在我们熟悉的三维空间外，是否存在更多维度？如果有，它们可以用来存放鞋子或者肚子上的赘肉吗？可以缩短上班路程吗？可以让我们抄近路，拜访更遥远的天体吗？……
其实，物理学家普遍认为三维以上空间可能存在，因为它们的存在可以解释引力为什么这么弱。而检验这个想法，需要测量短距离间的引力。日常生活中，我们经常测量远距离间的引力——称体重。当我们站在秤上，我们不只是在称体重，还是在测量自己和整个地球之间的引力。
想要深入了解事物的本质，你必须对基本假设保持怀疑，并且重新审视那些看似早已有了答案的问题，比如下面这几个：
对于这样的问题，大多数人的回答是“不”或者“你该去看心理医生了”，但有时重新审视它，你会打开全新的思路，而新的认知可能大大影响你的日常生活。空间是某种黏性的物质，而不是空洞的背景——如果你接受了这一点，那么现在请你假装系上安全带，因为探索多维空间的脑内过山车即将发车。在我们熟悉的三维空间之外是否存在维度更多的空间？是否有某些粒子或者生物可以在这些维度里运动？如果真有其他维度存在，那它们是什么样子？我们可以用这些维度来存放鞋子或者肚子上的赘肉吗？这些维度可以缩短我们上班的路程吗？这可以让我们抄近路去拜访遥远的天体吗？……这些听起来很荒谬，但大自然的真相往往自带荒谬感。我们不知道答案是什么，不过有些理论认为更高维度的空间是有可能存在的。就让我们假装戴上3D眼镜，一起探索宇宙可能拥有的不为人知的一面（几面）吧！我们要先明确地定义维度。小说和电影中的维度（dimension）通常指这样一个平行宇宙：一个和我们的世界相隔绝的独立空间，有一套不同的运行规则，那里的人可以拥有超能力。也许他们晚上出门会碰到闪闪发光的路人，还可以通过“时空门”进入另一个平行世界。这类故事很有趣，平行世界可能真的存在，但科学家说的维度可不是这个意思。在物理学和数学领域，维度指的是运动的方向。如果你画了一条直线，那么沿着这条线进行的运动就叫作一维运动。在一维世界里，所有生物都生活在一根无限长的线上。因为不存在其他的运动方向，所以一维科学家永远不能插队或是彼此交换位置。他们就像项链上的珠子和串起来的棉花糖，永远无法摆脱同一位邻居，就算这位邻居很美丽或者很美味。接下来请再画一条直线，与之前的那条直线垂直。这样一来，沿着第二条直线的运动就完全独立于沿着第一条直线的运动了。如果两条线之间的角度小于直角，那么沿着第二条直线的运动也会有一部分是沿着第一条直线的。沿一条直线的运动具有一个维度，而两条直线所构成的平面上的运动就具有两个维度。现在，我们已经描述了一维世界（线）和二维世界（平面）。要获得第三个维度，你只需要再画一条与前两条直线分别垂直的直线。第三条直线延伸的方向，就是平面的上方和下方。这就是维度的含义：每个维度都代表一个独立的运动方向，独立的意思是，你在某一个方向上的运动与其他方向上的运动无关。前面画出的三个维度涵盖了我们熟悉的所有运动方向：上下、左右和前后。在三维世界里，我们找不到和这三个方向都垂直的第四个方向，这样看来，我们的世界肯定是三维的，对吗？可是，我们的世界为什么不能有更多的维度呢？物理学家还无法解释这一点。要知道，在数学中，你可以有四维空间、七维空间，甚至两千维空间。
看到这里，你可能会想，拜托，如果真的存在更多维的空间，那我肯定能感受到啊！真的吗？我们真的可以判断是否存在维度更多的空间吗？这个问题我们要认真想一想了。比如，万一这个世界真的存在其他维度，而我们却没有感觉，那怎么办呢？换句话说，你之所以坚信空间只有三个维度，也许只是因为你感受不到第四个维度。想象一下，如果你是个生活在二维平面中的二维物理学家，你像书上的字和画一样被困在纸上，那么你的感知也会受到二维平面的局限，你看不到平面以外的东西。因此，你意识不到你所生活的扁平世界飘浮在一个三维世界里。同样，我们生活的这个三维世界也可能飘浮在一个更高维的空间里。说不定四维、五维、六维空间里的物理学家一直都在观察我们，嘲笑我们的狭隘，就像我们嘲笑那些被圈住的蚂蚁一样。