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北京科协我们生活在高维宇宙的一张膜上？


我们可能生活在更高维度空间中的一张膜上 。 在不久的将来 ， 实验物理学家可能会探测到来自1毫米以下额外维的信号 。

北京科协我们生活在高维宇宙的一张膜上？
本文插图

这是一个很难想象的理论：宇宙可能拥有更高的维度 ， 而我们生活的三维宇宙 ， 可能只是更高维度空间中的一张膜 。 只有引力可以在额外维中传播 ， 因此 ， 科学家希望在不久的将来通过探测微小尺度上的引力效应 ， 发现宇宙的额外维度 。
撰文?| 尼玛·阿卡尼哈麦德（Nima Arkani-Hamed）、萨瓦斯·季莫普洛斯（Savas Dimopoulos）、乔吉·杜瓦利（Georgi Davli）
翻译?| 王浏诚
1884年 ， 英国作家埃德温·A·艾勃特（Edwin A. Abbott）写出了经典的文学作品《平面国》（Flatland: A Romance of Many Dimensions） ， 书中描述了一个神奇的平面国——这个国家存在于二维空间中 ， 它的国民都是一些活生生的几何形状的人 。 书的最后讲到 ， 一个三维空间国的球形人来到了平面国 ， 把一个正方形人从平面国带到了三维世界 。 当正方形人知道了三维世界以后 ， 他开始猜测 ， 也许还有更大的四维世界 ， 而三维空间国只不过占据了四维世界中很小的一块而已 。
令人惊讶的是 ， 上述情形与现代物理学家所关注的问题如出一辙：我们的世界也许被禁锢在一个三维的膜空间里 ， 而这个膜空间本身处在一个更高维的空间中 ， 但和《平面国》中描述不一样的地方在于 ， 正方形人是被神奇地带了出来 ， 亲眼看到了三维空间国 ， 而现代物理学家需要探测和证明额外空间的存在——这些额外空间的尺度甚至达到了毫米量级 。
实验物理学家已经开始探测额外维度对引力的影响 。 假如额外维理论是正确的 ， 科学家希望在未来的高能实验中 ， 观察到一些非常特别的量子引力效应 ， 比如在实验中产生短寿命的微型黑洞 。 额外维理论基于弦论的一些最新进展 ， 有可能解决粒子物理和宇宙学中的一些长久疑问 。
物理学家一直在尝试理解宇宙中最常见的力——引力 。 多维理论和弦论等奇思妙想正是在这个背景下应运而生 。 虽然距离牛顿提出万有引力定律已有三个多世纪 ， 物理学家还是不能解释 ， 引力为何会比其他种类的力弱得多 。 两个电子之间万有引力的大小 ， 只有它们之间电磁斥力的1/1043 。 引力虽然很弱 ， 但是正比于质量 ， 宏观物体质量很大 ， 所以引力不容忽视 。
微弱的引力
如果两个电子之间的万有引力和电磁力一样大 ， 那么电子的质量就要达到现在的1022倍 。 要产生如此巨大质量的粒子需要1019GeV（GeV,即109电子伏）的能量 ， 这就是普朗克能量 。 与此相关的是另一个物理量——普朗克尺度 ， 它非常小 ， 只有10-35米 。 普朗克能量非常巨大 ， 远远超过了当前人类最大加速器的功率 ， 而相应的普朗克尺度就太小了 ， 也不能被当前的实验探测到 。 由于引力的大小在普朗克尺度上才会与电磁力相当 ， 所以物理学家一般认为 ， 只有在普朗克尺度上 ， 才能建立起一个终极大统一理论 。
在大功率加速器的帮助下 ， 实验物理学家观察到了电磁力和弱相互作用力（一种亚原子之间的力,它导致了某些辐射衰变的产生）的统一 。 这个能量所对应的尺度被称为电弱尺度 ， 它距离普朗克尺度还非常遥远 ， 因为电弱尺度是普朗克尺度的1016倍 ， 这说明引力实在是非常微弱 。
另外 ， 物理学家通过精心选取标准模型中的参数 ， 很好地解释了电弱尺度上的各种实验观测 ， 却不能解释为何电弱尺度和普朗克尺度相差如此悬殊 。 为了能和实验结果高度吻合 ， 科学家要对标准模型的参数进行很精细的调整 ， 精度甚至达到了1/1032 ， 否则的话 ， 量子效应就会破坏电弱尺度的稳定性 ， 把理论推向普朗克尺度 。
理论物理学家一直在思考关于电弱尺度和普朗克尺度的难题 ， 他们把它称为层级问题（hierarchy problem） 。 这个问题的核心可以归结为 ， 如何将标准模型的尺度稳定在电弱尺度——即10-19米（或者说等价于1000GeV的能量尺度） 。 为此 ， 物理学家对标准模型进行了各种推广 ， 其中最流行的方法是引入超对称 。 虽然到目前为止加速器还没有观察到任何超对称存在的直接证据 ， 但是已经有一些间接的证据支持超对称理论 。 例如在超对称理论的框架下 ， 把当前观测的强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用力外推到很小尺度时 ， 这三个力变得一模一样 。 这个结果说明 ， 在超对称框架下 ， 这三种力在10-32米尺度上统一 。 这个尺度大约是普朗克尺度的1000倍 ， 但仍然无法在粒子对撞机上被探测到 。


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