我想知道上帝如何創(chuàng)造這個(gè)世界 ,我對(duì)這種或那種現(xiàn)象不感興趣。我想知道 “他”的思想 ,其他都是細(xì)節(jié)。

———阿爾伯特 ·愛(ài)因斯坦

一個(gè)物理學(xué)家的教育

童年時(shí)的兩次偶然事件極大地豐富了我對(duì)世界的理解 ,并引領(lǐng)我走上成為理論物理學(xué)家的道路。

我記得父母有時(shí)會(huì)帶我參觀三藩市著名的日本茶園。我當(dāng)初最幸福的記憶是 ,蹲在池塘邊沉迷于荷花下緩慢游動(dòng)的鮮艷的鯉魚。

在這些安靜的時(shí)刻 ,我自由地讓我的想象漫游。我會(huì)問(wèn)自己傻傻的只有孩子才會(huì)問(wèn)的問(wèn)題 ,如池塘的鯉魚會(huì)如何看它周圍的世界。我想 ,它們的世界一定奇妙無(wú)比 !

鯉魚一生都生活在這淺水池塘中 ,它們相信它們的 “宇宙 ”是由渾水和荷花構(gòu)成的。它們絕大部分時(shí)間在池塘的底部覓食 ,它們會(huì)模糊地意識(shí)到,在水面之上可能存在一個(gè)陌生的世界。我們所處世界的性質(zhì)超出了它們的理解范圍。有趣的是 ,我坐的地方距鯉魚僅有英寸遠(yuǎn)的距離 ,但我與它們卻似乎相距甚遠(yuǎn)。鯉魚和我生活在兩個(gè)不同的宇宙 ,但我們并不會(huì)侵犯到彼此的世界 ,兩個(gè)不同的宇宙僅被水的表面這個(gè)最薄的屏障分開(kāi)。

我曾經(jīng)想象過(guò) ,可能鯉魚中也有鯉魚 “科學(xué)家 ”。我想 ,它們會(huì)嘲笑提出在荷花之上存在一個(gè)平行世界的任何一條魚。對(duì)一位鯉魚 “科學(xué)家 ” 來(lái)說(shuō) ,唯一真實(shí)的東西是魚能夠看到或觸摸到的東西。這個(gè)池塘就是一切。超出這個(gè)池塘的看不見(jiàn)的世界是沒(méi)有科學(xué)意義的。

有一次下暴雨 ,成千上萬(wàn)的小雨滴落到池塘的水面上。池塘水面被雨水?dāng)_亂了 ,荷花被水波推得四面搖晃。我躲避著風(fēng)雨 ,心里想著 ,這一切對(duì)鯉魚來(lái)說(shuō)會(huì)是什么樣子。對(duì)它們來(lái)說(shuō) ,荷花似乎是自己在移動(dòng) ,沒(méi)有任何東西推它。因?yàn)樗鼈兩钤谒?(如同我們周圍的空氣和空間 ),而看不見(jiàn)水外的世界。它們會(huì)為荷花可以自己晃動(dòng)而感到困惑。

我曾想 ,它們的 “科學(xué)家 ”也許會(huì)編造一個(gè)巧妙的叫做 “力”的發(fā)明來(lái)掩飾它們的無(wú)知。它們無(wú)法理解在看不見(jiàn)的水的表面存在波 ,它們會(huì)得出這樣的結(jié)論 ———荷花之所以能在不被觸摸的狀況下運(yùn)動(dòng) ,是因?yàn)榇嬖谝环N看不見(jiàn)的神秘的力作用在它的身上。它們可能會(huì)給這個(gè)幻覺(jué)一個(gè)令人印象深刻的 ,崇高的名稱 (如超距作用 ,或荷花有不受接觸就能移動(dòng)的能力)。

我繼續(xù)假想 ,如果我將手伸到水里 ,從池塘里撈出一條鯉魚 科“學(xué)家”會(huì)發(fā)生什么 ?在將它放回水里之前 ,在我檢查它時(shí)它會(huì)劇烈地扭動(dòng)。我想 ,其他鯉魚會(huì)如何看待此事。對(duì)它們來(lái)說(shuō) ,這將是一個(gè)真正令其不安的事件。它們首先會(huì)注意到它們的一位 “科學(xué)家 ”從它們的宇宙消失了 ,且沒(méi)有留下任何痕跡。它們?cè)谧约旱氖澜缰兴奶帉ふ?,卻了無(wú)音訊。然后,幾秒鐘后 ,我將它放回到池塘中 ,“科學(xué)家 ”又突然從它們的世界中冒了出來(lái)。對(duì)其他鯉魚來(lái)說(shuō) ,這真是一個(gè)奇跡。

這個(gè)鯉魚 “科學(xué)家 ”驚魂稍定 ,給鯉魚們講述了一個(gè)令人吃驚的故事。它說(shuō) ,“沒(méi)有任何預(yù)告 ,不知怎么我就被舉出了宇宙 (池塘 ),被拋到一個(gè)神秘的虛空世界 ,看見(jiàn)了從未見(jiàn)過(guò)的炫目的燈和奇形怪狀的物體。最奇怪的是抓住我的那個(gè)動(dòng)物一點(diǎn)也不像魚。我震驚地發(fā)現(xiàn)它沒(méi)有鰭 ,更神奇的是 ,它沒(méi)有鰭也能運(yùn)動(dòng)。我吃驚地發(fā)現(xiàn)我們熟悉的自然規(guī)律在這個(gè)幽冥世界不再適用。然后 ,我突然發(fā)現(xiàn)自己又被扔回到我們的宇宙中。” (當(dāng)然,這個(gè)超越宇宙之旅是荒誕的 ,大多數(shù)的鯉魚會(huì)將這個(gè) “科學(xué)家 ”的言論當(dāng)作胡話。)我常想 ,我們與那些心滿意足地生活在池塘中的鯉魚也許沒(méi)什么區(qū)別。我們生活在自己的 “池塘 ”中,相信我們的宇宙只有那些我們可以看到或觸摸到的東西。像鯉魚一樣 ,我們的宇宙僅由熟悉的和人類可見(jiàn)的事物組成。我們自以為是地拒絕承認(rèn)在我們生活的宇宙周圍存在我們尚不能 掌握和認(rèn)知的平行宇宙或多維空間。我們的科學(xué)家發(fā)明了像力這樣的概念,也許只是因?yàn)樗麄儫o(wú)法想象我們周圍的空虛空間的無(wú)形的振動(dòng)。一些科學(xué)家甚至嘲笑高維世界的說(shuō)法 ,是因?yàn)樗麄儾荒茉趯?shí)驗(yàn)室中便利地驗(yàn)證它。

從那時(shí)起 ,我就一直對(duì)存在高維世界的可能感到癡迷。像大多數(shù)孩子一樣 ,我如饑似渴地閱讀這一類型的冒險(xiǎn)故事。這些故事中的時(shí)間旅行者進(jìn)入其他維度探索不可見(jiàn)的、常規(guī)物理定律不再適用的平行宇宙。我越來(lái)越想知道 ,那些漫游于百慕大三角的船只是否神秘地消失在太空的一個(gè)洞中;我驚嘆于艾薩克 ·阿西莫夫的 “基地 ”系列科幻小說(shuō) ,書中對(duì)超空間旅行的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一個(gè)銀河帝國(guó)的崛起。

我童年的第二個(gè)事件也深深地、持久地影響著我。當(dāng)我 8歲時(shí) ,我聽(tīng)到一個(gè)故事 ,此后 ,這個(gè)故事一直留在了我的腦海。我記得我的老師給我們講述了一個(gè)已故的偉大科學(xué)家的故事。老師對(duì)他非常崇敬 ,稱他為歷史上最偉大的科學(xué)家之一。老師說(shuō)很少有人能理解他的想法 ,但他的發(fā)現(xiàn)改變了整個(gè)世界和我們周圍的一切。我當(dāng)時(shí)并不清楚老師希望通過(guò)這個(gè)故事給我們傳達(dá)什么 ,但我對(duì)這個(gè)故事中的科學(xué)家產(chǎn)生了極大興趣。他在去世前也未能完成自己的偉大發(fā)現(xiàn)。老師說(shuō)這個(gè)科學(xué)家花費(fèi)了若干年的時(shí)間在這個(gè)理論研究上 ,直到他去世時(shí) ,他的桌子上仍放著未完成的文章。我對(duì)此產(chǎn)生了極大的好奇。

我被這個(gè)故事迷住了。在孩子的眼中 ,這是一個(gè)偉大的秘密 ———他的未完成的工作是什么 ?在他書桌上的這篇文章寫的是什么 ?什么問(wèn)題如此困難以至這樣偉大的科學(xué)家用畢生的精力追求 ?我小心翼翼地決定學(xué)習(xí)有關(guān)阿爾伯特 ·愛(ài)因斯坦 (AlbertEinstein)的一切以及他那未完成的理論。我記得 ,我花了很多的時(shí)間安靜地閱讀我能找到的關(guān)于這個(gè)偉人和他的理論的每一本書。當(dāng)我讀完我們當(dāng)?shù)貓D書館中所有與他有關(guān)的書籍后 ,我開(kāi)始搜尋整個(gè)城市的圖書館和書店 ,急切地希望尋找更多的與他相關(guān)的線索。我很快了解到 ,這個(gè)故事遠(yuǎn)比精彩的謀殺案的秘密更刺激 ,甚至比我們能想象到的任何事情都重要。我決定要對(duì)這一秘密刨根問(wèn)底 ,即便是為此必須成為一名理論物理學(xué)家也在所不辭。

我很快得知 ,愛(ài)因斯坦桌上未完成的文章就是他試圖構(gòu)造的所謂的統(tǒng)一場(chǎng)論。這是一個(gè)可以解釋一切自然規(guī)律的理論 ,從最小的原子到浩瀚的星系。然而 ,作為一個(gè)孩子 ,我不能理解暢游在茶園池塘里的鯉魚與愛(ài)因 斯坦桌上未完成的文章也許存在的關(guān)聯(lián)。我更不可能理解只有高維空間才是解決統(tǒng)一場(chǎng)論的關(guān)鍵。

