本文是"大額外維度"系列文章的第三部分。
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為了檢驗這個想法,我想請你想象一下,把一張紙卷成一個緊密的圓柱體。或者,如果你手邊正好有紙,在現實生活中做這個動作也行。這個類比無論哪種方式都成立。
管子的長邊是我們真實、平常的維度之一——那個宇宙……發生各種事情的場所。卷起來的那一邊則是額外的大尺度維度之一,可能大到一毫米,為了我們的討論,這已經算是極其巨大了。
現在,想象讓一個粒子沿著紙張的長度方向運動。假設它是一個無質量粒子,比如光子。如果管子只有一個維度,那么那個光子就會以光速沿著管子的長度方向運動,光子通常都這么做。
但如果那個光子能夠進入這個額外維度,能夠感知并穿越它,那么它在卷曲的管子里走過的路徑就會不同。它就不會僅僅沿著長度方向運動,那也太無聊了。它還會在額外維度里一圈一圈地環繞。它的速度仍然是光速,但它的運動軌跡會包含那個額外的、隱藏的維度。
但站在我們的視角,額外維度是緊緊卷曲起來的(或許你特別特別擅長卷紙),我們根本看不到光子螺旋前進時的完整運動。我們只能看到它沿著長度方向的運動。從我們的視角看,光子現在的速度就低于光速了,因為它的一部分運動被藏進了我們感知不到的維度里。
任何運動速度低于光速的粒子必定具有質量。因此,如果光子能夠進入額外維度,它們在我們看來就會像是普通的、有質量的粒子。但光子看起來是沒有質量的,所以我們可以得出結論:光子無法進入額外維度。
那么引力呢?我們目前還沒有引力的量子理論,但如果有的話,我們非常確信引力應該是由一種叫做"引力子"的無質量粒子來承載的。但如果引力子泄漏到了額外維度里,它在我們的觀察中就不再是無質量的了。由于這種幾何結構的影響,它在我們看來就好像有了質量。
不僅如此,我們還得把量子力學也加進來——既然要嚴肅對待這些天馬行空的想法,當然少不了它。量子力學認為,每個粒子都伴有一個波。在管子的長維度方向上(在我們這個粗略類比里,這對應現實的普通維度),那個小小的引力子可以有任何它想要的波長,沒有任何限制。但在那個卷曲起來的緊致維度里,波長必須剛好契合。它可以是整數倍的波長:一個整波長、兩個、三個,依此類推。
將宇宙中的一個維度卷曲起來,這個行為會對任何能進入該維度的粒子產生一種量子效應。它的作用機制非常奇特:那個原本單一、無質量、只想過好自己的生活、自由地穿梭在所有額外維度中的粒子,被有效地"分裂"成了許多不同質量的粒子——每一種能恰好契合在卷曲維度周圍的波長,都會對應一個粒子,就像吉他弦上的各個音符。
(這里我用"弦"作類比,但必須強調,我講的可不是弦理論!)
而且遠不止幾個粒子,是無數個粒子!每個粒子有不同的波長和不同的質量。請記住,本質上仍然只有一個無質量粒子,但因為我們的視角受到了極大的限制(我們無法跟隨粒子在額外維度中的旅行),所以我們看到的,反而像是無窮多個有質量的粒子。
這就是所謂的"引力子塔",或者"卡魯扎-克萊因塔",趕時間的話也可以簡稱"塔"。
這意味著,我們現在有了一種工具,可以窺探宇宙的額外維度。抱歉,不是直接看到,我們仍然像地上的小螞蟻,四處爬著找食物殘渣。但這些額外的引力子現在可以……存在了。作為真實的粒子存在。它們有質量、有作用范圍、有速度、有壽命。它們在現實世界中擁有實實在在的屬性。
而最關鍵的是,這些引力子能夠"溜走",進入額外維度,就像你在粗制濫造的科幻電影里看到的那種廉價劇情:反派眼看就要被主角抓住了——嘿,他跑了,溜進另一個維度了。
順便提一句,這里還有一點需要交代的專業術語。出于弦理論催生的各種極客式原因,我們通常的宇宙有時被稱為"膜"(brane,如同membrane膜),而額外維度則被稱為"體空間"(the bulk)。但我個人不太喜歡這套術語,因為它容易讓人混淆,還得額外費腦筋去區分哪個是"膜"哪個是"體",所以我就提這么多。
我們無法跟隨引力子進入額外維度,但如果我們仔細地做"賬目核對",就能發現是否有東西"丟失"。當我們運行高能粒子對撞機實驗時(相信我,這是我們絕對熱衷做的事),某些反應就會產生這種引力子塔(聽起來像是《指環王》里的東西,我扯遠了)。這些引力子會帶有質量、能量和動量,然后,它們就會溜走——它們天生就會這么做。
因此,當我們進行實驗時,我們知道輸入了多少質量、能量和動量,因為實驗設計本身就是為了掌握這類信息;實驗結束后,我們會發現質量、能量和動量有缺失,同樣也是因為實驗設計讓我們能夠探測到這些缺失。
如果這些數字對不上賬,我們就有證據表明,引力子塔"偷走"了一些動量,并將其帶入了額外維度。
未完待續……
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