2.隐藏的维度
50%的实现可能
隐藏的维度
世界上最大的粒子对撞机或能揭示更多的空间维度。
撰文 乔治·马瑟(George Musser)翻译 庞玮
想不想把手伸进第四维空间?在那里你能挣脱三维几何的枷锁。乱如麻的各种线缆从此不再让你绝望;宠物狗咬坏了你的右手手套,你可以把左手的翻过来给右手戴;牙医不需要在牙上钻孔,甚至不需要你张嘴,就可以完成根管治疗。
额外的维度看起来确实神奇,而且它们可能真的存在。从相对较弱的引力(引力是 4种基本相互作用力中最弱的一种),到看起来各不相同的粒子和作用力之间的深层联系,这个世界的众多谜团都让人觉得,我们所认识的宇宙只不过是一个更高维实在的投影。果真如此的话,瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)将粒子撞碎而释放出的能量,或许就足以使粒子脱离三维空间的束缚,让我们一窥神奇的高维世界。
美国麻省理工学院的宇宙学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)说,若能证实额外维度的存在,“目前对‘实在’的所有认识将被颠覆”。他曾在 1990年编写过一个四维空间版的俄罗斯方块游戏,用来体验额外维度是个什么样子。(游戏中你要同时在四维空间的各个不同三维切片中控制下落的方块。)
在现代物理学理论中,额外维度的主要理论基石是超对称(supersymmetry)概念,它试图将各种不同类型的粒子统一在一个大家庭里。要实现这种统一,超对称需要空间总共具有 10个维度。我们之所以觉察不到三维之外的其他维度,要么是因为这些维度非常细小,要么是因为我们本身被限制在一个三维的膜上,犹如趴在叶片上的一条毛虫,只能在叶片上爬来爬去。
当然,不是所有的大统一候选理论(unified theory)都要求有额外维度。所以能否发现这些维度就将成为一个分水岭。“这能让我们集中在最有可能的理论上,”以研究三维膜理论而闻名的哈佛大学物理学家莉萨·兰多尔(Lisa Randall)说。增大粒子加速器的能量是接触这些额外维度的方法之一。按照量子力学定律,一个粒子能量越高,它的尺度就越小,1 TeV(1012电子伏特)对应的尺度大约是 10-19米,如果某个额外维度有这么大,这个粒子就会落入这个维度,并开始振荡。
1998年,美国密歇根大学安阿伯分校的物理学家戈登·凯恩(Gordon Kane)猜想,两个质子在 LHC中对撞产生出电子和其他粒子,它们的能量既有可能是1TeV,也有可能是 1TeV的整数倍,例如 2TeV或 3TeV。如果观察到了这种能量倍增现象,这就说明撞击导致了粒子在额外维度中发生振荡。除此之外,不论是常规的粒子过程,还是暗物质粒子之类的奇异过程,都无法作出解释。
额外维度还可能通过其他方式暴露踪迹。如果 LHC制造出了亚原子尺度的黑洞,就能直接证明额外维度存在,因为三维空间中的常规引力在如此之小的尺度上极度微弱,根本无法产生黑洞。由于几何上的原因,额外维度可能增强引力的作用,也有可能改变电磁力等其他基本力在小尺度范围内的作用方式。额外维度还决定了超对称性如何发挥作用,从而有可能在粒子的质量和其他性质中留下独特的印迹。除了LHC,测量引力强度、观测黑洞或爆炸恒星运行轨道等其他手段,或许也能帮助科学家找到额外维度的蛛丝马迹。
一旦发现额外维度,面临变革的不仅有物理学,还有与之相关的所有法则。额外维度或许可以解释宇宙加速膨胀之类的一些谜题,甚至可能成为重新定义整个维度概念的序幕——因为它进一步强化了科学家日渐萌生的一个猜测:这个世界本质上既不存在空间也不存在时间,空间和时间都是从一些物理学原理中涌现而来的。
“因此,尽管额外维度会是一个让人震惊的发现,”美国新泽西州普林斯顿高等研究院的物理学家尼马·阿尔坎尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)说,“但在更深的层次上,额外维度的概念并非特别基本。”
虽然额外维度对物理学家来说魅力无限,作为普通人的我们却永远无法造访。如果构成我们身体的粒子可以随意造访这些维度,额外的运动自由度会使包括生命在内的复杂结构变得不再稳定。杯具啊,绞成一团的耳机线和疼痛难忍的牙钻孔,竟然是为了保证我们得以存在而必须付出的代价。
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