后來(lái) ,在高中階段 ,我讀遍了本地大部分圖書館中這方面的書籍 ,并常常造訪斯坦福大學(xué)的物理圖書館。在那里 ,我偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)事實(shí) ,愛(ài)因斯坦的工作使一種新的被稱為反物質(zhì)的物質(zhì)具有存在的可能性。反物質(zhì)的作用與普通物質(zhì)相似 ,反物質(zhì)與物質(zhì)相接觸 ,自身就會(huì)消失并產(chǎn)生能量爆發(fā)。我知道當(dāng)時(shí)的科學(xué)家已建造了大型機(jī)器 (或稱為 “原子加速器 ”),這種機(jī)器能在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生微量的這種奇特物質(zhì) ———反物質(zhì)。

年輕的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)世俗的約束無(wú)所畏懼 ,而這些約束通常對(duì)大多數(shù)成年人來(lái)說(shuō)是不可逾越的。我開(kāi)始建立自己的原子加速器 ,卻絲毫沒(méi)有考慮其間可能會(huì)經(jīng)歷的困難和障礙。我不停地研究科學(xué)文獻(xiàn) ,直到相信自己擁有建立一個(gè)電子感應(yīng)加速器的能力。這種加速器可以將電子激發(fā)到數(shù)百萬(wàn)電子伏特 (100萬(wàn)電子伏特是指電子被 100萬(wàn)伏電場(chǎng)加速所獲得的能量)。

首先 ,我購(gòu)買了少量的鈉 22,它是一種能自然地放射正電子 (電子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng) )的放射性物質(zhì)。然后 ,我建造了一個(gè)云室 ,使亞原子粒子留下的軌跡可見(jiàn)。我拍攝了成百上千張反物質(zhì)留下的痕跡的精美照片。接下來(lái),我在周圍地區(qū)清理了一個(gè)大型電子倉(cāng)庫(kù)以組裝必要的硬件 ,包括幾百磅廢舊變壓器鋼。在我的車庫(kù) ,我將組裝 230萬(wàn)伏的電子感應(yīng)加速器 ,它強(qiáng)大到足以產(chǎn)生反電子束。為建造電子感應(yīng)加速器所需的強(qiáng)大磁力 ,我說(shuō)服了我的父母 ,讓他們幫助我在我讀高中的那個(gè)學(xué)校的足球場(chǎng)中纏繞了 22英里 (35公里 )長(zhǎng)的銅線。我將整個(gè)圣誕假日都花費(fèi)在了這條 50碼 (46米)長(zhǎng)的線路上 ,以便纏繞和安裝笨重而巨大的線圈 ,這種線圈可以使高能電子的運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生彎曲。

最后建成的 300磅 (136公斤 )重,6000瓦的電子感應(yīng)加速器耗盡了我的房子所有的每一盎司能量。當(dāng)我打開(kāi)它時(shí) ,通常會(huì)燒斷每根保險(xiǎn)絲 ,房子變得漆黑一團(tuán)。隨著房子周期性地陷入黑暗 ,我的母親常常搖頭 (我想,她可能困惑于她的孩子為何不去打棒球或籃球 ,而一定要在車庫(kù)里建造這些巨大的電氣設(shè)備?)。我慶幸的是 ,這臺(tái)機(jī)器成功地產(chǎn)生了比地球磁場(chǎng)強(qiáng) 20000倍的為加速電子束所需的磁場(chǎng)。

直面第五維度

由于家境并不寬裕,我的父母擔(dān)心我不能繼續(xù)我的試驗(yàn)和我的教育。幸運(yùn)的是,我贏得的各種科學(xué)項(xiàng)目的獎(jiǎng)勵(lì)引起了原子科學(xué)家愛(ài)德華 ·泰勒 (EdwardTeler)的注意。他的妻子慷慨地為我作了安排,讓我收到了一份為期4年的哈佛大學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金,允許我在那里可以實(shí)現(xiàn)自己的夢(mèng)想。

具有諷刺意味的是,盡管在哈佛我開(kāi)始了自己在理論物理學(xué)方面的正規(guī)教育,但也正是在這里,我對(duì)高維度的興趣逐漸熄滅。像其他物理學(xué)家一樣,我開(kāi)始嚴(yán)格而徹底地分別學(xué)習(xí)自然界中每一種力所對(duì)應(yīng)的高等數(shù)學(xué)的表達(dá)形式。這些自然力彼此之間是完全孤立的。我記得,曾經(jīng)為我的導(dǎo)師解電動(dòng)力學(xué)的一個(gè)問(wèn)題,然后我問(wèn)他,如果空間在高維中是彎曲的,這個(gè)問(wèn)題的解將會(huì)是什么。他用一種奇怪的眼光看著我,好像我是個(gè)精神失常的瘋子。像比我先來(lái)的人一樣,我很快學(xué)會(huì)了放下孩提時(shí)關(guān)于高維空間的幼稚觀念。我被告知,超空間理論不是嚴(yán)肅學(xué)習(xí)的合適對(duì)象。

我對(duì)這種脫節(jié)的研究物理的方法感到不滿,我的思緒常常會(huì)飄回到生活在茶園池塘里的鯉魚身上。雖然我們常用的電學(xué)和磁學(xué)的方程式在19世紀(jì)就被麥克斯韋發(fā)現(xiàn)且一直被完美地應(yīng)用,但這些方程式似乎也是武斷的。我認(rèn)為物理學(xué)家像鯉魚一樣發(fā)明了這些 “力”來(lái)掩蓋我們對(duì)物體互不接觸而能移動(dòng)的無(wú)知。

我在研究中了解到,19世紀(jì)有一場(chǎng)大爭(zhēng)論———光是如何在真空中傳播(事實(shí)上,從恒星發(fā)出的光可以通過(guò)外部空無(wú)一物的空間毫不費(fèi)力地傳播的好幾萬(wàn)億英里)。實(shí)驗(yàn)也毫無(wú)疑問(wèn)地證明了光是一種波。如果光是一種波,那就需要一些使它發(fā)生 “波動(dòng) ”的介質(zhì)。聲波需要空氣,水波需要水,但真空中沒(méi)有東西可以使光波動(dòng)。于是,我們?cè)O(shè)立了一個(gè)悖論。如果沒(méi)有使光波動(dòng)的介質(zhì),光如何成為波呢?所以,物理學(xué)家創(chuàng)造出了一種稱為以太的物質(zhì),以填補(bǔ)真空中光的介質(zhì)。然而,實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻無(wú)可辯駁地證明了 “以太”并不存在。(奇怪的是,直到今天,物理學(xué)家對(duì)這一難題仍沒(méi)有作出正確回答。但幾十年來(lái),我們卻對(duì)這樣的思想習(xí)以為常:即使不存在介質(zhì),光也能在真空中以波的形式傳播)后來(lái),我成為伯克利加州大學(xué)物理系研究生。我十分偶然地發(fā)現(xiàn)了一 個(gè)替代理論。盡管這個(gè)理論存在爭(zhēng)議 ,但它能解釋光為何可以通過(guò)真空旅行。這一理論是如此古怪 ,當(dāng)我偶然發(fā)現(xiàn)它時(shí)十分震驚。這種震驚與美國(guó)人乍聞肯尼迪總統(tǒng)被槍殺的感覺(jué)頗為相似。他們能永久記住聽(tīng)到這個(gè)驚聞消息的那一刻 ,自己正在干什么 ,正在和誰(shuí)說(shuō)話。我們物理學(xué)家在第一次邂逅卡魯扎 -克萊因理論時(shí)也受到了極大震動(dòng)。因?yàn)檫@個(gè)理論被認(rèn)為是一種瘋狂的推測(cè) ,因而從不在研究生課程上講述。于是 ,年輕的物理學(xué)家只能在有關(guān)讀物中偶然地去發(fā)現(xiàn)它。

這個(gè)替代理論給光作了最簡(jiǎn)單的解釋 :它實(shí)際上是一個(gè)五維 (或如神秘主義者通常所說(shuō)的那個(gè)第四維度 )的振動(dòng)。如果光可以穿過(guò)真空 ,這是因?yàn)檎婵毡旧硎钦駝?dòng)的 ,因?yàn)?“真空 ”實(shí)際存在于四個(gè)維度的空間和一個(gè)維度的時(shí)間之中。通過(guò)添加第五維度 ,引力和光就能以驚人的簡(jiǎn)單的方式統(tǒng)一起來(lái)?；仡櫸彝甑牟鑸@經(jīng)歷 ,我突然意識(shí)到這正是我一直在尋找的數(shù)學(xué)理論。

然而 ,老的卡魯扎 -克萊因理論存在許多困難的技術(shù)問(wèn)題 ,這使它在面世半個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直被束之高閣。但是 ,過(guò)去 10年中所有這一切都發(fā)生了改變。基于這一基礎(chǔ)理論的更高級(jí)的翻版理論 ,如超引力理論 ,特別是超弦理論 ,已最終消除了該理論的不自洽性。突然間 ,高維理論的研究在全世界的研究實(shí)驗(yàn)室中被檢驗(yàn)并倡導(dǎo)?，F(xiàn)在世界上許多頂尖物理學(xué)家相信,在普通的思維時(shí)空之外 ,存在更高的維數(shù)。這個(gè)想法 ,實(shí)際上已成為了激烈的科學(xué)研究的焦點(diǎn)。事實(shí)上 ,許多理論物理學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為 ,更高的維度可能是創(chuàng)造一個(gè)統(tǒng)一自然規(guī)律的全面理論 ———超空間理論 ———的決定性步驟。

如果超空間理論被證明是正確的 ,那么未來(lái)的科學(xué)史家可能會(huì)記錄下:在20世紀(jì)的科學(xué)中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)偉大的概念革命 ,超空間理論可能是解開(kāi)自然最深處的秘密與 “創(chuàng)世 ”的鑰匙。

這個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的概念已引發(fā)了科學(xué)研究的雪崩 :全世界的重要的實(shí)驗(yàn)室寫下幾千篇文章致力于探索超空間的性質(zhì)。《核物理》和《物理快報(bào)》兩大領(lǐng)先科學(xué)雜志都發(fā)表了大量文章分析這個(gè)理論。200多個(gè)國(guó)際物理會(huì)議已資助探索高維空間的研究。

不幸的是 ,我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證宇宙存在于更高維度。(需要什么才能證明該理論的正確性 ,以及可能的開(kāi)發(fā)超空間能力的問(wèn)題 ,將在本書后部分討論。)然而 ,這一理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論物理學(xué)的一個(gè)合法 分支并牢固地確立起來(lái)。例如 ,愛(ài)因斯坦度過(guò)他生命最后幾十年的普林斯頓高等研究院 (本書的寫作地 ),現(xiàn)在正是高維時(shí)空研究的活躍中心之一。

史蒂文 ·溫伯格 (Steven Weinberg),1979年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他最近總結(jié)這個(gè)概念革命時(shí)評(píng)論說(shuō) ,理論物理似乎越來(lái)越變得像科幻小說(shuō)。

為什么我們不能看到更高的維度 ?

