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宇宙的维度 高维宇宙在另一个维度空间( 三 )


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 。

宇宙的维度 高维宇宙在另一个维度空间

文章插图
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 。
大质量的恒星向内塌缩产生超新星，并向外放出大量冲击波 。科学家一般认为这些能量是被中微子带走的（图中蓝线所示） 。假如存在额外维，那么辐射出的引力子（图中红线）将会把更多的能量带到额外空间中去 。如果引力子带走了太多的能量，超新星就不能形成，所以理论物理学家可以通过超新星的观测数据，给额外维模型的性质设置一个约束 。

当粒子加速器中的两个高能质子（图中黄线所示）碰撞在一起的时候，有可能产生微型的黑洞 。这些黑洞会以霍金辐射的形式，向外释放出标准模型粒子（图中蓝线所示）和引力子（图中红线所示），从而很快蒸发掉 。其他一些实验也可能证实额外维理论，甚至这类实验的结果比对撞机上的结果来得更快 。为了解决层级问题，前文中提到的两个额外维的卷曲尺度要达到毫米量级 。在这种尺度上，引力的大小就是反比于距离的四次方，而不是传统牛顿万有引力里面反比于距离的二次方 。科学家在毫米及其以下尺度上，通过设计实验探索引力的行为，能够证实是否存在额外的空间维度 。在额外维里面，距离小于一毫米的两个物体之间产生的排斥力，将会是引力的100万倍 。为了观察到上述可能的现象，科学家用精密探测器，探测从厘米到几十微米上的引力行为 。
为了探测毫米及其以下尺度上的引力行为，科学家除了要求探测对象的尺度不能大于一毫米外，还要求它们的质量都很小 。所以，这些实验必须达到很高的精度，能够剔除各种可能的误差 。华盛顿


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