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寻找高维时空

作者：P. Weiss
<<科学新闻>>(Science News)157卷，第8号，2000年2月19日。
原文详见：http://www.sciencenews.org/20000219/bob1.asp

实验物理学家正在努力检验一种新理论，这个理论表明3维以外的时空是可以探测到的。

仅仅两年之前，有关高维时空的观点还处在物理学和科幻小说之间，如星云一般模糊和令人琢磨不透。

| 当一个重力子携带能量消失到另外维后，从孤立胶子中发出的能量突起。这个模拟模型的实验检验将在太电子伏加速器(Tevatron)上进行，据说该加速器将在2001年被再次启用。(Maria Spiropulu/哈佛大学)

很多物理学家已经开始认识到方兴未艾的弦论将成为理论物理下一步大突破的基石。在弦论中，宇宙中任何物质都是由微小的环或弦组成，这些弦或环实际上是我们这个看似无限的3个基本空间维和1个时间维之外的6或7维中的能量振荡。简单的说，这些另外维被紧致化了，用物理学家的话讲，被折皱在一个探测不到的微小空间中了。

“另外维也许会更大一些而且能够被探测到，这是傍晚时科学家们经常谈论的，尤其在喝多了酒之后。”高登 L. 凯恩 说，他是密歇根大学的理论物理学家，凯恩后来认为他的一篇关于实验物理学家发现另外维的幻想新闻有点过于幻想了。

凯恩的文章作为<<今日物理>>(Physics Today)发起的短文比赛的3篇获奖文章之一发表在1998年5月的该期刊上。根据法国Ecole 理工大学的 Ignatius Antoniadis 在1990年的一篇富有创意的论文，凯恩写到，特殊的粒子射流能产生惊人的数据。他认为实验检验会于2011年在欧洲加速器(LHC)上进行，这个建设中的加速器将是世界上最大的强子对撞机。

实验结果会暗示一个或两个另外的空间维，这篇文章写到，“这将会令每一个人吃惊”。

事实上，甚至在他的文章正式发表之前，关于另外维的可探测性已不象他几个月前写这篇文章时那样令人吃惊了。在他递交文章到正式发表期间，有两篇理论文章已经出来了，他们一下子把存在更大的另外维的观点推倒了令人瞩目的地方。

一篇文章来自CERN(欧洲核子中心，它是位于日内瓦的粒子物理实验室，LHC正在这里建造)。该文章分析了比弦论中一般认为的尺度大一万万亿倍的另外维带来的后果，但即使这么大，也只有一个质子的万分之一那么大。研究者认为，这些另外维会产生可以被目前的粒子加速器或它们的下一代，如大强子对撞机(LHC)等探测到的效应。

另一项研究来自斯坦福和意大利国际理论物理中心(ICTP)，他们认为某些类型的另外维会大一些，也许会大到一个毫米，因此这些另外维不仅可以用对撞机探测到，甚至可以用小规模的桌面实验探测到。

今天，美国和欧洲的实验者们都在搜寻另外维存在的迹象。“这种存在的证明无疑将是今后几年中最令人瞩目的发现之一”，费米国家实验室的Joseph Lykken说。

在此期间，各式各样的另外维理论会持续涌现，在最近的一波中，研究者提出无限大另外维的可能性。

想象任何一个这样的另外维不是一件容易事。决定于有多少个另外维的存在，物理学家说，它们会卷曲成一个简单的环或球或弯曲成曲折的6维8字形仿星器。传统的表面4维宇宙中的一个点将会成为一个微小的多维体。物理学家估计一个另外维的大小约为10的负35次方米。

物理学家们还估算了探测另外维存在所需要的能量。一个电子加速到1太电子伏特(1Tev，即一万亿电子伏)时，根据量子力学的基本原理，它的波长将为2乘10的负19次方米，它对亚原子世界的相应探测距离也是那一量级的；如果把它的能量加倍，它将可以探测比上面长度再小一倍的结构。依此类推，用现在的加速器能够探测的长度将比10的负19次方稍大一点。

关于另外维的概念可以追溯到20世纪20年代。那时，物理学家Oskar Klein在他的一次创造性的但不成功的试图统一电磁力和重力的努力中，根据数学家Theodor Kaluza 的工作，在熟悉的4维宇宙中加上了一个弯曲的第五维。

| Oskar Klein (左) 在20世纪20年代提出，隐蔽的空间维会影响可观测的物理量。他和物理学家George Uhlenbeck (中)，Samuel Goudsmit 1926 年在荷兰Leiden大学合影。(AIP Emilio Segrè Visual Archives)