這些革命性的思想初看起來(lái)似乎很奇怪 ,因?yàn)槲覀兝硭?dāng)然地認(rèn)為我們生活在三維世界之中。已故物理學(xué)家海因茨 ·帕格爾斯 (HeinzPagels)指出 ,“我們的物理世界的一個(gè)特征是如此之明顯 ,以至于大多數(shù)人從未懷疑過(guò)空間是三維的這一事實(shí) ”。幾乎是出于本能 ,我們知道任何物體都可以通過(guò)給出它的高度、寬度和深度來(lái)描述。通過(guò)給出三個(gè)數(shù)字可以找到空間中的任何位置。如果我們想約某人在紐約吃午飯 ,我們說(shuō) ,“在四十二街和第一大道拐角處的大樓 24層見(jiàn)?！鳖^兩個(gè)數(shù)字為我們提供了街道的角落 ,第三個(gè)數(shù)字則描述了約會(huì)地離地面的高度。

飛機(jī)上的飛行員也能用三個(gè)數(shù)字來(lái)確定他們的準(zhǔn)確位置 ———高度和地圖上確定其位置的兩個(gè)坐標(biāo)。事實(shí)上 ,指定這三個(gè)數(shù)字可以確定世界上的任何位置 ,從鼻尖到可見(jiàn)宇宙的末端。即使幼兒也明白這個(gè)道理 :對(duì)幼兒的測(cè)試表明 ,他們?nèi)绻赖揭粋€(gè)懸崖的邊緣 ,會(huì)在邊緣處望一望 ,再爬回來(lái)。幼兒除了本能地理解 “左”、“右”、 “向前 ”、 “向后 ”外,他也能本能地理解 “上”、 “下”。因此 ,直觀的三維概念從童年時(shí)代就扎根于我們的腦海。

愛(ài)因斯坦將這個(gè)概念作了擴(kuò)展 ,將時(shí)間作為第四維度包括了進(jìn)來(lái)。例如,為了與某人共進(jìn)午餐 ,我們必須指定時(shí)間。比如 ,下午 12:30在曼哈頓見(jiàn)面。即規(guī)定了一個(gè)事件 ,我們還需要描述它的第四個(gè)維度 ———事件發(fā)生的時(shí)間。

今天的科學(xué)家有興趣超越愛(ài)因斯坦的四個(gè)維度的概念。當(dāng)前科學(xué)興趣集中在第五維度 (在一維時(shí)間和三維空間之外的那個(gè)維度 )和更高維度。 (為了避免混亂 ,貫穿本書 ,我按照習(xí)俗稱第四維為超過(guò)長(zhǎng)度、寬度和高度的空間維度。物理學(xué)家們實(shí)際上稱此為第五維度 ,但我遵循歷史先例。 我們稱時(shí)間為第四時(shí)間維度。)我們?nèi)绾慰匆?jiàn)第四個(gè)空間維度 (即第五維度)?

問(wèn)題是我們無(wú)法看見(jiàn)。高維空間是不能用人類的眼睛觀察到的。因此,即使嘗試也是徒勞。德國(guó)著名物理學(xué)家赫爾曼 ·馮 ·亥姆霍茲 (HermannvonHelmholtz)將不能 “看見(jiàn)”第四維與盲人無(wú)法構(gòu)想顏色的概念相比較。不管我們?nèi)绾翁咸喜唤^地向盲人描述 “紅色”的特征,但任何語(yǔ)言都不能確切地將顏色含義告知盲人。即使是在超空間領(lǐng)域工作多年的有經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)家和理論物理學(xué)家也會(huì)承認(rèn)他們無(wú)法將其可視化。相反,他們只能返回到數(shù)學(xué)方程的世界。盡管數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、計(jì)算機(jī)專家在解多維空間的方程時(shí)并沒(méi)有什么困難,但人類卻不可能想象可視化超出他們自己的宇宙。

充其量,我們可以使用上世紀(jì)末本世紀(jì)初數(shù)學(xué)家兼神秘主義者查爾斯·辛頓 (CharlesHinton)設(shè)計(jì)的各種數(shù)學(xué)技巧,可視化高維物體的投影。其他數(shù)學(xué)家,如布朗大學(xué)的數(shù)學(xué)系主任托馬斯 ·班科夫 (Thomas Banchof)也寫出了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序,他能將高維物體的投影投射到二維的計(jì)算機(jī)屏幕上,使我們能操縱它。就像古希臘哲學(xué)家柏拉圖說(shuō)的那樣,如同洞穴居民抱怨只能看到洞外豐富生活的暗淡的灰色的陰影,班科夫的計(jì)算機(jī)也只允許我們看到高維物體的投影。(事實(shí)上,由于進(jìn)化的原因,我們不可能可視化更高的維度。我們的大腦已經(jīng)進(jìn)化為可以處理三維中的無(wú)數(shù)的緊急事件。我們可以通過(guò)及時(shí)地不停地思考對(duì)撲面而來(lái)的獅子或惡意進(jìn)攻的大象作出反應(yīng)。一個(gè)人如果能更好地可視化物體在三個(gè)維度中如何移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和扭曲,相比于那些不能可視化這些運(yùn)動(dòng)的人就具有了明顯的生存優(yōu)勢(shì)。遺憾的是,從進(jìn)化的角度,人類并無(wú)必要去掌握四維空間中的運(yùn)動(dòng)。能夠看到四維空間無(wú)助于人們抵御殺氣騰騰的劍齒虎。獅子和老虎不會(huì)通過(guò)第四維度襲擊我們。)自然法則在更高維度上更簡(jiǎn)單

彼得·弗羅因德 (PeterFreund)是芝加哥大學(xué)著名的恩里科費(fèi)米學(xué)院的一位理論物理學(xué)教授,他喜歡用有關(guān)高維宇宙的性質(zhì)來(lái)愉悅觀眾。弗羅因德是一位超空間理論的早期開(kāi)拓者,那個(gè)時(shí)候主流物理學(xué)認(rèn)為超空間 是一種奇談怪論。多年來(lái) ,弗羅因德和一小組科學(xué)家孤立地研究高維科學(xué)。但現(xiàn)在 ,它終于成為時(shí)尚的和合法的科學(xué)研究分支。使他高興的是 ,他發(fā)現(xiàn)他的早期努力終于得到了回報(bào)。

弗羅因德不是那種狹隘的、頑固的、凌亂的、傳統(tǒng)的科學(xué)家形象。相反,他彬彬有禮、善于表達(dá)、有教養(yǎng) ,并具有狡猾的、頑皮的笑容。他常常將快速突破的科學(xué)發(fā)現(xiàn)以迷人的故事形式講述給普通聽(tīng)眾。他能輕松自如地在黑板上書寫密密麻麻的雜亂的方程式或在雞尾酒會(huì)上輕松地開(kāi)玩笑。他說(shuō)話帶著濃郁的羅馬尼亞口音。弗羅因德有一種罕見(jiàn)的本領(lǐng) ,他總能以一種生動(dòng)的迷人的風(fēng)格解釋最神秘的復(fù)雜的物理概念。

弗羅因德提醒我們 ,傳統(tǒng)上的科學(xué)家是以懷疑的態(tài)度看待高維的 ,因?yàn)樗鼈儾荒鼙粶y(cè)量 ,也沒(méi)有任何特別的用途。然而 ,今天越來(lái)越多的科學(xué)家認(rèn)識(shí)到 ,任何一種三維理論都 “太小了 ”,三維理論無(wú)法描述支配我們宇宙的力。

正如弗羅因德強(qiáng)調(diào)的 ,在物理學(xué)過(guò)去 10年間貫穿的一個(gè)主題是 :自然法則在高維中變得越來(lái)越簡(jiǎn)單 ,越來(lái)越優(yōu)雅 ,高維是它們的天然的家。光和引力的規(guī)律在高維時(shí)空中表達(dá)時(shí)找到了一個(gè)天然的表達(dá)式。統(tǒng)一自然規(guī)律的關(guān)鍵一步是增加時(shí)空的維數(shù) ,增加到可以容納更多的力。在更高的維度我們有足夠的 “空間 ”來(lái)統(tǒng)一所有已知的物理力。

弗羅因德在解釋為什么高維度激發(fā)了科學(xué)世界的想象時(shí)使用了以下比喻:“思考一下獵豹這個(gè)溜光的、美麗的在地球上跑得最快的動(dòng)物 ,它自由漫步在非洲的大草原上。在它的自然棲息地 ,它是一個(gè)瑰麗的動(dòng)物 ,幾乎是一件藝術(shù)品 ,它的奔跑速度和奔跑動(dòng)作的優(yōu)雅簡(jiǎn)直無(wú)與倫比。現(xiàn)在 ,”他繼續(xù)說(shuō)道 ,“想象一只被捕獲并被扔進(jìn)動(dòng)物園籠子里的悲慘的獵豹。它失去了原來(lái)的優(yōu)雅和美麗 ,被迫表演以取悅?cè)藗?。我們看到的是籠中獵豹的消沉的意志 ,而看不到它原有的威力和優(yōu)雅。我們可以將獵豹比作物理規(guī)律 ,它在自然環(huán)境中是美麗的。物理規(guī)律的自然棲息地是高維時(shí)空。然而 ,只有在它們支離破碎地?cái)[放在籠子里時(shí)才能被測(cè)量 ,這個(gè)籠子就是我們的三維實(shí)驗(yàn)室。我們只有在獵豹的優(yōu)雅和美麗被剝奪之后才能看到它?！?/p>

