2.隱藏的維度
50%的實(shí)現(xiàn)可能
隱藏的維度
世界上最大的粒子對(duì)撞機(jī)或能揭示更多的空間維度。
撰文 喬治·馬瑟(George Musser)翻譯 龐瑋
想不想把手伸進(jìn)第四維空間？在那里你能掙脫三維幾何的枷鎖。亂如麻的各種線纜從此不再讓你絕望；寵物狗咬壞了你的右手手套，你可以把左手的翻過來給右手戴；牙醫(yī)不需要在牙上鉆孔，甚至不需要你張嘴，就可以完成根管治療。
額外的維度看起來確實(shí)神奇，而且它們可能真的存在。從相對(duì)較弱的引力(引力是 4種基本相互作用力中最弱的一種)，到看起來各不相同的粒子和作用力之間的深層聯(lián)系，這個(gè)世界的眾多謎團(tuán)都讓人覺得，我們所認(rèn)識(shí)的宇宙只不過是一個(gè)更高維實(shí)在的投影。果真如此的話，瑞士日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(Large Hadron Collider，LHC)將粒子撞碎而釋放出的能量，或許就足以使粒子脫離三維空間的束縛，讓我們一窺神奇的高維世界。
美國(guó)麻省理工學(xué)院的宇宙學(xué)家馬克斯·泰格馬克(Max Tegmark)說，若能證實(shí)額外維度的存在，“目前對(duì)‘實(shí)在’的所有認(rèn)識(shí)將被顛覆”。他曾在 1990年編寫過一個(gè)四維空間版的俄羅斯方塊游戲，用來體驗(yàn)額外維度是個(gè)什么樣子。(游戲中你要同時(shí)在四維空間的各個(gè)不同三維切片中控制下落的方塊。)
在現(xiàn)代物理學(xué)理論中，額外維度的主要理論基石是超對(duì)稱(supersymmetry)概念，它試圖將各種不同類型的粒子統(tǒng)一在一個(gè)大家庭里。要實(shí)現(xiàn)這種統(tǒng)一，超對(duì)稱需要空間總共具有 10個(gè)維度。我們之所以覺察不到三維之外的其他維度，要么是因?yàn)檫@些維度非常細(xì)小，要么是因?yàn)槲覀儽旧肀幌拗圃谝粋€(gè)三維的膜上，猶如趴在葉片上的一條毛蟲，只能在葉片上爬來爬去。
當(dāng)然，不是所有的大統(tǒng)一候選理論(unified theory)都要求有額外維度。所以能否發(fā)現(xiàn)這些維度就將成為一個(gè)分水嶺。“這能讓我們集中在最有可能的理論上，”以研究三維膜理論而聞名的哈佛大學(xué)物理學(xué)家莉薩·蘭多爾(Lisa Randall)說。增大粒子加速器的能量是接觸這些額外維度的方法之一。按照量子力學(xué)定律，一個(gè)粒子能量越高，它的尺度就越小，1 TeV(1012電子伏特)對(duì)應(yīng)的尺度大約是 10-19米，如果某個(gè)額外維度有這么大，這個(gè)粒子就會(huì)落入這個(gè)維度，并開始振蕩。
1998年，美國(guó)密歇根大學(xué)安阿伯分校的物理學(xué)家戈登·凱恩(Gordon Kane)猜想，兩個(gè)質(zhì)子在 LHC中對(duì)撞產(chǎn)生出電子和其他粒子，它們的能量既有可能是1TeV，也有可能是 1TeV的整數(shù)倍，例如 2TeV或 3TeV。如果觀察到了這種能量倍增現(xiàn)象，這就說明撞擊導(dǎo)致了粒子在額外維度中發(fā)生振蕩。除此之外，不論是常規(guī)的粒子過程，還是暗物質(zhì)粒子之類的奇異過程，都無法作出解釋。
額外維度還可能通過其他方式暴露蹤跡。如果 LHC制造出了亞原子尺度的黑洞，就能直接證明額外維度存在，因?yàn)槿S空間中的常規(guī)引力在如此之小的尺度上極度微弱，根本無法產(chǎn)生黑洞。由于幾何上的原因，額外維度可能增強(qiáng)引力的作用，也有可能改變電磁力等其他基本力在小尺度范圍內(nèi)的作用方式。額外維度還決定了超對(duì)稱性如何發(fā)揮作用，從而有可能在粒子的質(zhì)量和其他性質(zhì)中留下獨(dú)特的印跡。除了LHC，測(cè)量引力強(qiáng)度、觀測(cè)黑洞或爆炸恒星運(yùn)行軌道等其他手段，或許也能幫助科學(xué)家找到額外維度的蛛絲馬跡。
一旦發(fā)現(xiàn)額外維度，面臨變革的不僅有物理學(xué)，還有與之相關(guān)的所有法則。額外維度或許可以解釋宇宙加速膨脹之類的一些謎題，甚至可能成為重新定義整個(gè)維度概念的序幕——因?yàn)樗M(jìn)一步強(qiáng)化了科學(xué)家日漸萌生的一個(gè)猜測(cè)：這個(gè)世界本質(zhì)上既不存在空間也不存在時(shí)間，空間和時(shí)間都是從一些物理學(xué)原理中涌現(xiàn)而來的。
“因此，盡管額外維度會(huì)是一個(gè)讓人震驚的發(fā)現(xiàn)，”美國(guó)新澤西州普林斯頓高等研究院的物理學(xué)家尼馬·阿爾坎尼－哈米德(Nima Arkani-Hamed)說，“但在更深的層次上，額外維度的概念并非特別基本?！?/p>
雖然額外維度對(duì)物理學(xué)家來說魅力無限，作為普通人的我們卻永遠(yuǎn)無法造訪。如果構(gòu)成我們身體的粒子可以隨意造訪這些維度，額外的運(yùn)動(dòng)自由度會(huì)使包括生命在內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)變得不再穩(wěn)定。杯具啊，絞成一團(tuán)的耳機(jī)線和疼痛難忍的牙鉆孔，竟然是為了保證我們得以存在而必須付出的代價(jià)。
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