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《大科技》杂志:引力是高维宇宙的孩子


http://www.sina.com.cn 2006年03月09日 15:36 《大科技》

  贺飞鸿/文

  伸出两根手指,你能捏住多少个宇宙?这个问题问得好像有点荒唐,不过答案却可能超乎你的想像。也许在你的手指之间,就存在着许多直径不超过1毫米大小的宇宙!这些宇宙不是我们周围的这个广袤的宇宙,它们无法被我们的双眼看到,但是我们依然能够感觉到它们的存在。

  我们怎么知道它们真实地存在呢?答案是:万有引力。

  虚弱的万有引力

  最近几年,一个原本被认为荒谬的假说逐渐成为最热门的物理学理论。美国加州大学伯克利分校的阿卡尼•海门德和他的同事一起建立了这个理论(很遗憾,这个理论还缺少一个吸引眼球的名字),用来解释为什么粒子物理学的经典模型能够统一几乎所有的力,却独独除了万有引力。

  万有引力与电磁力、核力的重大差别是力的大小。虽然日常生活中,我们感觉万有引力很强大,如果我们从高处自由下落,我们会摔伤。其实,同电磁力比起来,万有引力小得可怜。全部地球的质量产生的引力作用在一根针上,才让这根针在桌子上安静地躺着,可是我们只需要拿一小块磁铁从上方靠近针,就能将它轻松吸起。

  正是由于万有引力太微弱,因此很难研究它与其他几种基本力的关系。在一些巨型的高能粒子对撞机上,人们通过实验已经证实,电磁力和核力其实是一种更基本的力的不同方面。可是,通过理论计算人们发现,要想在对撞机实验中检验万有引力是否也属于更基本的力,需要的能量大得惊人,恐怕自从宇宙大爆炸以来还从来没有出现过那么高的能量。

  穿越不同宇宙的引力

  因此,阿卡尼•海门德建议我们,换个思路来考虑一下吧!万有引力是否真的如表现出的那样微弱,还是它和其他力一样强大呢?是否万有引力与电磁力和核力不同,它并非我们这个三维空间加一维时间的世界的产物?如果万有引力是其它更高维世界中的“孩子”,我们就只能感受到这个力的一部分影响,万有引力比其他力微弱也就能够理解了。

  利用数学,人们可以很轻松地描述多维空间,不过我们人类的大脑却无法想像超过三维的世界,因为我们的眼睛每时每刻输入的图像信号使我们的脑子“僵化”了。不过,想像低维空间倒是满轻松的,比如一根直线构成的一维世界。因此,让我们用一维世界的场景来打个比方。

  光量子是负载着电磁力的量子微粒,假设它可以在我们想像的一维世界中运动,它只能向前或向后运动,因此完全束缚在这个世界里。在这个世界周围,也许还有其他的一维直线构成的相似世界,可是,由于光量子无法侧向移动,也就无法跳出一维世界,因此它“看”不到周围的那些一维世界,也感受不到另一个世界的影响。除非它成为有办法进入二维的平面世界,它才能“看”到另外的世界,然后在自己的那个世界的报纸上宣布:“我发现了一个新的宇宙!”但是很遗憾,光量子的性质决定了它不能超越自己的宇宙。

  再来看看引力子在一维世界中的情形,它被假设成负载着万有引力的量子微粒。光量子无法逃离自己所处的世界,但是引力子却可以!理论上,引力子的作用可以超出它自己的宇宙,去影响旁边的宇宙,让其他宇宙也感觉到引力的存在。这是引力的特性所决定的。

  现在回到我们的宇宙,三维空间加一维时间的世界里,从道理上说,我们不仅能感受到我们自己宇宙中的引力,我们还有可能受到其他维度的宇宙中的引力的影响,虽然那些宇宙我们无法直接看到,但是它们的引力完全能够影响我们的世界。

  高维宇宙中的万有引力

  如果万有引力是从高维宇宙中“泄露”出来的,那么在我们的宇宙中,它的性质与其他基本力不一样,也就很容易理解了。

  根据通常的说法,1665年牛顿从

苹果落地现象中受到启发,产生了万有引力的概念,用来描述不同物体之间的吸引力。科学家长期以来认为万有引力是基本的力,而且性质不会变化。

  不过,阿卡尼•海门德现在开始提问了:“我们有什么理由认为万有引力是基本的、性质没有变化的力呢?要测量万有引力,物体之间的距离不能低于毫米级,否则就太微弱了。难道万有引力不会和其他力一样,在很小的距离中也是很强大的吗?虽然我们目前还无法测量,但不能排除这个可能。”

  “我们测量的微观世界的物体质量越小,彼此之间距离越短,电磁力的效果就越大,完全掩盖了万有引力的作用。其实,没有人知道在非常短的距离上,万有引力到底是如何运作的。”阿卡尼•海门德觉得,人们过去对万有引力的描述至少在微观距离上是没有证据支持的。

  我们知道,在三维空间的世界里,万有引力遵循平方反比律:两个物体之间的距离减半,它们之间的引力就增加到原来的4倍;距离减少到原来的1/3,引力就增加到原来的9倍。然而,在理论上的一个四维空间中,万有引力将遵循立方反比律,每增加一个维度,遵循反比律的力也增加。

  因此,在高维世界中,万有引力可能是很强大的,而且完全可以和电磁力、核力统一起来。只是当它“泄露”了一部分给我们的低维宇宙时,力量变弱了。

  卷曲的维度

  那些产生了影响我们的引力的高维宇宙在哪里呢?它们远在天边吗?从理论上讲,十分有趣,它们就在我们的身边,甚至就在我们的指尖上!

  在我们习惯的三维世界中,三个空间维度能够无限延展。可是,在高维宇宙中,增加的维度将不得不被限制在一定的狭小空间中,让我们无法观察到。

  还是让我们以一维宇宙来做个比方吧。回忆一下那个设想中的一维世界,世界的成员只能向前或者向后运动。不过,如果一维宇宙旁边有只微型苍蝇,它就可能会看到第二维,它也许会发现,那个一维世界其实是一根电线,苍蝇可以顺着电线截面的周长爬一圈,回到出发点,电线截面的周长就是一个新增加的维度。这只落在电线上的苍蝇属于二维世界,它可以顺着电线的延伸方向做前后运动,也可以绕着电线做圆周运动,只是这第二维非常小,是卷曲的,必须距离很近,才能看到。而对于一维宇宙的成员来说,他们无法看到那多出来的一维。我们自己的宇宙也许与这个设想图类似,也存在许多卷曲的维度,只是我们难以发现。幸好引力的奇特性质向我们泄露了高维的秘密。

  如果人们想通过高能粒子对撞机研究万有引力的性质,可能会制造出比我们的世界多两个维度的空间,这样的高维空间会很小,比1毫米直径还要小许多,只有在这样的条件下,万有引力的效果才容易被观测到。最近,已经有相关的实验来测量短距离尺度的万有引力常数。虽然数值并没有显著的增加,但是新测量的万有引力常数确实和我们过去使用的数值有出入。如果实验能够研究的空间尺度更小,也许将证明阿卡尼•海门德的新理论。这其实也说明,“泄露”出引力的高维宇宙如果存在,尺度是非常微小的。

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