幾十年來(lái) ,物理學(xué)家一直在思考為什么自然界的四種力看起來(lái)如此支離破碎 ,為什么 “獵豹 ”在它的籠子里看起來(lái)如此可憐和消沉。弗羅因德說(shuō),這四種力看起來(lái)大不相同的根本原因是我們一直在觀察 籠“中的獵豹”,我們的三維實(shí)驗(yàn)室是物理定律的毫無(wú)生機(jī)的動(dòng)物園的籠子。但是 ,當(dāng)我們?cè)谒鼈兊淖匀粭⒌馗呔S時(shí)空中制定定律時(shí) ,我們才能看到它們真正的輝煌和力量。在那里 ,定律變得簡(jiǎn)單而強(qiáng)大。現(xiàn)在席卷物理的革命是認(rèn)識(shí)到超空間也許是獵豹的天然家園。

為說(shuō)明為何添加更高的維度可以使事情變得更簡(jiǎn)單 ,試想古羅馬人是怎樣打那些重大戰(zhàn)役的。羅馬戰(zhàn)爭(zhēng)包含很多較小的戰(zhàn)場(chǎng) ,戰(zhàn)爭(zhēng)雙方都收到來(lái)自不同方向的謠言和誤傳 ,將戰(zhàn)事弄得混亂不堪。由于戰(zhàn)斗在幾個(gè)前沿地帶猛烈地進(jìn)行 ,羅馬將領(lǐng)經(jīng)常是盲目指揮。羅馬人通常是因?yàn)橐靶U力量而取得勝利 ,并非優(yōu)雅的戰(zhàn)略。這就是為什么戰(zhàn)爭(zhēng)的首要原則之一是占領(lǐng)高地 ———上到第三維度審視二維戰(zhàn)場(chǎng)。從一個(gè)大山的有利位置觀察全景戰(zhàn)場(chǎng),戰(zhàn)爭(zhēng)的混亂程度驟然降低。換句話說(shuō) ,從第三維度看 (即從山頂看 ),眾多較小的混亂戰(zhàn)場(chǎng)將集成一個(gè)連貫的單一畫面。

這個(gè)原理 ———自然規(guī)律在高維中表達(dá)將變得更簡(jiǎn)單 ———的另一個(gè)應(yīng)用,是愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論背后的中心思想。愛(ài)因斯坦揭示了時(shí)間是第四維,他表明了空間和時(shí)間可以方便地在四維中統(tǒng)一起來(lái)。這反過(guò)來(lái)又不可避免地導(dǎo)致用空間和時(shí)間測(cè)量的所有物理量 (如質(zhì)量和能量 )的統(tǒng)一。他還找到了質(zhì)量和能量統(tǒng)一的精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式 :E=mc2。也許 ,這是所有科學(xué)方程中最著名的質(zhì)能公式。(高維理論絕不僅是一個(gè)學(xué)術(shù)理論 ,因?yàn)閻?ài)因斯坦理論最簡(jiǎn)單的結(jié)果是原子彈 ,它改變了人類的命運(yùn)。在這個(gè)意義上,高維理論的引進(jìn)是人類歷史上最關(guān)鍵的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。)為了欣賞這種統(tǒng)一的巨大力量 ,現(xiàn)在我們來(lái)描述這四種基本力。強(qiáng)調(diào)它們?nèi)绾尾煌?,如何在高維中給出這四種力的統(tǒng)一表述。在過(guò)去 2000年間,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)宇宙中的所有現(xiàn)象可以化歸為四種力 ,它們從一開(kāi)始就彼此互不相似。

電磁力

電磁力以多種形式存在 ,包括電、磁和光本身。電磁力照亮了我們的城市 ,可使收音機(jī)和音響播出的音樂(lè)填滿整個(gè)空間 ,可讓我們看電視 ,可用電器減輕家務(wù)勞動(dòng) ,可用微波爐加熱我們的食物 ,可用雷達(dá)跟蹤飛機(jī)和 空間探測(cè)器 ,可使我們的發(fā)電廠電氣化。最近 ,電磁力已被用于電子計(jì)算(這使辦公室、家庭、學(xué)校、軍隊(duì)大為改觀 )和激光 (這對(duì)于通信、外科機(jī)手術(shù)、光盤、五角大樓高級(jí)武器系統(tǒng) ,甚至雜貨店的收銀臺(tái)都具有重大意義)。在某種意義上 ,整個(gè)地球超過(guò)半數(shù)的國(guó)民生產(chǎn)總值 (它代表著人類積累的財(cái)富 )都依賴于電磁力。

強(qiáng)核力

強(qiáng)核力為恒星燃燒提供能量。它使群星閃耀 ,創(chuàng)造出燦爛的、給予生命的陽(yáng)光。如果這個(gè)強(qiáng)大的力量突然消失 ,太陽(yáng)會(huì)變暗 ,地球上的所有生命將終結(jié)。事實(shí)上 ,一些科學(xué)家認(rèn)為恐龍是在 6500萬(wàn)年前滅絕的 ,那時(shí)彗星撞擊的碎片進(jìn)入了地球的大氣層 ,讓大地昏暗 ,整個(gè)行星的溫度暴跌。具有諷刺意味的是 ,強(qiáng)核力也可以在一天之內(nèi)收回它曾經(jīng)贈(zèng)與的那些生命。如果不限制氫彈爆炸 ,強(qiáng)核力將有可能在一天之內(nèi)結(jié)束地球上的所有生命。

弱核力

弱核力支配某些形式的放射性衰變。因?yàn)榉派湫晕镔|(zhì)在衰變或破裂時(shí)會(huì)放出熱量 ,弱核力有助于加熱地球內(nèi)部深層的放射性巖石。這個(gè)熱量反過(guò)來(lái)又驅(qū)動(dòng)火山 ,造成罕見(jiàn)但強(qiáng)大的熔巖爆發(fā)到達(dá)地球表面。弱核力和電磁力也常被用來(lái)治療嚴(yán)重的疾病 :放射性碘被用來(lái)殺死甲狀腺腫瘤與醫(yī)治某種形式的癌癥。放射性衰變也可以是致命的 :它造成了三英里島和切爾諾貝利的大破壞 ;它還產(chǎn)生了放射性廢物 (核武器生產(chǎn)和商業(yè)核電廠產(chǎn)生的不可避免的副產(chǎn)品 ),這些廢料有可能會(huì)持續(xù)保持危害性長(zhǎng)達(dá)幾百萬(wàn)年時(shí)間。

引力

引力使地球和行星保持在它們的軌道上運(yùn)動(dòng) ,引力也約束了銀河系的平衡。如果沒(méi)有地球的引力 ,地球的自轉(zhuǎn)將使我們像布娃娃一樣被拋進(jìn)太空。我們用以呼吸的空氣也會(huì)很快彌散到太空中去 ,從而使我們窒息 ,使地球上的生命不復(fù)存在。如果沒(méi)有太陽(yáng)的引力 ,所有的行星 (包括地球 )將被拋出太陽(yáng)系進(jìn)入寒冷的深層太空 ,在那里 ,微弱的陽(yáng)光將無(wú)法支持生物的生命。事實(shí)上 ,沒(méi)有引力 ,太陽(yáng)自身也會(huì)發(fā)生爆炸。太陽(yáng)是引力 (它 傾向于收縮太陽(yáng) )和核力 (它傾向于脹開(kāi)太陽(yáng) )微妙平衡的結(jié)果。沒(méi)有引力,太陽(yáng)將會(huì)像千萬(wàn)億顆氫彈爆炸那樣轟然爆裂。

當(dāng)前理論物理學(xué)面臨的挑戰(zhàn)是將這四種力統(tǒng)一為一個(gè)單一力。從愛(ài)因斯坦開(kāi)始 ,20世紀(jì)的許多物理學(xué)巨人就試圖找到這種統(tǒng)一的力 ,但都沒(méi)有成功。然而 ,困擾了愛(ài)因斯坦生命最后 30年的問(wèn)題的答案也許就在超空間。

統(tǒng)一問(wèn)題

愛(ài)因斯坦曾說(shuō) ,“自然只讓我們看到獅子的尾巴。但我從未懷疑獅子和獅尾是一體的 ,盡管獅子太大我們看不到它 ”。如果愛(ài)因斯坦是正確的 ,那么也許這四種力就是獅子的尾巴 ,而獅子就是高維時(shí)空。這一理念已燃起希望 ,擺滿圖書館書架的密密麻麻的有著豐富圖表的圖書所描述的宇宙的物理定律也許某天可以由一個(gè)簡(jiǎn)單的方程來(lái)描述。

這個(gè)有關(guān)宇宙的革命性觀點(diǎn)的中心是 ———高維幾何也許是宇宙統(tǒng)一的最終源泉。簡(jiǎn)言之 ,宇宙中的物質(zhì)和將它們聚在一起的力 ,以一種使人困惑不解和變化無(wú)窮的復(fù)雜形式出現(xiàn) ,但它們也許只是超空間上的不同振動(dòng)而已。然而 ,這個(gè)概念不同于科學(xué)家的傳統(tǒng)思維 ,他們將空間和時(shí)間視為一個(gè)被動(dòng)的舞臺(tái) ,星星和原子是這個(gè)舞臺(tái)上的主角。對(duì)這些科學(xué)家來(lái)說(shuō) ,可見(jiàn)的物質(zhì)宇宙比起不可見(jiàn)的時(shí)空宇宙來(lái)說(shuō)更加豐富且多樣化。從歷史的角度看 ,粒子物理方面幾乎所有的科學(xué)努力以及大量的政府基金都被投入到了 “夸克 ”、“膠子 ”這樣的亞原子粒子研究上。而不是徹底理解時(shí)空的幾何性質(zhì)?，F(xiàn)在 ,科學(xué)家們正逐漸認(rèn)識(shí)到 ,時(shí)間和空間這個(gè) “無(wú)用的 ”概念也許是大自然之美與簡(jiǎn)單性的最終源頭。