但为什么我们看不到、感受不到其他维度呢？表面上看，这很奇怪也很不公平，但仔细想想，这其实和你感知世界的方式有关。人脑是以三维的模式感知世界的，事实证明，这样的确有利于我们在地球上生存。但这并不表示我们可以感知这个世界的一切，相反，我们会无视那些和日常生活关系不大的部分，而这部分可能正是理解宇宙本质的关键。比如，你对光线很敏感，因为有了光，你很容易发现天敌，也很容易找到棉花糖，但你感觉不到也注意不到那些围绕着你的暗物质，而这正是宇宙运行规律的重要线索。再举个例子：你感觉不到每秒有1011个中微子穿过每平方厘米的皮肤，如果能感觉到它们，你可能会了解很多关于太阳以及粒子相互作用的知识。我们每天沐浴在那些对现代物理学家来说十分重要的信息中，但我们的身体无法直接察觉它们的存在。那是因为，对于人类的进化，这类信息的获得既困难又无用。在撒满棉花糖的草原上，这些东西不能帮助人们提高活下来的概率。再看看这个问题——我们的世界有可能存在三个以上的维度吗？答案是肯定的。从数学上讲，这一点也不奇怪。我们感知不到的维度是有可能存在的，那是我们完全不熟悉的维度。接下来我们会继续探讨这个问题。如果在三维空间的基础上添加一个维度，那么在这个新维度上，运动会是什么样子？我们很难想象三维之外的运动。为了便于理解，我们先降低一个维度再思考。假设我们实际上是二维人，然后我们突然发现自己可以在三维世界中移动。就算你是三维世界中的二维人，你的二维身体仍旧只能在三维世界的二维“切片”中思考和感知一切。通常情况下，这就是你的极限了。不过，如果你忽然获得了在第三个维度中活动的能力，你就可以出现在三维世界的不同切片中。你的二维感知系统和二维世界观意识不到第三维中的运动，但是如果不同切片中的事物看起来不同，你会发现自己所处的二维切片变化了。如果你可以打破原有的二维空间概念，发展出三维空间概念（而没有引发二维偏头痛），那么你可以把所有这些二维切片的景象拼接成一个更大的三维世界。现在，我们用这个方法推断四维空间的情况。如果世界确实有第四维，而你忽然可以在该维度上运动了，那你就能观察世界是如何沿着第四个维度变化的。在沿着第四维运动时，你会发现周围的三维世界在发生变化。如果你拥有过人的智力和想象力，你就可以将所有的信息在脑内整合成一个四维模型。从某种意义上说，你已经在做这件事了。如果你认为时间是第四维的运动方向，那就更是如此了。你身边的三维世界会随着时间的推移而变化，你可以在头脑内将不同时刻三维空间的定格图像缝合在一起，形成一个四维（三维空间＋一维时间）世界。你无法想象这四个维度作为一个整体是什么样子，但你可以把三维定格图像沿着时间线串联起来。你可能会问：如果（除了时间以外）真的有第四维，那为什么从来没有人看到过它？我们之前也提到过，我们无法驾驭或感知自己在更高维度中的运动，因为这部分能力无关也无益于我们的生存。即便如此，如果它和那三个寻常维度一样，是线性维度，那我们应该已经注意到它了。就算我们只能在三维空间里感知事物，如果有东西在其他维度上运动，我们也会看到它在三维空间里反复出现和消失，这很容易引起我们的注意。因此，我们可以相当肯定地说，不存在和其他三个空间维度相似的第四个维度。其他维度即使存在，也是以某种隐秘的、难以捉摸的方式存在。有这样一种可能：我们已知的所有力和物质粒子都无法进入这些维度。也就是说，不会有物体在第四维中滑动，也不会有能量（通过作用力的媒介粒子，比如光子）扩散到这些维度中。这类令人费解的维度有可能存在吗？有可能，但是如果任何已知的粒子都难以进入这些维度，那我们发现和研究它们的机会也微乎其微。另一种可能是，只有某些特定的粒子可以进入更高的维度，这些粒子比其他粒子更稀有、更难研究，也更难被发现。最重要的是，更高的维度也可能因为自身的特点而不易被发现。那会是什么样的特点呢？比如，这些维度可能是弯曲的，可以构成小的圆圈或环。这意味着在这种维度中运动不会让你走得很远。事实上，如果沿着一个环状的维度移动，最终你会回到起点。