1919年，一位几乎不知名的德国数学家西奥多·卡鲁扎提出了一个大胆的、从某种程度上说非常离奇的想法——我们的宇宙实际上可能不止三维，而是具有更多维度。

西奥多·卡鲁扎

也就是说，除了左、右、前、后、上、下之外，还有其他空间维度，只是我们目前还看不到而已。面对一个大胆而且离奇的猜想，人们的焦点往往在它的大胆和离奇上，但这部分与我们周围的世界是毫无关系的。然而，卡鲁扎的想法，虽然还不能断定它是对还是不对（也许还得很多年之后才能断定），但在20世纪，它已经对物理学产生了重大的冲击，并且现在仍在推动许多尖端研究。

我们来探讨一下这些其他维度。首先来了解一些背景知识。早在1907年，爱因斯坦正因发现狭义相对论而春风得意，他决定做一个新课题，试图充分理解广泛存在的重力。在当时，他周围的很多人都以为这个问题早已得到了解决。17世纪后期，牛顿提出了重力理论。这个理论在当时通行无阻，它不但正确地描述了行星和月球的运动，而且对我们身边的所有运动都能很好地描述。

但爱因斯坦意识到还有些问题牛顿没有解决，因为牛顿自己曾经承认，虽然他知道如何计算重力的效果，但是他搞不清楚重力究竟是如何起作用的。比如说，太阳距离地球1.5亿千米，在这么大的尺度上，它是怎样影响地球运动的？太阳如何穿越广袤的空间施展它的影响力？爱因斯坦把这个问题作为自己探讨的对象，研究重力如何发挥作用。

太阳和地球

他发现了什么？他发现传递重力的媒介就是空间本身。这个想法的本质是将空间想象为万物的基质。爱因斯坦说，在没有物质存在的情况下，空间是平坦的；可是一旦有了物质存在，比如说太阳，空间的结构就会扭曲，形成弯道，这便导致了重力的产生。就连地球也在扭曲它周围的空间，让月亮在其轨道上不停地运行。按照这个想法，太阳、地球和月亮由于自身的存在，在各自所处的空间造成了扭曲，在“碾”出来的“山谷”中运行。太阳的存在产生了一个弯道，使得地球沿着这个弯道运转。这就是重力作用的新观念。

1919年的天文观测肯定了这个观点。爱因斯坦因而举世闻名，卡鲁扎也因此动起了脑筋。他和爱因斯坦一样，也在寻找所谓的统一理论，这个理论可以用来描述自然界的所有力，是一整套思想、一整套原理，或者一个万能的公式。卡鲁扎觉得，既然爱因斯坦能够用空间上的翘曲来描述重力（精确地说就是时空），或许他也可以用相同的游戏规则描述其他已知的力，即当时人们所知的电磁力。

但是这里产生了一个问题：爱因斯坦已经用时空和翘曲描述了重力，似乎没有别的什么还能实现翘曲。因此卡鲁扎说，空间也许还有更多的维度，每描述另外一个力，都需要增加一个维度，电磁力就是第四维度的翘曲。问题的关键就在这里：他写出方程组来描述四维空间的翘曲，结果发现它就是科学家一直以来描述电磁力的那个公式，而不是别的什么。这个发现让他激动得不得了，他围着房子边跑边叫：“我胜利喽！我胜利喽！”他认为自己已经发现了统一理论。

显然，卡鲁扎这个人很看重理论。有一个关于他的故事：当年他想学游泳，就买了一本教游泳的书，看完之后他就跳进了大海。这个人愿意为了理论拿生命冒险。像我们这样比较注重实践的人，可以立刻从他的方程中发现两个问题：如果空间有更多的维度，那么这些维度在哪里？我们为什么看不到？如果用这个理论解释我们周围的世界，把它应用于实践，会不会有什么问题出现？

第一个问题是由瑞典物理学家奥斯卡·克莱因于1926年解答的。

他把维度分为两类：一类是大的维度，容易看见；另一类维度可能非常非常小，蜷缩在某个地方，即使存在于我们周围，我们也看不到。但是，我们可以充分发挥自己的想象力。设想你正在看一根电缆：从远处看，电缆只有一维，但是根据常识，我们知道电缆是有一定粗细的；从远处看很难知道它的粗细，但是如果我们把焦距拉近，或者设想上面有只蚂蚁，一会儿直线爬行，一会儿绕行，或者顺时针，或者逆时针。

这说明维度可以有两类：大的维度和小的维度。我们身边的大维度是很容易看到的，但是也可能有其他维度蜷缩在什么地方，就像电缆上盘绕着的钢丝那样，如果不就近观察，就不会有人看见。可是对蚂蚁来说就不同了，电缆相对它是很大的空间，电缆上盘绕的钢丝也同样非常显著，也许它还能看见更微小的维度。所以对我们来说，如果把空间无限放大，应当会有更多的维度。

再来看第二个问题。用这个理论解释真实世界，能行得通吗？其实，爱因斯坦、卡鲁扎以及其他许多科学家当时都在试图优化这个框架，用它来解释宇宙的物理，虽然研究都很深入，但是不管用。比如说，用这个理论就无法获得正确的电子质量。因此，尽管当时许多人都致力于此项研究，但截至20世纪四五十年代，这个奇怪但让人着迷的统一物理定律已经烟消云散。现在，所有物理学家都在追寻一种新的理论，试图对物理定律进行统一，这种理论被称为超弦理论。超弦理论的奇妙之处在于，乍一看与更多维度没有什么关系，但是进一步研究超弦理论就会发现，更多维度以一种闪耀的新形式复活了。