物理学家认为4种基本力：电磁力，弱作用力，强作用力，重力，在大爆炸发生时是统一为一种单一的作用。从理论上讲，这种大统一的情形只有在所有这些作用力在那样的高能状态下，作用强度基本一致时才会出现。然而，重力却比其它力要弱的多。

当今天的研究者们在探索另外维时，他们其实是在寻找统一理论的推论。另一些努力建立统一理论的科学家发现另外维的存在是一个很有效的工具。

然而，直接检验大统一理论似乎不可能，因为这种大统一的效应只会在10的13次方到16次方太电子伏特的能量状态下才会出现，而今天最高能的对撞机只达到1太电子伏特。

欧洲核子中心的理论物理学家Keith R. Dienes, Emilian Dudas, and Tony Gherghetta 设想如果他们展开一个或多个弦论中的另外维到10的负19次方米(这是目前尚未被探测的长度中最大的)将会发生什么。令他们高兴的是，他们发现3种非重力作用会在1太电子伏特下统一，这种统一效应将可以直接在大强子对撞机上观察到，也可以在一些小型的对撞机上间接观察到。

他们的研究发表在物理文献上：http://xxx.lanl.gov/abs/hep-ph9803466

对物理学家来说，1太电子伏特是一个里程碑。理论和实验物理学家都肯定了电磁和弱作用将在比这个能量稍低的情况下统一。物理学家曾经为即使只统一3种作用也需要非常高的能量而苦恼过。他们称这个问题为等级问题。

斯坦福和意大利国际理论物理中心(ICTP)的科学家用另外维来解决这个问题。他们集中在重力上，寻找一种方法使它的强度达到在1太电子伏特时和其它几种作用力差不多。

他们设想存在只影响重力并且有一毫米大小的另外维，从而成功地解决了这个难题。除非在科学标度上有一个大裂缝才能使这些另外维出现。虽然物理学家们对其它几种作用力的测量已经向下达到了10的负19次方米左右，但他们对重力的广泛测量只向下达到一个厘米的量级。

为了描述只影响重力的另外维，斯坦福的研究者们使用了branes这样的实体，这些复杂的膜一样的自身可以有许多空间维的东西已经成为弦论的核心部份。在某些类型的弦论中，我们这个宇宙本身就是一个有3个空间维的在一个更高维空间中运动的3-brane。

| 一些理论物理学家把我们这个宇宙设想成一个嵌在一个膜一样的实体中的多维时空，这个被叫做brane的东西同样有着许多维。图中的垂直线表示我们熟悉的3维空间(时间维没有标 出)。在这条线上的每一点上，一个另外维卷曲在一个半径约为10的负19次方米的范围内。从每个点发出的垂直于brane的bulk是又一个另外维 (摘自 Dienes 等，Nuclear Physics B)

弦论指出任何一个brane之外的另外维只影响重力，换句话说，就是只与被称为重力子的重力作用载子发生作用。这些另外维可以在brane之外的时空里漫游，而其它作用力则被限制在brane之内。与此相对的是，与brane相关联的另外维却可以影响所有的作用力。因此，即使重力似乎有一个和其它作用差不多的内在强度，但因为它弥漫在整个外部时空中，所以它表观强度就被大大降低了。

任何一个影响重力的另外维都会改变牛顿的反平方重力律，即物体间的吸引力正比于它们距离平方的倒数。理论学家的计算表明整体时空中的一个另外维长度可达一亿公里的量级，大约为地球到太阳的距离。这种想法似乎不可行，因为地球的轨道确实遵守反平方重力律。

如果有两个另外维存在，那么每一个将会有0.1到1毫米的长度，大到能够被探测又小到不会被现在的反平方律立刻否定。随着另外维数目的增加，它们的长度会远远小于毫米量级。

把这些努力归纳起来，“你会得到一个引人注目的场景”，CERN研究组的Dienes说，他现在图森的亚里桑那大学，“这两个方案共同降低了所有基本物理量的能量量级。”

在这些理论的鼓舞下，实验学家们正在加速器和重力实验室中努力寻找另外维存在的迹象。大多数加速器上的搜索始于去年，加州大学的Kingman Cheung说。在那之前，研究人员已经把理论家的假想变成了可行的实验方案。在去年12月的第7届国际粒子、弦和宇宙会议(PSCOS99)上，Cheung展示了一系列进行中的和计划中的研究方案。