如果你觉得维度可以弯曲成环状这个想法过于匪夷所思，那么你不是唯一这么想的人。就连最聪明的人也觉得这难以理解。事实上，说不定所有的空间维度都是环状的。就我们所熟悉的三个空间维度而言，这个环应该非常非常大——比观测可及的宇宙范围还要大。假如这些维度非常小而且是环状的，只有少数特定的粒子可以进入，那事情就说得通了。在三维空间中的我们看来，物体在这些小的环形维度中的运动所引起的变化并不大。尽管如此，我们还是有办法寻找这些维度的。这一点我们后面还会探讨。这些更高的维度是否存在？我们是否生活在有三个以上空间维度的宇宙中？我们不知道。但是，从物理学上讲，宇宙是可能存在高维空间的。更令人兴奋的是，我们有可能发现它们。继续读，你会了解我们可能通过哪些途径揭开这个谜团，让自我感觉良好的四维物理学家对我们刮目相看。物理学家之所以认为更高的维度可能存在，一个重要原因是，它们的存在有助于揭开另一些宇宙谜底。说得具体一点，更高维度的存在可以解释引力为什么这么弱。在四种基本作用力中，引力的强度非常弱，简直不能和其他三种力相比较。弱核力、强核力和电磁力之间也有一些强弱差异，但是在引力面前，它们都是肌肉发达的超级英雄，而引力则是神奇双子的宠物猴子。物理学家真的不想看到这种不一致性。虽然他们平时总是聚在一起对各种事情争论不休，但他们都向往物理定律的和谐统一。因此，关于引力的众多疑问之一就是：引力这么弱意味着什么？为什么引力比其他作用力弱得多？更多的维度或许可以解释这个现象。大多数作用力随着距离的增加会变弱，变弱的速度取决于空间维数的多少。空间的维度越多，被稀释到其他维度的力也就越多。想想看，如果有人在派对上放了个屁，那会出现什么情况？离放屁的人越近，你闻到的臭味就越浓。而在远离罪魁祸首的地方，臭气分子（又称臭粒子或臭子）会散布到空气中并被稀释。换一种情况，如果这个人在狭长的走廊里放屁，那么走廊里的每个人都会闻到很浓的臭味。但如果此人站在几条走廊的交叉处放屁，那么臭味会沿着不同的方向扩散，各个走廊里的人闻到的臭味会少一些。臭气的稀释速度取决于新鲜空气补充的速度，走廊越多，新鲜空气就越多，稀释的速度也就越快。虽然没有味道，但是作用力也有这种特点。如果在我们所处的三个空间维度之外还有两个空间维度，那么某物体对我们的作用力（无论是引力还是电磁力）不仅会扩散到我们所在的三个维度，还会扩散到另外两维中。因此，当我们远离作用力的源头时，相比只有三个维度的情况，作用力减弱的速度会更快。需要注意的是，这些额外的维度必须是小于1厘米的环形，因为到目前为止我们还没有发现它们。只有引力受这些维度影响，也就是说其他作用力扩散不到这些维度。如果存在第四维和第五维，其尺寸不超过1厘米，而且它们都是环状的，只有引力可以扩散到这两个维度，其他作用力都不行，那会出现什么情况呢？相距不到1厘米的物体之间的引力会被稀释到另外两个维度，于是力的强度随着距离的拉长会下降得很快。对于大于1厘米的距离，这两个维度就起不到这种作用了。这就可以解释为什么地心引力如此微弱了：在距离很近的物体之间，引力原本的强度和其他作用力一样，可一旦超过了1厘米，大部分引力就会被稀释到其他维度中去，剩下的就很弱了。引力是否真的像走廊里放的屁一样被稀释了呢？我们不敢肯定。更多维度存在的可能及其对引力的削弱作用目前还停留在理论层面。令人惊讶的是，我们其实有办法寻找其他维度。有更多维度存在的想法听起来不错，这可以简单而直观地解释为什么引力比其他作用力弱很多。不过，你可能也发现了，这个想法其实很容易检验。你要做的就是测量短距离间的引力，如果这个引力很强，那就说明小的环状维度存在。可惜的是，要做到这一点并不容易。测量引力听起来很容易（称体重就是测量引力），但那是因为我们习惯了远距离测量它。当你站在秤上的时候，你测量的是你和整个地球之间的引力。别忘了，你们俩当中有一个体积相当大。测量短距离的引力完全是另一回事。