒谬。物理学家管这叫"等级问题",嫌它丑。
为什么引力偏偏这么弱?弱到在粒子物理实验中几乎可以忽略不计?
高维给了一种说法。引力也许并不只在我们这3维空间里传播,它能漏到额外维度里去。
这就像声音在管道里传得远,在开阔地上散得快。
当我们被关在3维这张"膜"上,感受到的只是引力的一小部分,大部分跑到高维里稀释掉了。所以它显得弱。
而电磁力、强核力、弱核力被绑在膜上,出不去,所以它们该多强就多强。这个想法不是空谈。
1998年前后,尼玛·阿卡尼-哈梅德、萨瓦斯·迪莫普洛斯和贾瓦德·多瓦利提出了ADD模型,丽莎·兰德尔和拉曼·桑德拉姆提出了Randall-Sundrum模型,把"额外维度"从数学玩具,变成了可以拿对撞机去检验的假说。
大型强子对撞机跑了这么多年,没找到额外维度的直接信号,比如没有观测到预期的微型黑洞或卡鲁扎-克莱因激发态粒子。
但没找到不等于判了死刑,只是把参数空间压小了一圈,告诉物理学家哪些可能性可以排除。
引力弱的问题和高维扯上了关系,那暗物质又是怎么回事?
高维也能给出一种猜想。
星系转得太快了。按可见物质算出来的引力,根本拉不住外围的恒星,星系早就该散架。
薇拉·鲁宾在上世纪七十年代观测星系旋转曲线,发现外围恒星的速度不随距离下降,反而保持平坦,这是暗物质存在的经典证据。
后来宇宙微波背景辐射的精细测量、引力透镜效应、星系团碰撞观测,一堆独立证据都指向同一样东西:宇宙里大约85%的物质是暗的,不发光,不跟光打交道,但它有引力。
主流解释是某种未知粒子,比如弱相互作用大质量粒子。
但高维框架下还有另一种猜想:暗物质也许是隔壁"膜"上的普通物质。两张膜平行飘着,中间隔着一点额外维度。那边的东西我们看不见,因为光被绑在我们的膜上,过不来。
可它的引力能透过高维漏过来,在我们这儿表现为额外的引力拉扯。你感受到星系转快了,以为是暗物质,其实是隔壁宇宙在拽。
这想法听着像科幻。而且也确实还没实证。
但你注意,高维假说的价值不在于它一定对,而在于它给出了一套能算、能推、能被检验的框架。
卡鲁扎1921年就试过用5维统一引力和电磁力,他把爱因斯坦的广义相对论推广到5维,发现多出来的分量恰好对应麦克斯韦方程组。
爱因斯坦一开始挺感兴趣,后来没了下文。奥斯卡·克莱因接着算,把第5维卷成一个小圆,给出了蜷缩维度的量子力学解释。
这套思路沉淀了几十年,如今在弦理论里复活了。因为物理学家在大型强子对撞机上找额外维度的踪迹,在引力波数据里翻高维的尾巴,在实验室里测短距离引力有没有偏离平方反比律,都是在这条路上走。
所以你说高维空间存不存在?
没人敢打包票。它目前还是一个数学上自洽、实验上未证实的框架。但你要说它纯属瞎想,也不对。
也许有一天,我们会发现,那些蜷缩在普朗克尺度下的维度,一直就在那里,安静地托着我们以为熟悉的世界。