为了发现CERN研究组所说的那种类型的另外维，研究者们正密切留意着被成为Kaluza-Klein towers的东西，它们与非重力载子相联系，如电磁作用中的光子和弱作用中的Z玻色子。另外维中的能量激发会把每一个这样的载子变成一系列一个比一个大的原来粒子的克隆体，这很象一个音符的一系列和声。

“我喜欢把这些Kaluza-Klein towers看作第五维的一系列回声。”Dienes说。

因为这些“塔”(towers)易于放大这些作用的强度，它们的影响有可能在比这些“塔”的表征能量低的状态下被探测到。研究人员说。

回顾CERN的大正负电子对撞机(LEP)的一次早期运行的数据，在直到4太电子伏特的能量态下研究人员没有找到这些另外维影响的迹象，Cheung告诉科学新闻(Science News)说。CERN研究组的另外维一定小于0.5乘10的负19次方米。6到7年后建成的大强子对撞机的能量将能达到14太电子伏，那时这些“塔”也许会被探测到。

重力将不会在加速器中被探测，因为其它作用力完全淹没了重力对粒子作用的微小影响。“重力是那么的弱，它将不会进入舞台” Cheung说。

事实上，物理学家们习惯于用非常精密的实验手段来作重力的精确测量。这个以18世纪的科学家亨利·卡文迪许命名的实验通过确定两个悬挂的质量间的作用力来进行。然而，在极小的距离上，静电和被称为范德瓦尔斯力的分子力将再一次淹没重力作用。

通过极其敏感的实验设备进行卡文迪许实验，至少有两个研究组在检验毫米量级的另外维的存在。如果这样的另外维存在，亚毫米距离上的重力将不按照牛顿反平方律增长，而是按照距离4次方的倒数增长。

斯坦福的研究人员发展了一种微加工的悬臂，它能够对它下面80微米处的重力牵引做出反应。一束激光被用来探测悬臂的运动，同时悬臂被冷却到4开尔文以降低无规的热运动。实验者们打算不仅测量重力，同时也可以测量范德瓦尔斯力和其它短距作用。因为现在对另外维的研究太过喧嚣，“所以我们不去注意其它的所有实验”Kapitulnik说。

与此相似的是，在科罗拉多的Boulder，一个象跳水板一样只有几克重的钨条被置于另一个钨条之上的真空中。当一个马达飞快地上下扭动这个跳板时，科学家们在探测它下面的钨条的运动。一套工作在4开尔文的新装置将会代替目前在室温进行的版本，项目负责人，科罗拉多大学的John C.Price说。

如果重力的强度在1太电子伏处如同斯坦福-意大利方案所提示的那样显著上升，那么将有可能用加速器来检验这个理论。这样能量状态下的撞击将会产生大量的重力子，其中的一些会很快消失到另外维之中，并带走能量。实验者们将会搜寻非同寻常的实验表征：所谓的能量消失事件。

只有当另外维的尺度达到毫米量级时，这个能量消失事件和其它更精细的另外维效应才会在现有的加速器上反映出来，如大正负电子对撞机(LEP)和费米实验室的太电子伏对撞机。强大的大强子对撞机将会大大地增加探测到能量消失和其它醒目的另外维效应的机会。

尽管在两年前写了那篇获奖文章，凯恩还是对巨大的另外维不抱希望。他仍是一个6或7维另外维的坚持者，他说，但是只有10的负35次方米那么大。这样的话，理论上会更清晰，他解释道，除了3个熟悉的巨大的空间维外，其它的维都缩减到弦本身的长度。

“如果今天我打算再去赢一个比赛的话，我会写些其它的东西。”他说。

与凯恩在另外维上前后观点不一致相反的是，有两个研究者最近提出一个观点，认为有长度不受限制的另外维存在，其大小接近我们熟悉的3维。这些科学家注意到3-brane，象其它任何有能量或质量的物体一样，会在时空中卷曲并把重力子限制在一个只比brane稍大一些的区域中。这种卷曲还会使另外维在牛顿反平方重力律上的效应局域化到目前实验尚未探测到的亚厘米量级上。这种局域化使得这些维本身能够无限拉长，麻省理工学院，普林斯顿，波士顿大学的Lisa Randall解释说。在1999年12月6日的物理回顾(Physical Review Letters)上发表的这个新奇的观点同时带来了许多推论，并提示了新的另外维存在的可观测表征。这个工作已经激发了其它数十篇期刊论文和在线文章的发表。

不论另外维是否真的在实验室中出现，研究者们正在不遗余力地拓展另一个众所周知的隐蔽的维：想象。

（2000年4月6日译稿）

http://www.minghui.tv/gb/0001/Apr/06/hunting-higher-dimensions.html