高維空間的第一個(gè)理論被稱為卡魯扎 -克萊因 (kaluza-klein)理論。這個(gè)理論以兩位科學(xué)家的名字而命名。他們提出了一種新的引力理論 ,將引力解釋為第五維度的振動(dòng)。我們?nèi)绻麑⑦@個(gè)理論擴(kuò)展到 N維空間 (N可以代表任何數(shù) ),這個(gè)看似笨拙的亞原子粒子理論將戲劇性地呈現(xiàn)出驚人的對(duì)稱性。然而 ,老卡魯扎 -克萊因理論不能確定 N的正確值 ,在描述亞原子粒子時(shí)也存在許多技術(shù)問(wèn)題?；谶@個(gè)理論還有一個(gè)更為先進(jìn)的版本 稱為超引力理論,但它依然存在問(wèn)題。近來(lái),對(duì)這個(gè)理論的興趣是1984年由米迦勒·格林 (MichaelGren)和馬蒂亞斯 ·舒瓦茨 (JohnSchwarz)引發(fā)的。他們給出了卡魯扎-克萊因理論最先進(jìn)的版本,即超弦理論的一致性。這個(gè)理論假定所有物質(zhì)都是由微小的振動(dòng)弦組成。令人驚訝的是,超弦理論精確地預(yù)測(cè)了時(shí)間和空間的維度:十維。[弗羅因德被問(wèn)及我們何時(shí)可以看見(jiàn)這些高維空間時(shí),他報(bào)以一笑。我們看不到這些高維空間,因?yàn)樗鼈兙沓傻男∏蚴侨绱酥?以至于檢測(cè)不到。根據(jù)卡魯扎 -克萊因理論,這些卷曲的維度的尺寸叫做普蘭克長(zhǎng)度^[1]。相當(dāng)于質(zhì)子的萬(wàn)億億分之一,它太小了以至于我們用最大的原子加速器也無(wú)法探測(cè)。高能物理學(xué)家曾指望造價(jià)110億美元的超導(dǎo)超級(jí)碰撞機(jī) (SSC)能間接揭示超空間的某些線索。但 SSC于1993年10月被美國(guó)國(guó)會(huì)否決了。]

十維空間的優(yōu)勢(shì)在于我們擁有足夠的空間以容納所有四種基本力。此外,我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的物理繪景來(lái)解釋由大型原子加速器產(chǎn)生的亞原子粒子的雜亂的混合物。過(guò)去30年中,物理學(xué)家分類研究了通過(guò)粉碎質(zhì)子、電子、原子產(chǎn)生的碎片中的幾百種亞原子粒子。像昆蟲(chóng)收藏家耐心地給一大批昆蟲(chóng)命名一樣,物理學(xué)家有時(shí)被這些亞原子粒子的多樣性和復(fù)雜性壓得喘不過(guò)氣來(lái)。今天,這個(gè)撲朔迷離的收集亞原子粒子的工作可以用超空間理論的純粹振動(dòng)來(lái)解釋。

穿越時(shí)空

超空間理論也重新打開(kāi)了 “超空間是否可以用于穿越時(shí)空旅行”的問(wèn)題。要理解這個(gè)概念,想象生活在一個(gè)大蘋果上的小的扁平的扁蟲(chóng)。對(duì)扁蟲(chóng)而言,它們認(rèn)為蘋果的世界顯然與它們一樣是一個(gè)扁平的二維世界。然而,有一個(gè)叫哥倫布的扁蟲(chóng)被一種說(shuō)法迷住了———蘋果世界在某種方式上是有限的、彎曲的、三維的。然而,它的朋友稱它為傻瓜,嘲笑它相信蘋果世界竟會(huì)在看不見(jiàn)摸不著的某個(gè)三維中彎曲。一天,哥倫布踏上漫長(zhǎng)而艱苦的旅程,消失在地平線上。最終他回到起點(diǎn),他的旅程證明蘋果世界存在于一個(gè)更高的不可見(jiàn)的維度,第三維度是彎曲的。雖然旅行使它疲倦,哥倫布還是發(fā)現(xiàn)了在蘋果上彼此遠(yuǎn)離的兩點(diǎn)之間旅行還有另外一種方法:通過(guò)在蘋果上挖洞,挖出一條隧道,創(chuàng)造一條捷徑通往遙遠(yuǎn)的地方。 這條捷徑大大減少了長(zhǎng)途旅行的時(shí)間和身體疲憊 ,它稱這條隧道為蟲(chóng)洞。這條隧道證明了兩點(diǎn)之間最短的路徑不一定是別人告訴它的直線 ,而是一個(gè)蟲(chóng)洞。

哥倫布發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的效應(yīng) ,當(dāng)他進(jìn)入某條隧道并從另一端出口出去時(shí) ,他發(fā)現(xiàn)自己回到了過(guò)去。顯然 ,這些蟲(chóng)洞連接著蘋果上的不同地方,而這些不同地方的時(shí)間有著不同的節(jié)拍。一些蟲(chóng)子甚至聲稱這些蟲(chóng)洞可以被塑造成一個(gè)可行的時(shí)間機(jī)器。

后來(lái) ,哥倫布又做出了一項(xiàng)更加重要的發(fā)現(xiàn) ———它發(fā)現(xiàn)的蘋果世界其實(shí)并非宇宙中的唯一 ,它只是一個(gè)大蘋果園中的一個(gè)蘋果。哥倫布發(fā)現(xiàn)這個(gè)蘋果與大蘋果園中成百上千的蘋果共存。有些蘋果上有像它們一樣的扁蟲(chóng),有些蘋果上沒(méi)有。他猜想 ,在某些罕見(jiàn)的情況下 ,這些扁蟲(chóng)甚至可以在果園中不同的蘋果之間旅行。

我們?nèi)祟惥拖衲切┍庀x(chóng)。常識(shí)告訴我們 ,我們的世界與它們的蘋果一樣,是平坦的三維世界。無(wú)論我們跟隨我們的宇宙飛船走到哪里 ,宇宙似乎總是平坦的。然而 ,事實(shí)上 ,我們的宇宙像蘋果世界一樣 ,在一個(gè)超出我們對(duì)空間理解的看不見(jiàn)的維度上是彎曲的。這個(gè)事實(shí)已被一些嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了。科學(xué)家對(duì)光的路徑進(jìn)行的實(shí)驗(yàn) ,證明了星光穿過(guò)宇宙時(shí)是彎曲的。

多連通宇宙

早晨 ,當(dāng)我們醒來(lái)打開(kāi)窗戶讓新鮮空氣進(jìn)來(lái)時(shí) ,我們期待看到前面的院子。我們并不希望打開(kāi)窗戶后 ,面對(duì)巍峨的埃及金字塔。同樣 ,當(dāng)我們打開(kāi)前門時(shí) ,我們期待看到街道上的汽車 ,而不是火山口和死火山那種荒涼的月球景觀。甚至不必考慮 ,我們就假定我們能安全地打開(kāi)窗戶和門 ,不會(huì)被嚇得靈魂出竅。幸運(yùn)的是 ,我們的世界不是史蒂文 ·斯皮爾伯格 (StevenSpielberg)的電影。我們有一個(gè)根深蒂固的偏見(jiàn) (這個(gè)偏見(jiàn)總是正確的 )———我們的世界是單連通的 (簡(jiǎn)單連接的 ),我們的窗戶和門都并非是連接我們的家和另一個(gè)遙遠(yuǎn)宇宙的蟲(chóng)洞入口。(在普通的空間中 ,一根繩子的套索可以收縮成一點(diǎn)。如果套索可以收縮成一點(diǎn) ,我們則說(shuō)該空間是單連通的。然而 ,如果將套索放在蟲(chóng)洞的入口周圍 ,它無(wú)法收縮成 某一點(diǎn)。事實(shí)上 ,這個(gè)套索進(jìn)入了蟲(chóng)洞。這種套索不能收縮的空間 ,我們說(shuō)它是多連通的。雖然 ,我們的宇宙在不可見(jiàn)的維度中彎曲已通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量,但蟲(chóng)洞的存在和我們的宇宙是否是多連通的仍是當(dāng)今科學(xué)界長(zhǎng)期爭(zhēng)論的話題。)在喬治 ·波恩哈德 ·黎曼 (GeorgeBernhardRiemann)那個(gè)時(shí)代的數(shù)學(xué)家研究了多連通空間的性質(zhì)。在這個(gè)空間中不同區(qū)域的空間和時(shí)間是拼接在一起的。物理學(xué)家曾以為這僅是一個(gè)智力練習(xí) ,現(xiàn)在 ,他們正在把多連通世界作為我們宇宙的實(shí)際模型而加以研究。這些模型是愛(ài)麗絲鏡子的科學(xué)模擬。當(dāng)劉易斯 ·卡羅爾的白兔掉進(jìn)兔子洞而進(jìn)入仙境時(shí) ,它實(shí)際上是掉進(jìn)了一個(gè)蟲(chóng)洞。

圖1.1平行宇宙可以用兩個(gè)平行平面圖形表達(dá)。通常情況下 ,它們從不互相接觸。然而 ,有時(shí)蟲(chóng)洞或管道可以在它們之間打開(kāi) ,使它們之間的溝通和旅行成為可能。這也是當(dāng)今理論物理學(xué)家極感興趣的課題。

蟲(chóng)洞可以用兩個(gè)平行平面來(lái)解釋。取兩張紙和一把剪刀,我們?cè)诿繌埣埳霞粢粋€(gè)洞,然后用一根長(zhǎng)管連接兩個(gè)孔 (圖1.1)。只要你避免走進(jìn)蟲(chóng)洞,我們的世界就似乎是正常的,你在學(xué)校里學(xué)的通常的幾何定律在這里都是成立的。然而,如果你落入了蟲(chóng)洞,你會(huì)瞬間被傳送到空間和時(shí)間的不同區(qū)域。只有通過(guò)追溯你的腳步,撤離剛才掉進(jìn)的蟲(chóng)洞,你才能回到之前熟悉的世界。

時(shí)間旅行與嬰兒宇宙

雖然蟲(chóng)洞提供了一個(gè)迷人的研究領(lǐng)域,但在超空間 (多維空間)的討論中顯露出來(lái)的最引人入勝的概念是———時(shí)間旅行。在電影《回到未來(lái)》中,米高·J.霍士 (MichaelJ.Fox)的旅行回到過(guò)去,遇見(jiàn)了他的尚未結(jié)婚的年輕的父母。不幸的是,他的母親愛(ài)上他后將他的父親拋棄。這就提出了一個(gè)棘手的問(wèn)題———如果他的父母從未結(jié)婚生子,他如何誕生。

