超越时空的世界

超越时空的世界_超空间

我想知道上帝如何创造这个世界 ,我对这种或那种现象不感兴趣。我想知道 “他”的思想 ,其他都是细节。

———阿尔伯特 ·爱因斯坦

一个物理学家的教育

童年时的两次偶然事件极大地丰富了我对世界的理解 ,并引领我走上成为理论物理学家的道路。

我记得父母有时会带我参观三藩市著名的日本茶园。我当初最幸福的记忆是 ,蹲在池塘边沉迷于荷花下缓慢游动的鲜艳的鲤鱼。

在这些安静的时刻 ,我自由地让我的想象漫游。我会问自己傻傻的只有孩子才会问的问题 ,如池塘的鲤鱼会如何看它周围的世界。我想 ,它们的世界一定奇妙无比 !

鲤鱼一生都生活在这浅水池塘中 ,它们相信它们的 “宇宙 ”是由浑水和荷花构成的。它们绝大部分时间在池塘的底部觅食 ,它们会模糊地意识到,在水面之上可能存在一个陌生的世界。我们所处世界的性质超出了它们的理解范围。有趣的是 ,我坐的地方距鲤鱼仅有英寸远的距离 ,但我与它们却似乎相距甚远。鲤鱼和我生活在两个不同的宇宙 ,但我们并不会侵犯到彼此的世界 ,两个不同的宇宙仅被水的表面这个最薄的屏障分开。

我曾经想象过 ,可能鲤鱼中也有鲤鱼 “科学家 ”。我想 ,它们会嘲笑提出在荷花之上存在一个平行世界的任何一条鱼。对一位鲤鱼 “科学家 ” 来说 ,唯一真实的东西是鱼能够看到或触摸到的东西。这个池塘就是一切。超出这个池塘的看不见的世界是没有科学意义的。

有一次下暴雨 ,成千上万的小雨滴落到池塘的水面上。池塘水面被雨水扰乱了 ,荷花被水波推得四面摇晃。我躲避着风雨 ,心里想着 ,这一切对鲤鱼来说会是什么样子。对它们来说 ,荷花似乎是自己在移动 ,没有任何东西推它。因为它们生活在水中 (如同我们周围的空气和空间 ),而看不见水外的世界。它们会为荷花可以自己晃动而感到困惑。

我曾想 ,它们的 “科学家 ”也许会编造一个巧妙的叫做 “力”的发明来掩饰它们的无知。它们无法理解在看不见的水的表面存在波 ,它们会得出这样的结论 ———荷花之所以能在不被触摸的状况下运动 ,是因为存在一种看不见的神秘的力作用在它的身上。它们可能会给这个幻觉一个令人印象深刻的 ,崇高的名称 (如超距作用 ,或荷花有不受接触就能移动的能力)。

我继续假想 ,如果我将手伸到水里 ,从池塘里捞出一条鲤鱼 科“学家”会发生什么 ?在将它放回水里之前 ,在我检查它时它会剧烈地扭动。我想 ,其他鲤鱼会如何看待此事。对它们来说 ,这将是一个真正令其不安的事件。它们首先会注意到它们的一位 “科学家 ”从它们的宇宙消失了 ,且没有留下任何痕迹。它们在自己的世界中四处寻找 ,却了无音讯。然后,几秒钟后 ,我将它放回到池塘中 ,“科学家 ”又突然从它们的世界中冒了出来。对其他鲤鱼来说 ,这真是一个奇迹。

这个鲤鱼 “科学家 ”惊魂稍定 ,给鲤鱼们讲述了一个令人吃惊的故事。它说 ,“没有任何预告 ,不知怎么我就被举出了宇宙 (池塘 ),被抛到一个神秘的虚空世界 ,看见了从未见过的炫目的灯和奇形怪状的物体。最奇怪的是抓住我的那个动物一点也不像鱼。我震惊地发现它没有鳍 ,更神奇的是 ,它没有鳍也能运动。我吃惊地发现我们熟悉的自然规律在这个幽冥世界不再适用。然后 ,我突然发现自己又被扔回到我们的宇宙中。” (当然,这个超越宇宙之旅是荒诞的 ,大多数的鲤鱼会将这个 “科学家 ”的言论当作胡话。)我常想 ,我们与那些心满意足地生活在池塘中的鲤鱼也许没什么区别。我们生活在自己的 “池塘 ”中,相信我们的宇宙只有那些我们可以看到或触摸到的东西。像鲤鱼一样 ,我们的宇宙仅由熟悉的和人类可见的事物组成。我们自以为是地拒绝承认在我们生活的宇宙周围存在我们尚不能 掌握和认知的平行宇宙或多维空间。我们的科学家发明了像力这样的概念,也许只是因为他们无法想象我们周围的空虚空间的无形的振动。一些科学家甚至嘲笑高维世界的说法 ,是因为他们不能在实验室中便利地验证它。

从那时起 ,我就一直对存在高维世界的可能感到痴迷。像大多数孩子一样 ,我如饥似渴地阅读这一类型的冒险故事。这些故事中的时间旅行者进入其他维度探索不可见的、常规物理定律不再适用的平行宇宙。我越来越想知道 ,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个洞中;我惊叹于艾萨克 ·阿西莫夫的 “基地 ”系列科幻小说 ,书中对超空间旅行的发现导致了一个银河帝国的崛起。

我童年的第二个事件也深深地、持久地影响着我。当我 8岁时 ,我听到一个故事 ,此后 ,这个故事一直留在了我的脑海。我记得我的老师给我们讲述了一个已故的伟大科学家的故事。老师对他非常崇敬 ,称他为历史上最伟大的科学家之一。老师说很少有人能理解他的想法 ,但他的发现改变了整个世界和我们周围的一切。我当时并不清楚老师希望通过这个故事给我们传达什么 ,但我对这个故事中的科学家产生了极大兴趣。他在去世前也未能完成自己的伟大发现。老师说这个科学家花费了若干年的时间在这个理论研究上 ,直到他去世时 ,他的桌子上仍放着未完成的文章。我对此产生了极大的好奇。

我被这个故事迷住了。在孩子的眼中 ,这是一个伟大的秘密 ———他的未完成的工作是什么 ?在他书桌上的这篇文章写的是什么 ?什么问题如此困难以至这样伟大的科学家用毕生的精力追求 ?我小心翼翼地决定学习有关阿尔伯特 ·爱因斯坦 (AlbertEinstein)的一切以及他那未完成的理论。我记得 ,我花了很多的时间安静地阅读我能找到的关于这个伟人和他的理论的每一本书。当我读完我们当地图书馆中所有与他有关的书籍后 ,我开始搜寻整个城市的图书馆和书店 ,急切地希望寻找更多的与他相关的线索。我很快了解到 ,这个故事远比精彩的谋杀案的秘密更刺激 ,甚至比我们能想象到的任何事情都重要。我决定要对这一秘密刨根问底 ,即便是为此必须成为一名理论物理学家也在所不辞。

我很快得知 ,爱因斯坦桌上未完成的文章就是他试图构造的所谓的统一场论。这是一个可以解释一切自然规律的理论 ,从最小的原子到浩瀚的星系。然而 ,作为一个孩子 ,我不能理解畅游在茶园池塘里的鲤鱼与爱因 斯坦桌上未完成的文章也许存在的关联。我更不可能理解只有高维空间才是解决统一场论的关键。

