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北京科协我们生活在高维宇宙的一张膜上？( 三 )


这个问题的答案非常简单并且独特：在额外维理论里 ， 所有的物质以及除了引力以外的其他力 ， 都被禁锢在一个膜空间上 。 电子、质子、光子以及所有其他标准模型粒子 ， 都不可能在额外维里面传播 ， 包括电磁场 。 这个三维的膜空间禁锢了除引力以外的所有物质 ， 导致我们一直以为宇宙空间就只有三维 。 事实上 ， 只有引力场线可以进入那些额外的维度 ， 换句话说 ， 那些额外维度只对引力的传播子——引力子 ， 是开放的 。 科学家只有通过观测引力效应 ， 才能感知这些额外维度的存在 。
北京科协我们生活在高维宇宙的一张膜上？
本文插图

地球的引力场可以理解成 ， 地球向三维空间中辐射出引力线 。 离地球越远 ， 引力越弱 ， 这是因为距离地球越远 ， 引力线前端覆盖的面积就越大 。 在三维空间中 ， 因为引力线前端覆盖的面积和距离的平方成正比 ， 所以引力的大小和距离的平方成反比 。
物理学家在提出一个新理论后 ， 都会对其进行仔细检验 ， 把新理论的各种预言和已有的实验结果做比较 。 额外维理论改变了引力在宏观尺度上的行为 ， 以及其他一些高能物理结论 ， 这些变动很大 ， 原则上很容易被实验排除 。 不管怎样 ， 额外维理论确实没有违背所有已知的实验结果 。
首先 ， 如果额外维理论改变了引力的行为 ， 那么 ， 这会不会影响引力把物质聚合在一起的能力 ， 比如说 ， 影响恒星和星系的聚合？实际上 ， 这种担心是多余的 ， 额外维理论只是改变了引力在毫米尺度以下的行为 。 所以在星系间这样庞大的尺度下 ， 引力还是可以把物质吸引在一起 ， 形成恒星等各种天体结构 。
理论物理学家还对额外维理论的其他推论进行了检验 ， 发现它们都和实验观测吻合 。 在所有的观测里面 ， 超新星的观测给出的约束最强 ， 而且科学家发现 ， 额外维度越多 ， 实验约束就越弱 。 极端情况下 ， 如果只有一个额外维度 ， 那么这个额外维的卷曲尺度 ， 大约是地球到太阳的距离 。 这显然是违背实验观测的 。 反之 ， 如果额外维度越多 ， 则引力改变的效应越分散 ， 使得额外维空间的卷曲尺度都不是很大 ， 从而符合宏观上的各种引力观测结果 。 这就是为什么增加的额外维度越多 ， 这类理论的精度就越高 。
【北京科协我们生活在高维宇宙的一张膜上？】
未来的对撞机
额外维理论预言 ， 引力的作用在1012电子伏能量上会更强 。 这既可以解决层级问题 ， 又使得理论本身更容易在粒子物理加速器上得到验证 。 假如弦论能够正确描述量子引力理论 ， 那么引力子将是像小提琴弦一样振动的闭弦 。 在弦论里面 ， 已知基本粒子的弦不振动 ， 类似于松弛的琴弦 。 弦振动所产生的各种“音符” ， 都对应着一种未被发现的新粒子 。 在传统的弦论中 ， 弦的尺度大约在10-35米左右 ， 在此尺度下 ， 弦振动产生的新粒子的能量 ， 可以达到普朗克能量的量级 ， 远远超出了现有实验的观测能力 。 如果考虑到额外维理论 ， 这些闭弦的尺度就可以提高到10-19米的量级 ， 此时由弦振动产生的新粒子的能量只有1012电子伏左右 。 同样 ， 额外维的存在 ， 也会降低产生微型黑洞的能量 。 所以在加速器上也有可能产生微型黑洞 。
即便加速器上的能量还不能够产生振动的弦和微型黑洞 ， 但也会产生出大量的引力子 。 虽然对撞机实验并不能直接探测到引力子 ， 但是产生的引力子会带走一部分能量 ， 实验数据会显示出能量损失 。 额外维理论预言的能量损失大小 ， 随着碰撞能量的不同而变化 。 根据这一性质 ， 科学家可以区分是引力子带走了能量 ， 还是由其他未知粒子造成了能量损失 。 现有高能加速器的数据 ， 可以对额外维理论给出一个初步约束 。 未来的加速器实验 ， 将有可能发现引力子 ， 进而发现额外空间维度 。


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