傳統(tǒng)上,科學(xué)家們對(duì)任何提出時(shí)間旅行問(wèn)題的人都不抱很大希望。因果關(guān)系 (有因才有果,而不是有果才有因)被牢牢地銘刻在現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)中。然而,在蟲(chóng)洞物理中 “非因果”效應(yīng)反復(fù)顯現(xiàn)。事實(shí)上,我們必須做出強(qiáng)有力的假設(shè)以防止時(shí)間旅行的發(fā)生。主要問(wèn)題是,蟲(chóng)洞不僅可以連接空間中兩個(gè)遙遠(yuǎn)的點(diǎn),它還可以將過(guò)去和未來(lái)連接起來(lái)。

1988年,加州理工大學(xué)的物理學(xué)家基普·索恩 (KipThorne)和他的合作者做出驚人的 (也是冒險(xiǎn)的)斷言———時(shí)間旅行不僅是合理的,而且在一定條件下也是可行的。他們的斷言并非發(fā)表在不起眼的 “邊緣”雜志上,而是在著名的《物理評(píng)論快報(bào)》上。這首次標(biāo)志著著名的物理學(xué)家,而不是瘋子,科學(xué)地提出一個(gè)關(guān)于改變時(shí)間本身進(jìn)程的問(wèn)題。他們的斷言是基于簡(jiǎn)單的觀察,一個(gè)蟲(chóng)洞連接兩個(gè)有著不同時(shí)間周期的區(qū)域。因此蟲(chóng)洞可以連接現(xiàn)在和過(guò)去。因?yàn)榇┰较x(chóng)洞是瞬時(shí)的,所以人們可以用蟲(chóng)洞逆時(shí)退行到過(guò)去。然而,這不同于 H.G.威爾斯 (H.G.Wels)的《時(shí)間機(jī)器》一書中描繪的場(chǎng)景,主人公只要撥動(dòng)一下表盤就可以被拋到幾十萬(wàn)年后的英國(guó)的未來(lái)。因?yàn)橄x(chóng)洞的產(chǎn)生需要巨大的能量,甚至超出了在未來(lái)幾個(gè)世紀(jì)技術(shù)上的可能。

蟲(chóng)洞物理的另一個(gè)奇怪的推論是在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造 “嬰兒宇宙”。當(dāng)然, 我們無(wú)法重新創(chuàng)造大爆炸和見(jiàn)證我們宇宙的誕生。然而 ,對(duì)宇宙學(xué)上做出了重要貢獻(xiàn)的麻省理工學(xué)院的阿蘭 ·古斯 (AlanGuth)聲稱 ,蟲(chóng)洞物理可以使我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室創(chuàng)造嬰兒宇宙成為可能。他的見(jiàn)解震驚了許多物理學(xué)家。他提出 ,在一個(gè)密閉室內(nèi)集中大量的熱量和能量 ,蟲(chóng)洞最終可能被打通,這個(gè)蟲(chóng)洞可作為連接我們的宇宙與另一個(gè)極小宇宙的臍帶。如果可能的話 ,它會(huì)給科學(xué)家?guī)?lái)前所未有的宇宙觀 ,因?yàn)樗窃趯?shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造的。

神秘主義和超空間

這些概念中有些并不是新的。在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì) ,神秘主義者和哲學(xué)家紛紛猜測(cè)存在其他宇宙和它們之間的隧道。他們長(zhǎng)期以來(lái)一直沉迷于可能存在的其他世界 ,這些世界聽(tīng)不見(jiàn)、看不著 ,卻與我們的宇宙共存。他們被那些可能存在而未探知的冥冥世界所吸引。這些世界甚至可能近在咫尺,事實(shí)上包圍著我們并滲透到我們所到之處 ,只是它們正好超出了我們的物理理解力 ,避開(kāi)了我們的直觀感覺(jué)。不過(guò) ,這樣的沒(méi)有根據(jù)的議論是無(wú)用的。因?yàn)闆](méi)有實(shí)際的方法可以對(duì)這些思想列出正確的數(shù)學(xué)表達(dá) ,這些思想也不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。

我們的宇宙和其他維度之間的通道 (蟲(chóng)洞 )也是一個(gè)討人喜歡的文學(xué)題材?？苹米骷野l(fā)現(xiàn)高維是星際旅行必不可少的媒介。因?yàn)樵谔焐?,星星之間的距離非常大 ,科幻作家便將高維作為星星之間聯(lián)系的一個(gè)巧妙的捷徑?；鸺恍枰呗L(zhǎng)的路程到達(dá)其他星系 ,僅需在超空間中由圍繞它的時(shí)空彎曲實(shí)現(xiàn)加速后到達(dá)。例如 ,在電影《星際大戰(zhàn)》中,超空間是一個(gè)避難所 ,天行者盧克在那里可以安全地逃避帝國(guó)戰(zhàn)艦。在電視連續(xù)劇《際迷航 :深空九號(hào)》中,一個(gè)遙遠(yuǎn)的空間站附近的蟲(chóng)洞打開(kāi)了。這使得在星幾秒之內(nèi)穿越巨大距離的銀河系成為可能?？臻g站突然變成了激烈的競(jìng)爭(zhēng)中心 ,誰(shuí)能控制住這里 ,誰(shuí)就能掌握銀河系中通往其他地區(qū)樞紐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

10年前 ,美國(guó)一批軍用魚雷轟炸機(jī)第 19飛行大隊(duì)在加勒比地區(qū)消失。神秘小說(shuō)作家也用高維空間作為揭開(kāi)百慕大三角區(qū) (或魔鬼三角區(qū) )之謎的便捷的工具。有人推測(cè) ,在百慕大三角區(qū)消失的飛機(jī)和船只實(shí)際上進(jìn)入 了通往另一個(gè)世界的某種類型的通道。

這些難以捉摸的平行世界的存在也產(chǎn)生了無(wú)休止的長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)世紀(jì)的宗教推測(cè)。唯心論者在想,離去親人的靈魂是否進(jìn)入了另一個(gè)維度。17世紀(jì)英國(guó)哲學(xué)家亨利·莫爾 (HenryMore)認(rèn)為鬼和靈魂確實(shí)存在,并聲稱他們居住在第四維度。1671年他在《玄學(xué)手冊(cè)》中主張,存在一個(gè)超出了我們感官的虛空境界,它是幽靈和靈魂的家園。

19紀(jì)的神學(xué)家困惑于找不到天堂和地獄,心想是否能在更高的維度中找到它們。一些人提出一個(gè)由三個(gè)平行平面組成的宇宙:地球、天堂和地獄。根據(jù)神學(xué)家亞瑟 ·威林克 (Arthur Wilink)的說(shuō)法,上帝本人的家是在離這三個(gè)平面最遙遠(yuǎn)的地方,他生活在無(wú)限維中。

1870—1920年,人們對(duì)高維空間的興趣達(dá)到頂峰。那時(shí) “四維”(個(gè)不同于我們知道的時(shí)間第四維)抓住了公眾的想象力,并逐步滲透到藝一術(shù)和科學(xué)的每一個(gè)分支,成為陌生和神秘的隱喻。第四維度在奧斯卡 ·王爾德 (Oscar Wilde)、費(fèi)奧多爾 ·陀思妥耶夫斯基 (Fyodor Dostoyevsky)、馬塞爾 ·普魯斯特 (Marcel Proust)、 H.G.威爾斯 (H.G.Wels)、約瑟夫 ·康拉德 (JosephConrad)的文學(xué)作品中出現(xiàn)了。第四維度還啟發(fā)了亞力山大 ·斯克里亞賓 (AlexanderScriabin)、喬治 ·安塞爾 (GeorgeAntheil)的音樂(lè)作品。第四維度迷住了心理學(xué)家威廉 ·杰姆斯 (WiliamJames),文學(xué)家格特魯?shù)?·斯坦 (GertrudeStein)和社會(huì)主義革命家弗拉基米爾·列寧 (VladimirLenin)那種多樣化的性格。

第四維度也啟發(fā)了巴勃羅 ·畢加索 (PabloPicaso)和馬塞爾 ·杜尚 (MarcelDuchamp)的作品,極大地影響了立體派和表現(xiàn)主義的發(fā)展,這是兩個(gè)在20世紀(jì)最具影響力的藝術(shù)運(yùn)動(dòng)。藝術(shù)歷史學(xué)家琳達(dá)·達(dá)爾林普爾·亨德森 (LindaDalrympleHenderson)寫道,“像黑洞一樣,‘第四維度’具有神秘的特質(zhì),即使科學(xué)家自己也不完全理解。然而,它的影響卻比黑洞或任何其他最近的科學(xué)假說(shuō)更加廣泛 (1919年的相對(duì)論除外)?！?/p>

這種否定每一個(gè)常識(shí)性公理,符合邏輯而又奇異的另一種形式的幾何學(xué),同樣久久地引起了數(shù)學(xué)家們的好奇心。例如,在牛津大學(xué)任教的數(shù)學(xué)家查爾斯 ·道奇森 (CharlesL.Dodgson)以路易斯 ·卡羅爾 (Lewis Carol)為筆名寫書并傳播知識(shí)為學(xué)生們帶去快樂(lè)。他常將奇怪的數(shù)學(xué)思想寫進(jìn)他的書中。當(dāng)愛(ài)麗絲掉進(jìn)兔子洞或踏進(jìn)瞭望鏡時(shí),她進(jìn)入了奇境,一個(gè)奇怪的柴郡貓消失的地方 (只留下了微笑);神奇的蘑菇將孩子們變 成了巨人 ,瘋子哈特斯慶祝 “未出生日 ”;瞭望鏡以某種方式把愛(ài)麗絲的世界與一個(gè)陌生的地方連接起來(lái) ,在那里 ,人們用謎語(yǔ)交流 ,常識(shí)也不再成其為常識(shí)了。

路易斯 ·卡羅爾的一些靈感極有可能來(lái)自 19世紀(jì)偉大的德國(guó)數(shù)學(xué)家喬治·波恩哈德 ·黎曼 (GeorgeBernhardRiemann)。黎曼是第一個(gè)為高維空間奠定幾何數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)家。黎曼改變了下一個(gè)世紀(jì)數(shù)學(xué)研究的航向,他證明了宇宙雖然從表面上看很奇怪 ,但卻是完全自我一致的 ,服從它們自己的內(nèi)在邏輯。為了闡明這類思想 ,請(qǐng)?jiān)O(shè)想摞在一起的很多張紙 ,它們一張壓在另一張的上面?，F(xiàn)在想象每張紙代表一個(gè)世界 ,每個(gè)世界服從它自己的物理定律 ,不同于其他世界。這樣 ,我們的宇宙就不是孤獨(dú)的,而是許多可能的平行世界中的一個(gè)。智能生物可能居住在某個(gè)平面上,完全不知道其他世界的存在。在一張紙上可能會(huì)有愛(ài)麗絲的田園般的英國(guó)鄉(xiāng)村。在另一張紙上可能是一個(gè)奇怪的世界 ,住著奇境世界中的神秘生物。