后来 ,在高中阶段 ,我读遍了本地大部分图书馆中这方面的书籍 ,并常常造访斯坦福大学的物理图书馆。在那里 ,我偶然发现了一个事实 ,爱因斯坦的工作使一种新的被称为反物质的物质具有存在的可能性。反物质的作用与普通物质相似 ,反物质与物质相接触 ,自身就会消失并产生能量爆发。我知道当时的科学家已建造了大型机器 (或称为 “原子加速器 ”),这种机器能在实验室中产生微量的这种奇特物质 ———反物质。

年轻的优点是对世俗的约束无所畏惧 ,而这些约束通常对大多数成年人来说是不可逾越的。我开始建立自己的原子加速器 ,却丝毫没有考虑其间可能会经历的困难和障碍。我不停地研究科学文献 ,直到相信自己拥有建立一个电子感应加速器的能力。这种加速器可以将电子激发到数百万电子伏特 (100万电子伏特是指电子被 100万伏电场加速所获得的能量)。

首先 ,我购买了少量的钠 22,它是一种能自然地放射正电子 (电子的反物质对应 )的放射性物质。然后 ,我建造了一个云室 ,使亚原子粒子留下的轨迹可见。我拍摄了成百上千张反物质留下的痕迹的精美照片。接下来,我在周围地区清理了一个大型电子仓库以组装必要的硬件 ,包括几百磅废旧变压器钢。在我的车库 ,我将组装 230万伏的电子感应加速器 ,它强大到足以产生反电子束。为建造电子感应加速器所需的强大磁力 ,我说服了我的父母 ,让他们帮助我在我读高中的那个学校的足球场中缠绕了 22英里 (35公里 )长的铜线。我将整个圣诞假日都花费在了这条 50码 (46米)长的线路上 ,以便缠绕和安装笨重而巨大的线圈 ,这种线圈可以使高能电子的运动路径发生弯曲。

最后建成的 300磅 (136公斤 )重,6000瓦的电子感应加速器耗尽了我的房子所有的每一盎司能量。当我打开它时 ,通常会烧断每根保险丝 ,房子变得漆黑一团。随着房子周期性地陷入黑暗 ,我的母亲常常摇头 (我想,她可能困惑于她的孩子为何不去打棒球或篮球 ,而一定要在车库里建造这些巨大的电气设备?)。我庆幸的是 ,这台机器成功地产生了比地球磁场强 20000倍的为加速电子束所需的磁场。

直面第五维度

由于家境并不宽裕,我的父母担心我不能继续我的试验和我的教育。幸运的是,我赢得的各种科学项目的奖励引起了原子科学家爱德华 ·泰勒 (EdwardTeler)的注意。他的妻子慷慨地为我作了安排,让我收到了一份为期4年的哈佛大学的奖学金,允许我在那里可以实现自己的梦想。

具有讽刺意味的是,尽管在哈佛我开始了自己在理论物理学方面的正规教育,但也正是在这里,我对高维度的兴趣逐渐熄灭。像其他物理学家一样,我开始严格而彻底地分别学习自然界中每一种力所对应的高等数学的表达形式。这些自然力彼此之间是完全孤立的。我记得,曾经为我的导师解电动力学的一个问题,然后我问他,如果空间在高维中是弯曲的,这个问题的解将会是什么。他用一种奇怪的眼光看着我,好像我是个精神失常的疯子。像比我先来的人一样,我很快学会了放下孩提时关于高维空间的幼稚观念。我被告知,超空间理论不是严肃学习的合适对象。

我对这种脱节的研究物理的方法感到不满,我的思绪常常会飘回到生活在茶园池塘里的鲤鱼身上。虽然我们常用的电学和磁学的方程式在19世纪就被麦克斯韦发现且一直被完美地应用,但这些方程式似乎也是武断的。我认为物理学家像鲤鱼一样发明了这些 “力”来掩盖我们对物体互不接触而能移动的无知。

我在研究中了解到,19世纪有一场大争论———光是如何在真空中传播(事实上,从恒星发出的光可以通过外部空无一物的空间毫不费力地传播的好几万亿英里)。实验也毫无疑问地证明了光是一种波。如果光是一种波,那就需要一些使它发生 “波动 ”的介质。声波需要空气,水波需要水,但真空中没有东西可以使光波动。于是,我们设立了一个悖论。如果没有使光波动的介质,光如何成为波呢?所以,物理学家创造出了一种称为以太的物质,以填补真空中光的介质。然而,实验结果却无可辩驳地证明了 “以太”并不存在。(奇怪的是,直到今天,物理学家对这一难题仍没有作出正确回答。但几十年来,我们却对这样的思想习以为常:即使不存在介质,光也能在真空中以波的形式传播)后来,我成为伯克利加州大学物理系研究生。我十分偶然地发现了一 个替代理论。尽管这个理论存在争议 ,但它能解释光为何可以通过真空旅行。这一理论是如此古怪 ,当我偶然发现它时十分震惊。这种震惊与美国人乍闻肯尼迪总统被枪杀的感觉颇为相似。他们能永久记住听到这个惊闻消息的那一刻 ,自己正在干什么 ,正在和谁说话。我们物理学家在第一次邂逅卡鲁扎 -克莱因理论时也受到了极大震动。因为这个理论被认为是一种疯狂的推测 ,因而从不在研究生课程上讲述。于是 ,年轻的物理学家只能在有关读物中偶然地去发现它。

这个替代理论给光作了最简单的解释 :它实际上是一个五维 (或如神秘主义者通常所说的那个第四维度 )的振动。如果光可以穿过真空 ,这是因为真空本身是振动的 ,因为 “真空 ”实际存在于四个维度的空间和一个维度的时间之中。通过添加第五维度 ,引力和光就能以惊人的简单的方式统一起来。回顾我童年的茶园经历 ,我突然意识到这正是我一直在寻找的数学理论。

然而 ,老的卡鲁扎 -克莱因理论存在许多困难的技术问题 ,这使它在面世半个世纪以来一直被束之高阁。但是 ,过去 10年中所有这一切都发生了改变。基于这一基础理论的更高级的翻版理论 ,如超引力理论 ,特别是超弦理论 ,已最终消除了该理论的不自洽性。突然间 ,高维理论的研究在全世界的研究实验室中被检验并倡导。现在世界上许多顶尖物理学家相信,在普通的思维时空之外 ,存在更高的维数。这个想法 ,实际上已成为了激烈的科学研究的焦点。事实上 ,许多理论物理学家现在认为 ,更高的维度可能是创造一个统一自然规律的全面理论 ———超空间理论 ———的决定性步骤。

如果超空间理论被证明是正确的 ,那么未来的科学史家可能会记录下:在20世纪的科学中实现了一个伟大的概念革命 ,超空间理论可能是解开自然最深处的秘密与 “创世 ”的钥匙。

这个开创性的概念已引发了科学研究的雪崩 :全世界的重要的实验室写下几千篇文章致力于探索超空间的性质。《核物理》和《物理快报》两大领先科学杂志都发表了大量文章分析这个理论。200多个国际物理会议已资助探索高维空间的研究。

不幸的是 ,我们还远远不能用实验验证宇宙存在于更高维度。(需要什么才能证明该理论的正确性 ,以及可能的开发超空间能力的问题 ,将在本书后部分讨论。)然而 ,这一理论现已成为现代理论物理学的一个合法 分支并牢固地确立起来。例如 ,爱因斯坦度过他生命最后几十年的普林斯顿高等研究院 (本书的写作地 ),现在正是高维时空研究的活跃中心之一。

史蒂文 ·温伯格 (Steven Weinberg),1979年获得诺贝尔物理学奖。他最近总结这个概念革命时评论说 ,理论物理似乎越来越变得像科幻小说。

为什么我们不能看到更高的维度 ?

