這是關于大額外維度系列文章的第一篇。
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我常說,區分真正科學與偽科學的標志之一是:在兩種情境下,你都可以說出腦海中閃現的任何瘋狂想法,但在真正的科學中,你有義務認真對待這個想法。
想象一個深夜,你和朋友們聚在一起。拋出些天馬行空的想法。或許涉及某些違禁品,或許只需要美酒與奶酪的搭配。然后你冒出一個大膽的想法,并且足夠勇敢地與大家分享:"嘿,各位,聽著。如果宇宙有更多維度呢?"
強有力的想法。有趣的想法。很可能錯誤的想法,但這從未阻止過我們。在偽科學領域,思路大多到此為止,或者只是開始拋出一些與此松散相關的分支想法。
但如果你對滿屋子的物理學家說出這個想法,你會看到神奇的事情發生。你會看到這些非常嚴肅、非常聰明的人認真對待它。認真對待一個瘋狂的想法意味著什么?意味著我們將要探究這個想法是否真的行得通,以及是否有辦法檢驗它。
那么,宇宙是否存在額外維度呢?好吧,讓我們認真對待這個想法,看看它能將我們引向何方。
要判斷一個瘋狂、古怪而又可能絕妙的想法,在我們所處的真實世界中是否真的行得通,我們必須做兩件事。實際上,是三件。第一,我們必須看看這個新想法是否能解決我們可能存在的任何問題。它能否化解一個長期存在的矛盾?它能否提供新的見解?它能否解釋一個持久的謎團?要讓這個新想法奏效,它必須,你知道,發揮作用,因此它必須在幫助我們更深入理解宇宙的旅程中提供助力。
第二,要使這個想法成立,它必須與已知的物理學相容。這并不意味著它不能打破任何現有理論。如果物理學家有喜歡做的事,那就是打碎他們所有的玩具。但我們必須弄清楚什么被打破了,以及在哪里、為什么被打破,以便理解新想法的含義。
第三,我們必須利用這個新想法做出預測。我們要檢驗這個家伙,所以我們需要有目標可指。有東西可探測。有東西可以剝開,看看內部情況。
最后,我們需要設計方法來實現這些檢驗。我們需要新的天文臺或對撞機嗎?我們能使用舊的、存檔的數據嗎?我們能利用現有裝置,調整某個旋鈕,從新角度觀察事物嗎?大自然是檢驗我們想法的最終裁決者,我們必須對它進行測試。
關于宇宙可能存在更多維度這一點,這三件事我們都做了!我們仍然不知道是否存在大的額外維度(抱歉,我想這算是劇透了),但這是因為這是一個非常棘手、艱難的問題,需要很多細微的考量和謹慎的處理,而且在科學中很少能得到非黑即白的明確答案。你得到的反而是一連串的"哦,這很有趣",然后"或許……它能行",接著"不,結果證明那是錯誤的方法",然后是"如果我們試試這個怎么樣呢?"
正如我所說,我們要認真對待我們的想法,即使是那些瘋狂的想法。
額外維度的概念早在19世紀就已流行于大眾想象之中。例如,看看洛夫克拉夫特神話中的怪物就知道了。但物理學家真正抓住這個想法是在1919年,當時一位名叫西奧多·卡魯扎的人說:"嘿,阿爾伯特,你有一個在四維中運作的非常棒的廣義相對論。那么,如果我們給它增加一個額外維度呢?我認為這可能解決科學中一些長期存在的問題。"
看到了嗎?認真對待這個瘋狂的想法!
卡魯扎的理論解決了一個統一性的問題。他發現,如果增加一個額外的空間維度,你就可以寫出一組單一的方程,同時包含引力和電磁力。這很巧妙。這告訴我們,在這兩種截然不同的力之間可能存在更深層次的聯系,這將開啟許多很酷的發現、見解和技術奇跡。
一個問題:那個額外維度究竟在哪里?如果我出去散步,我可以選擇任何方向:左或右,前或后,甚至上或下。并沒有我不知何故一直忽略的額外移動自由度。沒有明顯垂直于所有其他方向的方向。
我們正在認真對待這個想法,而這個想法必須與我們已知的關于宇宙的一切聯系起來。所以,如果一個額外維度給我們帶來了物理學上的新見解,那么這個額外維度存在于哪里?
七年后,也就是1926年,奧斯卡·克萊因提出了一個關于額外維度可能所在之處的想法。就在這里。就在我們面前,但卷曲得如此之小,以至于我們從未注意到。你知道機場X光掃描儀使用的那些滾動傳送帶嗎?把它們想象成緊致維度。你把包滾下去,它只沿一個方向移動。但在這個過程中,它環繞了所有那些卷曲在第二個維度上的小滾輪。你注意不到那個額外的運動,只看到包向下滾動。
要使這個想法成立,額外維度(或者如果你膽子大,可以是多個維度)必須非常、非常小,小到接近普朗克尺度,我們說的是大約10^-33厘米左右。為了理解這個尺度,你,就是你坐在那里的身體,其大小與整個可觀測宇宙的大小相比的差距,要比普朗克尺度與你的大小之間的差距小得多。
這非常小,小到我們在日常生活中,甚至日常的高能物理實驗中都無法察覺。
對于愛好者來說,你們已經知道,卡魯扎-克萊因理論(這個想法后來被稱為此)會沉寂幾十年,然后以弦理論支柱的形式重新出現,而弦理論后來要求的不只是一個,也不是兩個,而是10個(或者也許是11個,取決于愛德華·威滕今天的心情)緊致額外維度。同樣,所有這些維度都在近乎普朗克尺度上卷曲著,所以我們沒有希望直接觀測到它們。
但我今天不談弦理論。我對超小、超卷曲、過于可愛的額外維度不感興趣。我感興趣的是大額外維度。顯然,這些維度不能太大。否則我們現在就應該已經注意到它們了。但也許它們可以比普朗克尺度大(公平地說,這幾乎意味著一切),也許這些大額外維度與所有其他事物的相互作用并沒有那么大。
那么,讓我們認真對待這個想法。如果存在沒有卷曲在普朗克尺度的額外維度,它們能為我們做什么嗎?它們能完成一些工作嗎?
未完待續……
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