通常 ,每個(gè)平行平面上的生命都是獨(dú)立于其他平面的。然而 ,在罕見(jiàn)的情況下 ,這些平面也會(huì)相交 ,片刻間撕裂空間本身的織物 ,打開(kāi)這兩個(gè)宇宙之間的洞或通道。像在《星際迷航 :深空九號(hào)》中出現(xiàn)的蟲(chóng)洞 ,這些通道使這些世界之間的旅行成為可能 ,像一個(gè)宇宙橋連接兩個(gè)不同宇宙或同一宇宙的兩點(diǎn) (圖1.2)。毫不奇怪 ,卡羅爾發(fā)現(xiàn)兒童相比成人 ,可以更開(kāi)放地接受不同觀點(diǎn)存在的可能性。成年人對(duì)空間和邏輯的偏見(jiàn)則日益僵化。事實(shí)上 ,黎曼的更高維度的理論 ,正如卡羅爾解釋的 ,已經(jīng)成為兒童文學(xué)和民間傳說(shuō)的一個(gè)永恒的一部分。幾十年來(lái) ,還誕生了其他的兒童經(jīng)典,如多蘿西的《綠野仙蹤》和潘裕文的《從來(lái)沒(méi)有土地》。

然而 ,由于缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)或引人注目的物理動(dòng)機(jī) ,因此平行世界的理論作為科學(xué)的一個(gè)分支失去了活力。2000多年來(lái) ,科學(xué)家偶爾撿起更高維度的概念 ,結(jié)果卻因?yàn)椴豢蓽y(cè)被認(rèn)為是愚蠢的想法而拋棄。雖然黎曼的高等幾何理論在數(shù)學(xué)上很有趣 ,但卻被人們認(rèn)為技巧性太強(qiáng)缺乏實(shí)際用處而不被人們重視。在高維理論上甘愿以他們的聲譽(yù)冒險(xiǎn)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn) ,自己正被科學(xué)界嘲笑。高維空間變?yōu)榱松衩刂髁x者、思想怪誕者和江湖術(shù)士們的避難所。

在本書中 ,我們將會(huì)研究這些早期開(kāi)拓者的工作。主要是因?yàn)樗麄冊(cè)O(shè)計(jì)了一種巧妙的方法 ,使非專業(yè)人士可以 “可視化 ”更高維度的物體的樣

圖1.2蟲(chóng)洞可以將宇宙和自己連接起來(lái) ,可能提供了一種星際旅行的方式。因?yàn)橄x(chóng)洞可以連接兩個(gè)不同的時(shí)間紀(jì)元 ,因此也提供了一種時(shí)間旅行的方式。蟲(chóng)洞還可以連接無(wú)限系列的平行宇宙。我們希望,超空間理論能夠確定蟲(chóng)洞的存在只是物理上的可能 ,還是數(shù)學(xué)上的奇想。

子。這些技巧將被證明是有用的,讓公眾可以更好地掌握這些高維理論。

通過(guò)研究這些早期的神秘主義者的工作,我們也能更清楚地看到他們的研究的缺陷。我們看到他們的推測(cè)缺乏兩個(gè)重要概念:物理和數(shù)學(xué)原理。從現(xiàn)代物理的視角,我們認(rèn)識(shí)到他們丟失的物理原理是———超空間簡(jiǎn)化了自然定律,超空間提供了僅靠純粹的幾何論證就能統(tǒng)一所有自然力的可能性。他們丟失的數(shù)學(xué)原理是———場(chǎng)論,它是理論物理學(xué)中普遍使用的數(shù)學(xué)語(yǔ)言。

場(chǎng)論:物理學(xué)的語(yǔ)言

場(chǎng)的概念最先是由偉大的 19世紀(jì)英國(guó)科學(xué)家邁克爾 ·法拉第 (MichaelFaraday)引進(jìn)的。法拉第是一個(gè)窮鐵匠的兒子,他是一位自學(xué)的天才,他設(shè)計(jì)了精心的電力和磁性的實(shí)驗(yàn)。他將 “力線”直觀化 (像植物展開(kāi)的長(zhǎng)藤), “力線”從磁和電荷發(fā)射到四面八方并充滿所有的空間。他在他的實(shí)驗(yàn)室中,用他的儀器可以測(cè)量任何一點(diǎn)的磁力或電荷的力線的強(qiáng)度。因此他可以在這一點(diǎn) (和空間中的任何點(diǎn))指定一系列數(shù)表示力的大小和方向。他把空間任何點(diǎn)的這些數(shù)字的總和作為一個(gè)單一的實(shí)體———一個(gè)場(chǎng)。[這里,有一個(gè)著名的關(guān)于邁克爾 ·法拉第的故事。由于法拉第的名聲遠(yuǎn)揚(yáng),經(jīng)常有好奇的旁觀者去拜訪他。當(dāng)人們問(wèn)他的工作有什么用時(shí),他會(huì)回答:“孩子有什么用?那就是他能長(zhǎng)大成人?！庇幸惶?當(dāng)時(shí)的財(cái)政大臣威廉 ·格拉斯頓 (Wiliam Gladstone)參觀了法拉第的實(shí)驗(yàn)室。格拉斯頓對(duì)科學(xué)一無(wú)所知,他諷刺地問(wèn)法拉第在他的實(shí)驗(yàn)室里的這些巨大的電氣裝置對(duì)英國(guó)有什么用。法拉第回答:“先生,我不知道這些機(jī)器將作何用,但我可以肯定有朝一日你能通過(guò)它們征稅?！苯裉?英國(guó)總財(cái)富的大部分都要?dú)w功于法拉第的勞動(dòng)成果。]

簡(jiǎn)單地說(shuō),一個(gè)場(chǎng)是空間每一點(diǎn)上完全描述了在那個(gè)點(diǎn)上的力的數(shù)據(jù)的集合。例如,在空間的每個(gè)點(diǎn)上的 3個(gè)數(shù)字可以描述磁力線的強(qiáng)度和方向?？臻g每一點(diǎn)的另外3個(gè)數(shù)字可以描述電場(chǎng)。法拉第在思考農(nóng)民耕種土地時(shí)得到場(chǎng)這個(gè)概念。農(nóng)民的土地占有二維空間區(qū)域。在農(nóng)民土地的每一點(diǎn)可以指定一系列的數(shù)字 (例如,描述在那一點(diǎn)上有多少種子)。然而,法拉第的場(chǎng)占據(jù)空間的三維區(qū)域。在每一點(diǎn)上,都有一系列的 6個(gè)數(shù)字描 述力的磁力線和電力線。

法拉第的場(chǎng)的概念有如此強(qiáng)大的威力,是因?yàn)樽匀坏乃械牧Χ寄鼙硎鰹閳?chǎng)的形式。不過(guò),在我們能夠理解這些力的本質(zhì)之前,我們還需要一個(gè)要素———我們必須建立這些場(chǎng)所遵守的方程。過(guò)去幾百年理論物理的進(jìn)展可以簡(jiǎn)潔地概括為 “尋找自然力的場(chǎng)方程”。

例如,19世紀(jì)60年代的蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯 ·克拉克 ·麥克斯韋 (k Maxwel)寫下了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方程。在 1915年,愛(ài)因斯坦

JamesCler發(fā)現(xiàn)了引力的場(chǎng)方程。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次錯(cuò)誤的嘗試后,在 20世紀(jì) 70年代,通過(guò)楊振寧 (C.N.Yang)和他的學(xué)生 R.L.米爾斯 (R.L.Mils)的早期工作,亞原子力的場(chǎng)方程最終被建立。這些控制亞原子粒子相互作用的場(chǎng)方程現(xiàn)在稱為楊 -米爾斯 (Yang-Mils)場(chǎng)。然而,使這個(gè)世紀(jì)物理學(xué)家困惑的是亞原子力的場(chǎng)為什么與愛(ài)因斯坦的場(chǎng)方程截然不同,即為什么核力與引力差別如此之大。一些物理學(xué)中的偉人一直致力于解決這個(gè)問(wèn)題,但都未獲得成功。

也許他們失敗的原因是落入了常識(shí)的俗套。如果僅局限在三維或四維,亞原子世界的引力的場(chǎng)方程就很難統(tǒng)一。超空間的優(yōu)點(diǎn)在于:楊 -爾斯場(chǎng)、麥克斯韋場(chǎng)、愛(ài)因斯坦場(chǎng),都可以舒適地放置在超空間場(chǎng)中。我米們看到,這些場(chǎng)在超空間中,非常合理地結(jié)合在一起,就像拼圖一樣。場(chǎng)論的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是,它允許我們精確地計(jì)算 空“間和時(shí)間形成蟲(chóng)洞所需的能量”。因此,與古人不同,我們有了數(shù)學(xué)工具來(lái)指導(dǎo)自己建造機(jī)器。也許有一天,我們能通過(guò)這些機(jī)器,彎曲空間和時(shí)間并實(shí)現(xiàn)我們的幻想。

創(chuàng)世的秘密

這是否意味著捕獵大型野獸的獵人現(xiàn)在可以開(kāi)始籌備去中生代獵殺大恐龍并展開(kāi)狩獵之旅了?不,索恩、古思和弗羅因德會(huì)告訴你,調(diào)查這些太空中的異常所需的能量遠(yuǎn)超出了地球上的任何能量。弗羅因德提醒我們,探測(cè)第十維度所需的能量是我們的最大的原子加速器所產(chǎn)生的能量的 1000萬(wàn)億倍。