这些革命性的思想初看起来似乎很奇怪 ,因为我们理所当然地认为我们生活在三维世界之中。已故物理学家海因茨 ·帕格尔斯 (HeinzPagels)指出 ,“我们的物理世界的一个特征是如此之明显 ,以至于大多数人从未怀疑过空间是三维的这一事实 ”。几乎是出于本能 ,我们知道任何物体都可以通过给出它的高度、宽度和深度来描述。通过给出三个数字可以找到空间中的任何位置。如果我们想约某人在纽约吃午饭 ,我们说 ,“在四十二街和第一大道拐角处的大楼 24层见。”头两个数字为我们提供了街道的角落 ,第三个数字则描述了约会地离地面的高度。

飞机上的飞行员也能用三个数字来确定他们的准确位置 ———高度和地图上确定其位置的两个坐标。事实上 ,指定这三个数字可以确定世界上的任何位置 ,从鼻尖到可见宇宙的末端。即使幼儿也明白这个道理 :对幼儿的测试表明 ,他们如果爬到一个悬崖的边缘 ,会在边缘处望一望 ,再爬回来。幼儿除了本能地理解 “左”、“右”、 “向前 ”、 “向后 ”外,他也能本能地理解 “上”、 “下”。因此 ,直观的三维概念从童年时代就扎根于我们的脑海。

爱因斯坦将这个概念作了扩展 ,将时间作为第四维度包括了进来。例如,为了与某人共进午餐 ,我们必须指定时间。比如 ,下午 12:30在曼哈顿见面。即规定了一个事件 ,我们还需要描述它的第四个维度 ———事件发生的时间。

今天的科学家有兴趣超越爱因斯坦的四个维度的概念。当前科学兴趣集中在第五维度 (在一维时间和三维空间之外的那个维度 )和更高维度。 (为了避免混乱 ,贯穿本书 ,我按照习俗称第四维为超过长度、宽度和高度的空间维度。物理学家们实际上称此为第五维度 ,但我遵循历史先例。 我们称时间为第四时间维度。)我们如何看见第四个空间维度 (即第五维度)?

问题是我们无法看见。高维空间是不能用人类的眼睛观察到的。因此,即使尝试也是徒劳。德国著名物理学家赫尔曼 ·冯 ·亥姆霍兹 (HermannvonHelmholtz)将不能 “看见”第四维与盲人无法构想颜色的概念相比较。不管我们如何滔滔不绝地向盲人描述 “红色”的特征,但任何语言都不能确切地将颜色含义告知盲人。即使是在超空间领域工作多年的有经验的数学家和理论物理学家也会承认他们无法将其可视化。相反,他们只能返回到数学方程的世界。尽管数学家、物理学家、计算机专家在解多维空间的方程时并没有什么困难,但人类却不可能想象可视化超出他们自己的宇宙。

充其量,我们可以使用上世纪末本世纪初数学家兼神秘主义者查尔斯·辛顿 (CharlesHinton)设计的各种数学技巧,可视化高维物体的投影。其他数学家,如布朗大学的数学系主任托马斯 ·班科夫 (Thomas Banchof)也写出了一个计算机程序,他能将高维物体的投影投射到二维的计算机屏幕上,使我们能操纵它。就像古希腊哲学家柏拉图说的那样,如同洞穴居民抱怨只能看到洞外丰富生活的暗淡的灰色的阴影,班科夫的计算机也只允许我们看到高维物体的投影。(事实上,由于进化的原因,我们不可能可视化更高的维度。我们的大脑已经进化为可以处理三维中的无数的紧急事件。我们可以通过及时地不停地思考对扑面而来的狮子或恶意进攻的大象作出反应。一个人如果能更好地可视化物体在三个维度中如何移动、旋转和扭曲,相比于那些不能可视化这些运动的人就具有了明显的生存优势。遗憾的是,从进化的角度,人类并无必要去掌握四维空间中的运动。能够看到四维空间无助于人们抵御杀气腾腾的剑齿虎。狮子和老虎不会通过第四维度袭击我们。)自然法则在更高维度上更简单

彼得·弗罗因德 (PeterFreund)是芝加哥大学著名的恩里科费米学院的一位理论物理学教授,他喜欢用有关高维宇宙的性质来愉悦观众。弗罗因德是一位超空间理论的早期开拓者,那个时候主流物理学认为超空间 是一种奇谈怪论。多年来 ,弗罗因德和一小组科学家孤立地研究高维科学。但现在 ,它终于成为时尚的和合法的科学研究分支。使他高兴的是 ,他发现他的早期努力终于得到了回报。

弗罗因德不是那种狭隘的、顽固的、凌乱的、传统的科学家形象。相反,他彬彬有礼、善于表达、有教养 ,并具有狡猾的、顽皮的笑容。他常常将快速突破的科学发现以迷人的故事形式讲述给普通听众。他能轻松自如地在黑板上书写密密麻麻的杂乱的方程式或在鸡尾酒会上轻松地开玩笑。他说话带着浓郁的罗马尼亚口音。弗罗因德有一种罕见的本领 ,他总能以一种生动的迷人的风格解释最神秘的复杂的物理概念。

弗罗因德提醒我们 ,传统上的科学家是以怀疑的态度看待高维的 ,因为它们不能被测量 ,也没有任何特别的用途。然而 ,今天越来越多的科学家认识到 ,任何一种三维理论都 “太小了 ”,三维理论无法描述支配我们宇宙的力。

正如弗罗因德强调的 ,在物理学过去 10年间贯穿的一个主题是 :自然法则在高维中变得越来越简单 ,越来越优雅 ,高维是它们的天然的家。光和引力的规律在高维时空中表达时找到了一个天然的表达式。统一自然规律的关键一步是增加时空的维数 ,增加到可以容纳更多的力。在更高的维度我们有足够的 “空间 ”来统一所有已知的物理力。

弗罗因德在解释为什么高维度激发了科学世界的想象时使用了以下比喻:“思考一下猎豹这个溜光的、美丽的在地球上跑得最快的动物 ,它自由漫步在非洲的大草原上。在它的自然栖息地 ,它是一个瑰丽的动物 ,几乎是一件艺术品 ,它的奔跑速度和奔跑动作的优雅简直无与伦比。现在 ,”他继续说道 ,“想象一只被捕获并被扔进动物园笼子里的悲惨的猎豹。它失去了原来的优雅和美丽 ,被迫表演以取悦人们。我们看到的是笼中猎豹的消沉的意志 ,而看不到它原有的威力和优雅。我们可以将猎豹比作物理规律 ,它在自然环境中是美丽的。物理规律的自然栖息地是高维时空。然而 ,只有在它们支离破碎地摆放在笼子里时才能被测量 ,这个笼子就是我们的三维实验室。我们只有在猎豹的优雅和美丽被剥夺之后才能看到它。”