超弦理论试图解答这个问题：在我们周围的这个世界，构成万事万物最基础、最根本、不可再切分的最小成分是什么？设想我们观察一个熟悉的物体，比如说一根蜡烛，然后我们试图弄明白它的构成。深入其内部，我们可以看到它的原子，但这还不是最小的，因为我们知道原子中央有个原子核，它周围有电子围绕它旋转，原子核里还有中子和质子，中子和质子里还有更小的微粒，叫作夸克。常规的概念就到这里为止。

在这些粒子的深处，还有其他成分——一种舞动着的丝状能量，看上去就像振动着的弦，弦理论也因此而得名。这些“弦”就像大提琴上的弦，只要拨动就会以不同的模式振动，但它们的振动产生的不是不同的音符，而是构成我们世界的粒子。因此，如果这个理论正确的话，宇宙的极微观景象就应该是这个样子：由大量这样的振动能量丝组成，并以不同的频率振动。不同的频率产生不同的粒子，不同的粒子造就了我们周围这个世界的多样性。

在这里，我们看到了统一性，因为物质粒子、电子、夸克、射线粒子、光子、引力子，都是由一种实体构成的，所以物质和自然力都是由这些振动着的“弦”组成的，这就是我们所说的统一理论。还有一个绝妙之处：研究弦理论的数学就会发现，它在只有三维空间的宇宙里不能成立，四维、五维或六维也不能成立。那么，怎样才能成立呢？科学家认为，只有在十个空间维度和一个时间维度中才行得通。这就又回到了卡鲁扎和克莱因的观点：要想恰当地描述我们的世界，它的维度就应该比我们看见的多。

这样一来就又产生了一个问题：是这些其他维度隐藏起来了，还是我们的世界拥有一些其他奥秘？下面让我们看看这些其他维度的两个特点。首先，我们中间有很多人相信这些其他维度可以用来解答理论物理中最深层的问题。在过去几百年中，科学家得出了20来个数字，可以用来真正地描述我们这个宇宙，包括电子和夸克等的质量、引力的强度、电磁力的强度等，精确得令人难以置信。可是，没有人能够解释这些数字，没有人知道它们为什么拥有那些具体的值。

弦理论能给出答案吗？现在还不能，但是我们相信这个问题的答案可能要依赖这些其他维度。非常奇妙的一点是，如果这些数字不是现在的值而是其他什么，那么我们所知的宇宙就不会存在。这个问题很奥。这些数字为什么会如此适合恒星发光和行星形成？如果拨弄这些数字，整个宇宙就会灰飞烟灭。弦理论认为，这20来个数字与其他维度有关联，这些维度的几何结构极其丰富，错综复杂。

以卡拉比丘的形状为例，我们可以看到其他维度蜷缩在一起，相互缠绕，形状和结构都非常有趣。如果其他维度就是这个样子，那么我们所处的宇宙的微观景象就是这种极微小的微缩形状，你的手一摆，周围的这些维度就会不停地移动。那么，这20来个数字隐含着什么物理意义呢？

观察一件乐器，比如法国圆号，注意气流受乐器形状影响而产生的振动。弦理论中所有这些数字反映的是“弦”的振动方式，就像气流受乐器棱角、弧坡的影响一样，“弦”本身也受到它所处的结构中振动模式的影响。所以，如果我们能准确知道其他维度是个什么样子，就可以计算出所有可能的音符或振动模式。更进一步说，如果能够计算可能的振动模式，就可以计算出这20来个数字。如果我们计算得出的答案与那些通过实验验证了的数字相符，在很多方面，这将成为对宇宙结构现状的首次基本解释。

其次，如何更直接地证明这些其他维度的存在？这只是一个有可能解释世界上从未得到解释的特征的有趣数学结构，还是能够在现实中验证其他维度存在的完整理论？我们认为，欧洲核子研究所的大型强子对撞机可以为我们验证这些其他维度是否存在。这台对撞机会使粒子以接近光速在隧道内正反双向运动，这些粒子时不时会正面碰撞。这样做是希望撞击的能量足以使一些残骸从我们所知的维度中迸出，迫使它进入其他维度。怎样才能知道结果呢？我们将测量撞击后的能量，将其与撞击前的能量做比较，如果撞击后能量减少了，就证明能量发生了逃逸；如果我们可以计算出逃逸的模式，就能够证明其他维度的存在。

想象一下，现在有一种叫作引力子的粒子，我们期望它能够迸出来，条件是真的存在其他维度。这将是一段了不起的历史，一次了不起的机会。回顾牛顿时代的绝对空间，它仅仅为宇宙中的事物发生提供了一个舞台。后来爱因斯坦说时空是可以翘曲的，这就是重力。然后又出现了弦理论，它告诉我们可以把重力、量子力学和电磁理论统一起来，但是需要拥有更多的维度。这将是我们有生之年极力验证的一个问题，有一定的可能性，也非常神奇！

继续阅读：弦和超弦是什么？它们是否可以解释宇宙的起源？   西奥多·卡鲁扎   宇宙   奥斯卡·克莱因   爱因斯坦   弦理论

此文由 林心小筑 编辑，未经允许不得转载！：首页 > 潮·科技 » 弦和超弦是什么？它们是否可以解释宇宙的起源？