如果你想测量间距1厘米的两个物体之间的引力强度，那么你必须使它们的质心相距不超过1厘米，这意味着它们的个头儿必须非常小，这也意味着它们不会有很大的质量。如果质量太小，引力也会弱得几乎测不出来（别忘了，引力很弱）。举个例子：两个相距1厘米的铅制轴承滚珠之间的引力，比一粒尘埃在地球上的重量还要小。但是物理学家有个特点，几乎不可能的事情只会让他们更兴奋。更重要的是，这个实验有可能证实更多维空间的存在。于是，总有聪明绝顶的人滔滔不绝地讲解各种脑洞大开的实验方案。在过去几年里，物理学家经过不懈的努力，已经测出了引力在毫米尺度上随距离的变化情况。他们发现，至少在相隔1毫米时，引力的强度依然遵循大尺度上的规律。但这并不代表其他维度一定不存在。这个结果只是说明，如果这些维度存在，那么它们的尺寸小于1毫米。物理学家还有一个特点（他们有很多特点）：对于没有通过实际测量证实或否认的现象，会不管三七二十一地随意开脑洞。物理学家可以说，这个理论适用的尺度低于目前实验可以达到的最小尺度。因此，在这件事上，我们唯一可以肯定的是，如果存在其他的维度，那它们的尺寸必须小于1毫米。其他维度（即使是那种小小的环状维度）如果存在，还有别的事情会变得有趣。按物理学家所说，引力之所以这么弱，是因为它的强度被其他维度稀释了，也就是说，引力原本和其他作用力一样强大。它不是个软弱的家伙，而是一个伪装成弱者的超级英雄。通常，你需要把大量的质量和能量放入很小的空间才能制造黑洞。但是粒子，特别是具有相同电荷的粒子（比如质子），不喜欢彼此靠得太近。我们需要借助某个毁灭性的事件（比如恒星塌缩）使足够多的粒子靠得足够近，以便达到形成黑洞所需要的临界密度。但如果引力的短距离作用很强，那么加强版的引力会让质子形成黑洞的过程更容易发生。日内瓦的大型强子对撞机就能做到这一点。是的，你没听错，日内瓦的大型强子对撞机可以制造黑洞。假设存在小于一毫米的其他维度，那么大型强子对撞机可以每秒制造一个黑洞。这是不是太可怕了？这些黑洞难道不会越长越大，然后吞噬地球和所有的棉花糖吗？别紧张，答案是否定的。幸运的是，即使大型强子对撞机能够创造这样的小黑洞，它们的力量也远不及恒星塌缩形成的大黑洞。这些小可爱还来不及吞噬瑞士和地球上其他的地方，就迅速蒸发了。另一个能让你松口气的理由是，高能粒子轰击地球和相互碰撞已经有数亿年的历史了，如果粒子碰撞真的会产生足以吞噬行星的黑洞，那该发生的早就已经发生了，我们根本就不会存在。了解宇宙的几何结构对于理解这个世界来说是非常基础的环节。揭开出人意料的宇宙真相，发现世界原来不是我们想象中的样子—这个过程会带给你无与伦比的满足感。难道你不想知道外面是否还有更多维度吗？除了让人们获得满足感，寻找其他维度还有更实际的意义。也许我们会发现这些维度的存在还有别的好处。比如，它们也许能储存能量，或者让我们进入之前无法到达的空间。说不定它们还有别的神奇的功能，谁知道呢？另外，找到其他维度有助于我们研究宇宙是如何运转的（即另外95%的宇宙是如何运转的）。就算我们最终发现这些维度并不存在，这个结论也很重要。有了这个结论，我们就可以思考为什么空间只有三个维度，而没有四个维度、三十七个维度、一百万个维度。三维空间有什么特别之处吗？到目前为止，在短距离上测量引力的实验并没有带来人们意料之外的结果，大型强子对撞机也没有发现任何黑洞以及任何在其他维度中运动的粒子。换句话说，还没有证据表明弦理论对世界的描述是正确的，或者引力可以扩散到其他维度中去。现在，我们还是不知道宇宙空间究竟是几维的。更奇怪的是，还有这样一种可能：宇宙中的不同区域具有不同的维度，也许我们这一小块空间是三维的，但宇宙的其他地方存在四维空间或者五维空间。至少有一点是很清楚的：宇宙还有很多秘密有待我们去发现。我们要做的就是沿着正确的方向继续探索。《一想到还有95%的问题留给人类，我就放心了》
作者: [巴拿马] 豪尔赫·陈/[美] 丹尼尔·怀特森
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