几十年来 ,物理学家一直在思考为什么自然界的四种力看起来如此支离破碎 ,为什么 “猎豹 ”在它的笼子里看起来如此可怜和消沉。弗罗因德说,这四种力看起来大不相同的根本原因是我们一直在观察 笼“中的猎豹”,我们的三维实验室是物理定律的毫无生机的动物园的笼子。但是 ,当我们在它们的自然栖息地高维时空中制定定律时 ,我们才能看到它们真正的辉煌和力量。在那里 ,定律变得简单而强大。现在席卷物理的革命是认识到超空间也许是猎豹的天然家园。

为说明为何添加更高的维度可以使事情变得更简单 ,试想古罗马人是怎样打那些重大战役的。罗马战争包含很多较小的战场 ,战争双方都收到来自不同方向的谣言和误传 ,将战事弄得混乱不堪。由于战斗在几个前沿地带猛烈地进行 ,罗马将领经常是盲目指挥。罗马人通常是因为野蛮力量而取得胜利 ,并非优雅的战略。这就是为什么战争的首要原则之一是占领高地 ———上到第三维度审视二维战场。从一个大山的有利位置观察全景战场,战争的混乱程度骤然降低。换句话说 ,从第三维度看 (即从山顶看 ),众多较小的混乱战场将集成一个连贯的单一画面。

这个原理 ———自然规律在高维中表达将变得更简单 ———的另一个应用,是爱因斯坦狭义相对论背后的中心思想。爱因斯坦揭示了时间是第四维,他表明了空间和时间可以方便地在四维中统一起来。这反过来又不可避免地导致用空间和时间测量的所有物理量 (如质量和能量 )的统一。他还找到了质量和能量统一的精确的数学表达式 :E=mc2。也许 ,这是所有科学方程中最著名的质能公式。(高维理论绝不仅是一个学术理论 ,因为爱因斯坦理论最简单的结果是原子弹 ,它改变了人类的命运。在这个意义上,高维理论的引进是人类历史上最关键的科学发现。)为了欣赏这种统一的巨大力量 ,现在我们来描述这四种基本力。强调它们如何不同 ,如何在高维中给出这四种力的统一表述。在过去 2000年间,科学家们发现宇宙中的所有现象可以化归为四种力 ,它们从一开始就彼此互不相似。

电磁力

电磁力以多种形式存在 ,包括电、磁和光本身。电磁力照亮了我们的城市 ,可使收音机和音响播出的音乐填满整个空间 ,可让我们看电视 ,可用电器减轻家务劳动 ,可用微波炉加热我们的食物 ,可用雷达跟踪飞机和 空间探测器 ,可使我们的发电厂电气化。最近 ,电磁力已被用于电子计算(这使办公室、家庭、学校、军队大为改观 )和激光 (这对于通信、外科机手术、光盘、五角大楼高级武器系统 ,甚至杂货店的收银台都具有重大意义)。在某种意义上 ,整个地球超过半数的国民生产总值 (它代表着人类积累的财富 )都依赖于电磁力。

强核力

强核力为恒星燃烧提供能量。它使群星闪耀 ,创造出灿烂的、给予生命的阳光。如果这个强大的力量突然消失 ,太阳会变暗 ,地球上的所有生命将终结。事实上 ,一些科学家认为恐龙是在 6500万年前灭绝的 ,那时彗星撞击的碎片进入了地球的大气层 ,让大地昏暗 ,整个行星的温度暴跌。具有讽刺意味的是 ,强核力也可以在一天之内收回它曾经赠与的那些生命。如果不限制氢弹爆炸 ,强核力将有可能在一天之内结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变。因为放射性物质在衰变或破裂时会放出热量 ,弱核力有助于加热地球内部深层的放射性岩石。这个热量反过来又驱动火山 ,造成罕见但强大的熔岩爆发到达地球表面。弱核力和电磁力也常被用来治疗严重的疾病 :放射性碘被用来杀死甲状腺肿瘤与医治某种形式的癌症。放射性衰变也可以是致命的 :它造成了三英里岛和切尔诺贝利的大破坏 ;它还产生了放射性废物 (核武器生产和商业核电厂产生的不可避免的副产品 ),这些废料有可能会持续保持危害性长达几百万年时间。

引力

引力使地球和行星保持在它们的轨道上运动 ,引力也约束了银河系的平衡。如果没有地球的引力 ,地球的自转将使我们像布娃娃一样被抛进太空。我们用以呼吸的空气也会很快弥散到太空中去 ,从而使我们窒息 ,使地球上的生命不复存在。如果没有太阳的引力 ,所有的行星 (包括地球 )将被抛出太阳系进入寒冷的深层太空 ,在那里 ,微弱的阳光将无法支持生物的生命。事实上 ,没有引力 ,太阳自身也会发生爆炸。太阳是引力 (它 倾向于收缩太阳 )和核力 (它倾向于胀开太阳 )微妙平衡的结果。没有引力,太阳将会像千万亿颗氢弹爆炸那样轰然爆裂。

当前理论物理学面临的挑战是将这四种力统一为一个单一力。从爱因斯坦开始 ,20世纪的许多物理学巨人就试图找到这种统一的力 ,但都没有成功。然而 ,困扰了爱因斯坦生命最后 30年的问题的答案也许就在超空间。

统一问题

爱因斯坦曾说 ,“自然只让我们看到狮子的尾巴。但我从未怀疑狮子和狮尾是一体的 ,尽管狮子太大我们看不到它 ”。如果爱因斯坦是正确的 ,那么也许这四种力就是狮子的尾巴 ,而狮子就是高维时空。这一理念已燃起希望 ,摆满图书馆书架的密密麻麻的有着丰富图表的图书所描述的宇宙的物理定律也许某天可以由一个简单的方程来描述。

这个有关宇宙的革命性观点的中心是 ———高维几何也许是宇宙统一的最终源泉。简言之 ,宇宙中的物质和将它们聚在一起的力 ,以一种使人困惑不解和变化无穷的复杂形式出现 ,但它们也许只是超空间上的不同振动而已。然而 ,这个概念不同于科学家的传统思维 ,他们将空间和时间视为一个被动的舞台 ,星星和原子是这个舞台上的主角。对这些科学家来说 ,可见的物质宇宙比起不可见的时空宇宙来说更加丰富且多样化。从历史的角度看 ,粒子物理方面几乎所有的科学努力以及大量的政府基金都被投入到了 “夸克 ”、“胶子 ”这样的亚原子粒子研究上。而不是彻底理解时空的几何性质。现在 ,科学家们正逐渐认识到 ,时间和空间这个 “无用的 ”概念也许是大自然之美与简单性的最终源头。