將時(shí)空彎曲成結(jié)所需的能量非常大,大到在今后幾百年甚至幾千年我們也無(wú)法獲得。即便世界上所有的國(guó)家都團(tuán)結(jié)起來(lái),建設(shè)一個(gè)可以探測(cè)超 空間的機(jī)器 ,最終的結(jié)果也是失敗。并且 ,正如古思指出的 ,在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建一個(gè)嬰兒宇宙需要的溫度是 1×1027攝氏度 ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們能提供的溫度。事實(shí)上 ,這個(gè)溫度甚至高于任何恒星內(nèi)能中的溫度。因此 ,雖然愛(ài)因斯坦定律和量子論定律有可能允許時(shí)間旅行 ,但這難以在我們地球人的能力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。我們現(xiàn)有的能力只允許我們可以勉強(qiáng)逃脫我們星球的微弱引力場(chǎng)。我們對(duì)蟲(chóng)洞研究的含意大為驚訝的同時(shí) ,也體會(huì)到蟲(chóng)洞的潛力只能為更先進(jìn)的外星文明所利用。

只有一個(gè)時(shí)間周期實(shí)際具有這樣巨大的能量規(guī)模 ,那就是在創(chuàng)世的瞬間。事實(shí)上 ,超空間理論不能用我們最大的原子加速器測(cè)試 ,因?yàn)檫@個(gè)理論實(shí)際上是創(chuàng)世理論。只有在宇宙大爆炸的瞬間可以看到超空間理論在發(fā)揮作用。這就提出了一個(gè)激動(dòng)人心的可能性 ,超空間理論可以解開(kāi)宇宙起源的秘密。

引入更高的維度可能是撬開(kāi)創(chuàng)世秘密必不可少的鑰匙。根據(jù)這個(gè)理論,在大爆炸之前 ,我們的宇宙是一個(gè)完美的十維宇宙 ,一個(gè)可能實(shí)現(xiàn)超時(shí)空旅行的宇宙。然而 ,這個(gè)十維度宇宙是不穩(wěn)定的 ,它最終 “破解 ”為兩個(gè)宇宙 ,創(chuàng)建了兩個(gè)分離的宇宙 :一個(gè)四維宇宙和一個(gè)六維宇宙。我們生活的宇宙即是在這次宇宙災(zāi)難中誕生的。我們的四維宇宙爆炸式膨脹 ,而孿生的六維宇宙劇烈收縮 ,直到它收縮到無(wú)窮小。這也許解釋了大爆炸的起源。如果這是正確的 ,這個(gè)理論則說(shuō)明宇宙的迅速膨脹只是一個(gè)更大的宇宙災(zāi)難性事件的一個(gè)很小的余震 ,在這個(gè)大災(zāi)難中空間和時(shí)間本身裂開(kāi)了。于是 ,驅(qū)使可觀測(cè)到的宇宙膨脹的能量 ,正是存在于十維空間和時(shí)間的坍縮之中。根據(jù)這個(gè)理論 ,遙遠(yuǎn)的恒星和星系便以天文數(shù)字般的速度遠(yuǎn)離我們而去 (因?yàn)槭S空間和時(shí)間的坍縮)。

這個(gè)理論預(yù)言 ,我們的宇宙有一個(gè)矮人雙胞胎 ,一個(gè)伴宇宙。它卷曲成一個(gè)六維的小球 ,其尺寸太小 ,我們無(wú)法觀察。這個(gè)六維度的宇宙并非是我們世界無(wú)用的附屬物 ,它最終極可能成為我們的救贖。

逃避宇宙的死亡

人們常說(shuō) ,人類社會(huì)唯一不變的就是死亡和稅收。對(duì)于宇宙學(xué)家 ,唯一可以確定的是宇宙終有一天會(huì)死亡。一些人認(rèn)為宇宙的最終死亡會(huì)以大 坍縮的形式到來(lái)。引力會(huì)逆轉(zhuǎn)大爆炸產(chǎn)生的宇宙膨脹,并將恒星和星系再次拉回到一起,成為一個(gè)原始的質(zhì)量。隨著恒星的收縮,宇宙中的溫度將急劇上升,直到宇宙中所有的物質(zhì)和能量集中陷入一個(gè)巨大的火球,并將我們所認(rèn)知的宇宙摧毀。所有的生命形式都將被毀滅,不會(huì)存在任何僥幸者。像查爾斯 ·達(dá)爾文 (CharlesDarwin)和伯特蘭 ·羅素 (Bertrand Rusel

)那樣的科學(xué)家和哲學(xué)家也悲哀地寫道,“我們可憐的努力都是徒勞,因?yàn)槲覀兊奈拿髟谑澜缒┤諘r(shí)終將無(wú)情地死亡?！蔽锢硪?guī)律顯然已向宇宙中所有的智慧生命發(fā)布了最終的、不可撤銷的死亡令(。

據(jù)已故哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家杰拉爾德·費(fèi)因伯格 GeraldFeinberg)的說(shuō)法,有且只有一個(gè)逃避最終災(zāi)難的希望。他推測(cè),幾十億年后智慧生命最終能掌握高維空間的奧秘,將使用其他維度作為一個(gè)逃生艙口逃出危機(jī)。在我們的宇宙崩潰的最后時(shí)刻,我們的姐妹宇宙將再次開(kāi)放,超空間旅行將成為可能。因?yàn)樵谑澜缒┤盏絹?lái)之前的最后時(shí)刻,所有的物質(zhì)都被粉碎,所有的智慧生命形式都可以通過(guò)隧道進(jìn)入高維空間或另一個(gè)宇宙,避免看似不可避免的我們的宇宙的死亡。然后,在高維空間這個(gè)避難所這些智慧生命也許能夠見(jiàn)證崩潰的宇宙陷入一片火海。當(dāng)我們的宇宙家園被粉碎得面目全非時(shí),氣溫將劇烈上升創(chuàng)建另一次大爆炸。這些智慧生命在多維空間的有利位置,將能在前排座位上看到罕見(jiàn)的科學(xué)現(xiàn)象,看到另一個(gè)宇宙和他們的新家的誕生。

超空間的主人

場(chǎng)論表明,要?jiǎng)?chuàng)造這些奇妙的空間和時(shí)間彎曲所需要的能量遠(yuǎn)超現(xiàn)代文明能掌握的一切。這也引出了兩個(gè)重要的問(wèn)題:其一,我們的知識(shí)和能力正在以指數(shù)的形式增長(zhǎng),我們的文明要何時(shí)才能達(dá)到掌握超空間理論的地步?其二,在宇宙中的其他智慧生命又是什么樣的,他們是否已經(jīng)達(dá)到了可以利用超空間理論的地步?

這個(gè)討論使人感興趣的原因是那些嚴(yán)肅的科學(xué)家們?cè)噲D對(duì)未來(lái)的文明進(jìn)程作出定量判斷———到那時(shí),空間旅行將變得司空見(jiàn)慣;鄰近的恒星系統(tǒng)甚至星系也可能被人類殖民。雖然操控超空間所需要的能量是巨大的,但這些科學(xué)家指出,在未來(lái)幾個(gè)世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的增長(zhǎng)可能會(huì)繼續(xù)以指數(shù)形 式上升 ,超過(guò)了人類的大腦理解它的能力。自第二次世界大戰(zhàn)以來(lái) ,科學(xué)總量大約每 10—20年就翻一番 ,所以科學(xué)技術(shù)在 21世紀(jì)的進(jìn)展可能超越我們最大的期望。今天只能夢(mèng)想的技術(shù)在未來(lái)世紀(jì)可能變得司空見(jiàn)慣。因此,我們可以討論這個(gè)問(wèn)題 ,我們何時(shí)能成為超空間的主人。

時(shí)間旅行、平行宇宙、多維窗口

這些概念本身就處在我們理解物質(zhì)宇宙的前沿。然而 ,由于超空間理論是一個(gè)真正的場(chǎng)論 ,我們最終希望它能給出一種數(shù)量上的答案 ,來(lái)確定這些使人感興趣的概念是否具有可能性。如果這個(gè)理論給出的答案是荒謬的,與物理學(xué)數(shù)據(jù)相違背 ,那么 ,無(wú)論它在數(shù)學(xué)形式上多么優(yōu)雅也必須遭到我們的拋棄。最后的決定權(quán)在物理學(xué)家而不在哲學(xué)家。但是 ,如果超空間理論被證明是正確的 ,且解釋了現(xiàn)代物理學(xué)的各種對(duì)稱性 ,那么它將開(kāi)創(chuàng)一場(chǎng)也許等同于哥白尼或牛頓式的革命。

為了對(duì)這些概念有一個(gè)直觀的理解 ,我們需要從頭開(kāi)始講述。在我們習(xí)慣十維之前 ,我們首先要學(xué)會(huì)如何操控四維空間。我們將利用歷史的例子探討幾十年來(lái)科學(xué)家所做的巧妙的嘗試 ,給出高維空間一個(gè)有形的視覺(jué)表現(xiàn)。因此 ,本書的第一部分將強(qiáng)調(diào)發(fā)現(xiàn)高維空間背后的歷史 ,從開(kāi)啟它的數(shù)學(xué)家喬治 ·波恩哈德 ·黎曼 (GeorgeBernhardRiemann)開(kāi)始。黎曼在預(yù)期下一個(gè)世紀(jì)科學(xué)的進(jìn)步時(shí) ,他首次說(shuō)出 :“自然在高維空間幾何中可以找到它的天然歸宿?！?/p>

[1]這個(gè)難以置信的小距離將在這本書中不斷重現(xiàn)。它是任何引力量子理論的典型的基本尺度。道理很簡(jiǎn)單。在任何引力理論中 ,引力的強(qiáng)度皆是用牛頓常數(shù)來(lái)測(cè)量的。然而 ,物理學(xué)家使用了一組簡(jiǎn)化的單位。在這8套單位中 ,光速 c被設(shè)置為 1。這意味著 1秒相當(dāng)于 186000英里 (3×10米)。另外 ,普朗克常數(shù)與 2π相除也等于 1,這樣在秒和能量單位爾格之間建立了一種數(shù)值關(guān)系。在這些奇怪但又方便的單位中 ,所有東西 (包括牛頓常數(shù) )都可以簡(jiǎn)化到厘米。當(dāng)我們計(jì)算這個(gè)與牛頓常數(shù)相關(guān)的長(zhǎng)度時(shí),它恰好是普朗克長(zhǎng)度 ,即 10-33厘米或 1027電子伏特。因此 ,所有的量子引力效應(yīng)都是以這個(gè)極小的距離來(lái)衡量的。特別是 ,這些看不見(jiàn)的更高維度的尺寸就是普朗克長(zhǎng)度。