高维空间的第一个理论被称为卡鲁扎 -克莱因 (kaluza-klein)理论。这个理论以两位科学家的名字而命名。他们提出了一种新的引力理论 ,将引力解释为第五维度的振动。我们如果将这个理论扩展到 N维空间 (N可以代表任何数 ),这个看似笨拙的亚原子粒子理论将戏剧性地呈现出惊人的对称性。然而 ,老卡鲁扎 -克莱因理论不能确定 N的正确值 ,在描述亚原子粒子时也存在许多技术问题。基于这个理论还有一个更为先进的版本 称为超引力理论,但它依然存在问题。近来,对这个理论的兴趣是1984年由米迦勒·格林 (MichaelGren)和马蒂亚斯 ·舒瓦茨 (JohnSchwarz)引发的。他们给出了卡鲁扎-克莱因理论最先进的版本,即超弦理论的一致性。这个理论假定所有物质都是由微小的振动弦组成。令人惊讶的是,超弦理论精确地预测了时间和空间的维度:十维。[弗罗因德被问及我们何时可以看见这些高维空间时,他报以一笑。我们看不到这些高维空间,因为它们卷成的小球是如此之小,以至于检测不到。根据卡鲁扎 -克莱因理论,这些卷曲的维度的尺寸叫做普兰克长度^[1]。相当于质子的万亿亿分之一,它太小了以至于我们用最大的原子加速器也无法探测。高能物理学家曾指望造价110亿美元的超导超级碰撞机 (SSC)能间接揭示超空间的某些线索。但 SSC于1993年10月被美国国会否决了。]

十维空间的优势在于我们拥有足够的空间以容纳所有四种基本力。此外,我们有一个简单的物理绘景来解释由大型原子加速器产生的亚原子粒子的杂乱的混合物。过去30年中,物理学家分类研究了通过粉碎质子、电子、原子产生的碎片中的几百种亚原子粒子。像昆虫收藏家耐心地给一大批昆虫命名一样,物理学家有时被这些亚原子粒子的多样性和复杂性压得喘不过气来。今天,这个扑朔迷离的收集亚原子粒子的工作可以用超空间理论的纯粹振动来解释。

穿越时空

超空间理论也重新打开了 “超空间是否可以用于穿越时空旅行”的问题。要理解这个概念,想象生活在一个大苹果上的小的扁平的扁虫。对扁虫而言,它们认为苹果的世界显然与它们一样是一个扁平的二维世界。然而,有一个叫哥伦布的扁虫被一种说法迷住了———苹果世界在某种方式上是有限的、弯曲的、三维的。然而,它的朋友称它为傻瓜,嘲笑它相信苹果世界竟会在看不见摸不着的某个三维中弯曲。一天,哥伦布踏上漫长而艰苦的旅程,消失在地平线上。最终他回到起点,他的旅程证明苹果世界存在于一个更高的不可见的维度,第三维度是弯曲的。虽然旅行使它疲倦,哥伦布还是发现了在苹果上彼此远离的两点之间旅行还有另外一种方法:通过在苹果上挖洞,挖出一条隧道,创造一条捷径通往遥远的地方。 这条捷径大大减少了长途旅行的时间和身体疲惫 ,它称这条隧道为虫洞。这条隧道证明了两点之间最短的路径不一定是别人告诉它的直线 ,而是一个虫洞。

哥伦布发现了一个奇怪的效应 ,当他进入某条隧道并从另一端出口出去时 ,他发现自己回到了过去。显然 ,这些虫洞连接着苹果上的不同地方,而这些不同地方的时间有着不同的节拍。一些虫子甚至声称这些虫洞可以被塑造成一个可行的时间机器。

后来 ,哥伦布又做出了一项更加重要的发现 ———它发现的苹果世界其实并非宇宙中的唯一 ,它只是一个大苹果园中的一个苹果。哥伦布发现这个苹果与大苹果园中成百上千的苹果共存。有些苹果上有像它们一样的扁虫,有些苹果上没有。他猜想 ,在某些罕见的情况下 ,这些扁虫甚至可以在果园中不同的苹果之间旅行。

我们人类就像那些扁虫。常识告诉我们 ,我们的世界与它们的苹果一样,是平坦的三维世界。无论我们跟随我们的宇宙飞船走到哪里 ,宇宙似乎总是平坦的。然而 ,事实上 ,我们的宇宙像苹果世界一样 ,在一个超出我们对空间理解的看不见的维度上是弯曲的。这个事实已被一些严格的实验验证了。科学家对光的路径进行的实验 ,证明了星光穿过宇宙时是弯曲的。

多连通宇宙

早晨 ,当我们醒来打开窗户让新鲜空气进来时 ,我们期待看到前面的院子。我们并不希望打开窗户后 ,面对巍峨的埃及金字塔。同样 ,当我们打开前门时 ,我们期待看到街道上的汽车 ,而不是火山口和死火山那种荒凉的月球景观。甚至不必考虑 ,我们就假定我们能安全地打开窗户和门 ,不会被吓得灵魂出窍。幸运的是 ,我们的世界不是史蒂文 ·斯皮尔伯格 (StevenSpielberg)的电影。我们有一个根深蒂固的偏见 (这个偏见总是正确的 )———我们的世界是单连通的 (简单连接的 ),我们的窗户和门都并非是连接我们的家和另一个遥远宇宙的虫洞入口。(在普通的空间中 ,一根绳子的套索可以收缩成一点。如果套索可以收缩成一点 ,我们则说该空间是单连通的。然而 ,如果将套索放在虫洞的入口周围 ,它无法收缩成 某一点。事实上 ,这个套索进入了虫洞。这种套索不能收缩的空间 ,我们说它是多连通的。虽然 ,我们的宇宙在不可见的维度中弯曲已通过实验测量,但虫洞的存在和我们的宇宙是否是多连通的仍是当今科学界长期争论的话题。)在乔治 ·波恩哈德 ·黎曼 (GeorgeBernhardRiemann)那个时代的数学家研究了多连通空间的性质。在这个空间中不同区域的空间和时间是拼接在一起的。物理学家曾以为这仅是一个智力练习 ,现在 ,他们正在把多连通世界作为我们宇宙的实际模型而加以研究。这些模型是爱丽丝镜子的科学模拟。当刘易斯 ·卡罗尔的白兔掉进兔子洞而进入仙境时 ,它实际上是掉进了一个虫洞。

图1.1平行宇宙可以用两个平行平面图形表达。通常情况下 ,它们从不互相接触。然而 ,有时虫洞或管道可以在它们之间打开 ,使它们之间的沟通和旅行成为可能。这也是当今理论物理学家极感兴趣的课题。

虫洞可以用两个平行平面来解释。取两张纸和一把剪刀,我们在每张纸上剪一个洞,然后用一根长管连接两个孔 (图1.1)。只要你避免走进虫洞,我们的世界就似乎是正常的,你在学校里学的通常的几何定律在这里都是成立的。然而,如果你落入了虫洞,你会瞬间被传送到空间和时间的不同区域。只有通过追溯你的脚步,撤离刚才掉进的虫洞,你才能回到之前熟悉的世界。

时间旅行与婴儿宇宙

虽然虫洞提供了一个迷人的研究领域,但在超空间 (多维空间)的讨论中显露出来的最引人入胜的概念是———时间旅行。在电影《回到未来》中,米高·J.霍士 (MichaelJ.Fox)的旅行回到过去,遇见了他的尚未结婚的年轻的父母。不幸的是,他的母亲爱上他后将他的父亲抛弃。这就提出了一个棘手的问题———如果他的父母从未结婚生子,他如何诞生。

传统上,科学家们对任何提出时间旅行问题的人都不抱很大希望。因果关系 (有因才有果,而不是有果才有因)被牢牢地铭刻在现代科学基础中。然而,在虫洞物理中 “非因果”效应反复显现。事实上,我们必须做出强有力的假设以防止时间旅行的发生。主要问题是,虫洞不仅可以连接空间中两个遥远的点,它还可以将过去和未来连接起来。

1988年,加州理工大学的物理学家基普·索恩 (KipThorne)和他的合作者做出惊人的 (也是冒险的)断言———时间旅行不仅是合理的,而且在一定条件下也是可行的。他们的断言并非发表在不起眼的 “边缘”杂志上,而是在著名的《物理评论快报》上。这首次标志着著名的物理学家,而不是疯子,科学地提出一个关于改变时间本身进程的问题。他们的断言是基于简单的观察,一个虫洞连接两个有着不同时间周期的区域。因此虫洞可以连接现在和过去。因为穿越虫洞是瞬时的,所以人们可以用虫洞逆时退行到过去。然而,这不同于 H.G.威尔斯 (H.G.Wels)的《时间机器》一书中描绘的场景,主人公只要拨动一下表盘就可以被抛到几十万年后的英国的未来。因为虫洞的产生需要巨大的能量,甚至超出了在未来几个世纪技术上的可能。

虫洞物理的另一个奇怪的推论是在实验室中创造 “婴儿宇宙”。当然, 我们无法重新创造大爆炸和见证我们宇宙的诞生。然而 ,对宇宙学上做出了重要贡献的麻省理工学院的阿兰 ·古斯 (AlanGuth)声称 ,虫洞物理可以使我们在实验室创造婴儿宇宙成为可能。他的见解震惊了许多物理学家。他提出 ,在一个密闭室内集中大量的热量和能量 ,虫洞最终可能被打通,这个虫洞可作为连接我们的宇宙与另一个极小宇宙的脐带。如果可能的话 ,它会给科学家带来前所未有的宇宙观 ,因为它是在实验室里创造的。

神秘主义和超空间

这些概念中有些并不是新的。在过去的几个世纪 ,神秘主义者和哲学家纷纷猜测存在其他宇宙和它们之间的隧道。他们长期以来一直沉迷于可能存在的其他世界 ,这些世界听不见、看不着 ,却与我们的宇宙共存。他们被那些可能存在而未探知的冥冥世界所吸引。这些世界甚至可能近在咫尺,事实上包围着我们并渗透到我们所到之处 ,只是它们正好超出了我们的物理理解力 ,避开了我们的直观感觉。不过 ,这样的没有根据的议论是无用的。因为没有实际的方法可以对这些思想列出正确的数学表达 ,这些思想也不能通过实验得到验证。

我们的宇宙和其他维度之间的通道 (虫洞 )也是一个讨人喜欢的文学题材。科幻作家发现高维是星际旅行必不可少的媒介。因为在天上 ,星星之间的距离非常大 ,科幻作家便将高维作为星星之间联系的一个巧妙的捷径。火箭不需要走漫长的路程到达其他星系 ,仅需在超空间中由围绕它的时空弯曲实现加速后到达。例如 ,在电影《星际大战》中,超空间是一个避难所 ,天行者卢克在那里可以安全地逃避帝国战舰。在电视连续剧《际迷航 :深空九号》中,一个遥远的空间站附近的虫洞打开了。这使得在星几秒之内穿越巨大距离的银河系成为可能。空间站突然变成了激烈的竞争中心 ,谁能控制住这里 ,谁就能掌握银河系中通往其他地区枢纽的关键环节。

10年前 ,美国一批军用鱼雷轰炸机第 19飞行大队在加勒比地区消失。神秘小说作家也用高维空间作为揭开百慕大三角区 (或魔鬼三角区 )之谜的便捷的工具。有人推测 ,在百慕大三角区消失的飞机和船只实际上进入 了通往另一个世界的某种类型的通道。

这些难以捉摸的平行世界的存在也产生了无休止的长达几个世纪的宗教推测。唯心论者在想,离去亲人的灵魂是否进入了另一个维度。17世纪英国哲学家亨利·莫尔 (HenryMore)认为鬼和灵魂确实存在,并声称他们居住在第四维度。1671年他在《玄学手册》中主张,存在一个超出了我们感官的虚空境界,它是幽灵和灵魂的家园。

19纪的神学家困惑于找不到天堂和地狱,心想是否能在更高的维度中找到它们。一些人提出一个由三个平行平面组成的宇宙:地球、天堂和地狱。根据神学家亚瑟 ·威林克 (Arthur Wilink)的说法,上帝本人的家是在离这三个平面最遥远的地方,他生活在无限维中。

1870—1920年,人们对高维空间的兴趣达到顶峰。那时 “四维”(个不同于我们知道的时间第四维)抓住了公众的想象力,并逐步渗透到艺一术和科学的每一个分支,成为陌生和神秘的隐喻。第四维度在奥斯卡 ·王尔德 (Oscar Wilde)、费奥多尔 ·陀思妥耶夫斯基 (Fyodor Dostoyevsky)、马塞尔 ·普鲁斯特 (Marcel Proust)、 H.G.威尔斯 (H.G.Wels)、约瑟夫 ·康拉德 (JosephConrad)的文学作品中出现了。第四维度还启发了亚力山大 ·斯克里亚宾 (AlexanderScriabin)、乔治 ·安塞尔 (GeorgeAntheil)的音乐作品。第四维度迷住了心理学家威廉 ·杰姆斯 (WiliamJames),文学家格特鲁德 ·斯坦 (GertrudeStein)和社会主义革命家弗拉基米尔·列宁 (VladimirLenin)那种多样化的性格。

第四维度也启发了巴勃罗 ·毕加索 (PabloPicaso)和马塞尔 ·杜尚 (MarcelDuchamp)的作品,极大地影响了立体派和表现主义的发展,这是两个在20世纪最具影响力的艺术运动。艺术历史学家琳达·达尔林普尔·亨德森 (LindaDalrympleHenderson)写道,“像黑洞一样,‘第四维度’具有神秘的特质,即使科学家自己也不完全理解。然而,它的影响却比黑洞或任何其他最近的科学假说更加广泛 (1919年的相对论除外)。”

这种否定每一个常识性公理,符合逻辑而又奇异的另一种形式的几何学,同样久久地引起了数学家们的好奇心。例如,在牛津大学任教的数学家查尔斯 ·道奇森 (CharlesL.Dodgson)以路易斯 ·卡罗尔 (Lewis Carol)为笔名写书并传播知识为学生们带去快乐。他常将奇怪的数学思想写进他的书中。当爱丽丝掉进兔子洞或踏进瞭望镜时,她进入了奇境,一个奇怪的柴郡猫消失的地方 (只留下了微笑);神奇的蘑菇将孩子们变 成了巨人 ,疯子哈特斯庆祝 “未出生日 ”;瞭望镜以某种方式把爱丽丝的世界与一个陌生的地方连接起来 ,在那里 ,人们用谜语交流 ,常识也不再成其为常识了。

路易斯 ·卡罗尔的一些灵感极有可能来自 19世纪伟大的德国数学家乔治·波恩哈德 ·黎曼 (GeorgeBernhardRiemann)。黎曼是第一个为高维空间奠定几何数学基础的数学家。黎曼改变了下一个世纪数学研究的航向,他证明了宇宙虽然从表面上看很奇怪 ,但却是完全自我一致的 ,服从它们自己的内在逻辑。为了阐明这类思想 ,请设想摞在一起的很多张纸 ,它们一张压在另一张的上面。现在想象每张纸代表一个世界 ,每个世界服从它自己的物理定律 ,不同于其他世界。这样 ,我们的宇宙就不是孤独的,而是许多可能的平行世界中的一个。智能生物可能居住在某个平面上,完全不知道其他世界的存在。在一张纸上可能会有爱丽丝的田园般的英国乡村。在另一张纸上可能是一个奇怪的世界 ,住着奇境世界中的神秘生物。

通常 ,每个平行平面上的生命都是独立于其他平面的。然而 ,在罕见的情况下 ,这些平面也会相交 ,片刻间撕裂空间本身的织物 ,打开这两个宇宙之间的洞或通道。像在《星际迷航 :深空九号》中出现的虫洞 ,这些通道使这些世界之间的旅行成为可能 ,像一个宇宙桥连接两个不同宇宙或同一宇宙的两点 (图1.2)。毫不奇怪 ,卡罗尔发现儿童相比成人 ,可以更开放地接受不同观点存在的可能性。成年人对空间和逻辑的偏见则日益僵化。事实上 ,黎曼的更高维度的理论 ,正如卡罗尔解释的 ,已经成为儿童文学和民间传说的一个永恒的一部分。几十年来 ,还诞生了其他的儿童经典,如多萝西的《绿野仙踪》和潘裕文的《从来没有土地》。

然而 ,由于缺乏实验证据或引人注目的物理动机 ,因此平行世界的理论作为科学的一个分支失去了活力。2000多年来 ,科学家偶尔捡起更高维度的概念 ,结果却因为不可测被认为是愚蠢的想法而抛弃。虽然黎曼的高等几何理论在数学上很有趣 ,但却被人们认为技巧性太强缺乏实际用处而不被人们重视。在高维理论上甘愿以他们的声誉冒险的科学家发现 ,自己正被科学界嘲笑。高维空间变为了神秘主义者、思想怪诞者和江湖术士们的避难所。

在本书中 ,我们将会研究这些早期开拓者的工作。主要是因为他们设计了一种巧妙的方法 ,使非专业人士可以 “可视化 ”更高维度的物体的样

图1.2虫洞可以将宇宙和自己连接起来 ,可能提供了一种星际旅行的方式。因为虫洞可以连接两个不同的时间纪元 ,因此也提供了一种时间旅行的方式。虫洞还可以连接无限系列的平行宇宙。我们希望,超空间理论能够确定虫洞的存在只是物理上的可能 ,还是数学上的奇想。

子。这些技巧将被证明是有用的,让公众可以更好地掌握这些高维理论。

通过研究这些早期的神秘主义者的工作,我们也能更清楚地看到他们的研究的缺陷。我们看到他们的推测缺乏两个重要概念:物理和数学原理。从现代物理的视角,我们认识到他们丢失的物理原理是———超空间简化了自然定律,超空间提供了仅靠纯粹的几何论证就能统一所有自然力的可能性。他们丢失的数学原理是———场论,它是理论物理学中普遍使用的数学语言。

场论:物理学的语言

场的概念最先是由伟大的 19世纪英国科学家迈克尔 ·法拉第 (MichaelFaraday)引进的。法拉第是一个穷铁匠的儿子,他是一位自学的天才,他设计了精心的电力和磁性的实验。他将 “力线”直观化 (像植物展开的长藤), “力线”从磁和电荷发射到四面八方并充满所有的空间。他在他的实验室中,用他的仪器可以测量任何一点的磁力或电荷的力线的强度。因此他可以在这一点 (和空间中的任何点)指定一系列数表示力的大小和方向。他把空间任何点的这些数字的总和作为一个单一的实体———一个场。[这里,有一个著名的关于迈克尔 ·法拉第的故事。由于法拉第的名声远扬,经常有好奇的旁观者去拜访他。当人们问他的工作有什么用时,他会回答:“孩子有什么用?那就是他能长大成人。”有一天,当时的财政大臣威廉 ·格拉斯顿 (Wiliam Gladstone)参观了法拉第的实验室。格拉斯顿对科学一无所知,他讽刺地问法拉第在他的实验室里的这些巨大的电气装置对英国有什么用。法拉第回答:“先生,我不知道这些机器将作何用,但我可以肯定有朝一日你能通过它们征税。”今天,英国总财富的大部分都要归功于法拉第的劳动成果。]

简单地说,一个场是空间每一点上完全描述了在那个点上的力的数据的集合。例如,在空间的每个点上的 3个数字可以描述磁力线的强度和方向。空间每一点的另外3个数字可以描述电场。法拉第在思考农民耕种土地时得到场这个概念。农民的土地占有二维空间区域。在农民土地的每一点可以指定一系列的数字 (例如,描述在那一点上有多少种子)。然而,法拉第的场占据空间的三维区域。在每一点上,都有一系列的 6个数字描 述力的磁力线和电力线。

法拉第的场的概念有如此强大的威力,是因为自然的所有的力都能表述为场的形式。不过,在我们能够理解这些力的本质之前,我们还需要一个要素———我们必须建立这些场所遵守的方程。过去几百年理论物理的进展可以简洁地概括为 “寻找自然力的场方程”。

例如,19世纪60年代的苏格兰物理学家詹姆斯 ·克拉克 ·麦克斯韦 (k Maxwel)写下了电场和磁场的方程。在 1915年,爱因斯坦

JamesCler发现了引力的场方程。经过无数次错误的尝试后,在 20世纪 70年代,通过杨振宁 (C.N.Yang)和他的学生 R.L.米尔斯 (R.L.Mils)的早期工作,亚原子力的场方程最终被建立。这些控制亚原子粒子相互作用的场方程现在称为杨 -米尔斯 (Yang-Mils)场。然而,使这个世纪物理学家困惑的是亚原子力的场为什么与爱因斯坦的场方程截然不同,即为什么核力与引力差别如此之大。一些物理学中的伟人一直致力于解决这个问题,但都未获得成功。

也许他们失败的原因是落入了常识的俗套。如果仅局限在三维或四维,亚原子世界的引力的场方程就很难统一。超空间的优点在于:杨 -尔斯场、麦克斯韦场、爱因斯坦场,都可以舒适地放置在超空间场中。我米们看到,这些场在超空间中,非常合理地结合在一起,就像拼图一样。场论的另一个优势是,它允许我们精确地计算 空“间和时间形成虫洞所需的能量”。因此,与古人不同,我们有了数学工具来指导自己建造机器。也许有一天,我们能通过这些机器,弯曲空间和时间并实现我们的幻想。

创世的秘密

这是否意味着捕猎大型野兽的猎人现在可以开始筹备去中生代猎杀大恐龙并展开狩猎之旅了?不,索恩、古思和弗罗因德会告诉你,调查这些太空中的异常所需的能量远超出了地球上的任何能量。弗罗因德提醒我们,探测第十维度所需的能量是我们的最大的原子加速器所产生的能量的 1000万亿倍。

将时空弯曲成结所需的能量非常大,大到在今后几百年甚至几千年我们也无法获得。即便世界上所有的国家都团结起来,建设一个可以探测超 空间的机器 ,最终的结果也是失败。并且 ,正如古思指出的 ,在实验室创建一个婴儿宇宙需要的温度是 1×1027摄氏度 ,远远超过我们能提供的温度。事实上 ,这个温度甚至高于任何恒星内能中的温度。因此 ,虽然爱因斯坦定律和量子论定律有可能允许时间旅行 ,但这难以在我们地球人的能力范围内实现。我们现有的能力只允许我们可以勉强逃脱我们星球的微弱引力场。我们对虫洞研究的含意大为惊讶的同时 ,也体会到虫洞的潜力只能为更先进的外星文明所利用。

只有一个时间周期实际具有这样巨大的能量规模 ,那就是在创世的瞬间。事实上 ,超空间理论不能用我们最大的原子加速器测试 ,因为这个理论实际上是创世理论。只有在宇宙大爆炸的瞬间可以看到超空间理论在发挥作用。这就提出了一个激动人心的可能性 ,超空间理论可以解开宇宙起源的秘密。

引入更高的维度可能是撬开创世秘密必不可少的钥匙。根据这个理论,在大爆炸之前 ,我们的宇宙是一个完美的十维宇宙 ,一个可能实现超时空旅行的宇宙。然而 ,这个十维度宇宙是不稳定的 ,它最终 “破解 ”为两个宇宙 ,创建了两个分离的宇宙 :一个四维宇宙和一个六维宇宙。我们生活的宇宙即是在这次宇宙灾难中诞生的。我们的四维宇宙爆炸式膨胀 ,而孪生的六维宇宙剧烈收缩 ,直到它收缩到无穷小。这也许解释了大爆炸的起源。如果这是正确的 ,这个理论则说明宇宙的迅速膨胀只是一个更大的宇宙灾难性事件的一个很小的余震 ,在这个大灾难中空间和时间本身裂开了。于是 ,驱使可观测到的宇宙膨胀的能量 ,正是存在于十维空间和时间的坍缩之中。根据这个理论 ,遥远的恒星和星系便以天文数字般的速度远离我们而去 (因为十维空间和时间的坍缩)。

这个理论预言 ,我们的宇宙有一个矮人双胞胎 ,一个伴宇宙。它卷曲成一个六维的小球 ,其尺寸太小 ,我们无法观察。这个六维度的宇宙并非是我们世界无用的附属物 ,它最终极可能成为我们的救赎。

逃避宇宙的死亡

人们常说 ,人类社会唯一不变的就是死亡和税收。对于宇宙学家 ,唯一可以确定的是宇宙终有一天会死亡。一些人认为宇宙的最终死亡会以大 坍缩的形式到来。引力会逆转大爆炸产生的宇宙膨胀,并将恒星和星系再次拉回到一起,成为一个原始的质量。随着恒星的收缩,宇宙中的温度将急剧上升,直到宇宙中所有的物质和能量集中陷入一个巨大的火球,并将我们所认知的宇宙摧毁。所有的生命形式都将被毁灭,不会存在任何侥幸者。像查尔斯 ·达尔文 (CharlesDarwin)和伯特兰 ·罗素 (Bertrand Rusel

)那样的科学家和哲学家也悲哀地写道,“我们可怜的努力都是徒劳,因为我们的文明在世界末日时终将无情地死亡。”物理规律显然已向宇宙中所有的智慧生命发布了最终的、不可撤销的死亡令(。

据已故哥伦比亚大学物理学家杰拉尔德·费因伯格 GeraldFeinberg)的说法,有且只有一个逃避最终灾难的希望。他推测,几十亿年后智慧生命最终能掌握高维空间的奥秘,将使用其他维度作为一个逃生舱口逃出危机。在我们的宇宙崩溃的最后时刻,我们的姐妹宇宙将再次开放,超空间旅行将成为可能。因为在世界末日到来之前的最后时刻,所有的物质都被粉碎,所有的智慧生命形式都可以通过隧道进入高维空间或另一个宇宙,避免看似不可避免的我们的宇宙的死亡。然后,在高维空间这个避难所这些智慧生命也许能够见证崩溃的宇宙陷入一片火海。当我们的宇宙家园被粉碎得面目全非时,气温将剧烈上升创建另一次大爆炸。这些智慧生命在多维空间的有利位置,将能在前排座位上看到罕见的科学现象,看到另一个宇宙和他们的新家的诞生。

超空间的主人

场论表明,要创造这些奇妙的空间和时间弯曲所需要的能量远超现代文明能掌握的一切。这也引出了两个重要的问题:其一,我们的知识和能力正在以指数的形式增长,我们的文明要何时才能达到掌握超空间理论的地步?其二,在宇宙中的其他智慧生命又是什么样的,他们是否已经达到了可以利用超空间理论的地步?

这个讨论使人感兴趣的原因是那些严肃的科学家们试图对未来的文明进程作出定量判断———到那时,空间旅行将变得司空见惯;邻近的恒星系统甚至星系也可能被人类殖民。虽然操控超空间所需要的能量是巨大的,但这些科学家指出,在未来几个世纪科学技术的增长可能会继续以指数形 式上升 ,超过了人类的大脑理解它的能力。自第二次世界大战以来 ,科学总量大约每 10—20年就翻一番 ,所以科学技术在 21世纪的进展可能超越我们最大的期望。今天只能梦想的技术在未来世纪可能变得司空见惯。因此,我们可以讨论这个问题 ,我们何时能成为超空间的主人。

时间旅行、平行宇宙、多维窗口

这些概念本身就处在我们理解物质宇宙的前沿。然而 ,由于超空间理论是一个真正的场论 ,我们最终希望它能给出一种数量上的答案 ,来确定这些使人感兴趣的概念是否具有可能性。如果这个理论给出的答案是荒谬的,与物理学数据相违背 ,那么 ,无论它在数学形式上多么优雅也必须遭到我们的抛弃。最后的决定权在物理学家而不在哲学家。但是 ,如果超空间理论被证明是正确的 ,且解释了现代物理学的各种对称性 ,那么它将开创一场也许等同于哥白尼或牛顿式的革命。

为了对这些概念有一个直观的理解 ,我们需要从头开始讲述。在我们习惯十维之前 ,我们首先要学会如何操控四维空间。我们将利用历史的例子探讨几十年来科学家所做的巧妙的尝试 ,给出高维空间一个有形的视觉表现。因此 ,本书的第一部分将强调发现高维空间背后的历史 ,从开启它的数学家乔治 ·波恩哈德 ·黎曼 (GeorgeBernhardRiemann)开始。黎曼在预期下一个世纪科学的进步时 ,他首次说出 :“自然在高维空间几何中可以找到它的天然归宿。”

[1]这个难以置信的小距离将在这本书中不断重现。它是任何引力量子理论的典型的基本尺度。道理很简单。在任何引力理论中 ,引力的强度皆是用牛顿常数来测量的。然而 ,物理学家使用了一组简化的单位。在这8套单位中 ,光速 c被设置为 1。这意味着 1秒相当于 186000英里 (3×10米)。另外 ,普朗克常数与 2π相除也等于 1,这样在秒和能量单位尔格之间建立了一种数值关系。在这些奇怪但又方便的单位中 ,所有东西 (包括牛顿常数 )都可以简化到厘米。当我们计算这个与牛顿常数相关的长度时,它恰好是普朗克长度 ,即 10-33厘米或 1027电子伏特。因此 ,所有的量子引力效应都是以这个极小的距离来衡量的。特别是 ,这些看不见的更高维度的尺寸就是普朗克长度。