不懂额外维度？别说你看懂了《奇异博士》

中科院物理所 2016-12-06

　　东方、红衣、永生、知识水平很高、这个世界魔法师太多了……

　　看起来是不是很熟悉很亲切？

　　没错，今天我们就和大家聊聊最近热映的漫威大片——《奇异博士》，下文有些剧透，要继续阅读的朋友注意了哦。

　　话说主人公斯特兰奇原本是个年轻有为的高富帅医生，因为一场车祸，导致双手受伤、被女朋友甩了，一个悲伤的故事。伤心的他前往神秘的东方寻求治疗双手的方法，然后不知道怎么就来到了一个叫卡玛泰姬的地方，遇到了至尊魔法师古一。

　　作为一个受到良好科学训练，知识水平很高的医生，斯特兰奇对古一法师的魔法自然是不屑一顾了。这不是迷信是神马？

　　古一法师毕竟见多识广，也懒得跟这个年轻人废话，一掌将斯特兰奇的灵魂打出体外，让他穿越不同的时空维度，亲身体验魔法的神奇。

　　原来在这个充满神秘的宇宙中，真的存在更多额外的维度，有灵魂析居的维度，也有黑暗维度君主多玛姆所在的黑暗维度，有些空间维度宏大而壮丽，有些维度则蜷缩在细微之中令人难以察觉。在宇宙真相面前，人类不过是一个懵懂的婴儿。

　　我猜大部分吃瓜群众应该不懂额外维度是什么，只是不得不服，这部电影的视觉特效实在是太赞了！那么，湛庐君就来告诉你，神秘的额外维度是否真的存在？

　　答案是，完全有可能存在，只不过科学家口中的额外维度与电影所说的完全不同。抬头看看我们的四周，我们把这个有前后、上下、左右方向的空间称为三维空间，再加上一个时间维度，组成四维时空。在四维时空之外的维度，都被称为额外维度。

　　爱因斯坦创立相对论时，认识到第四维度——时间，是与空间的其他三维密不可分的。时间也需要一个标度，于是爱因斯坦用四维时空（在三个空间维之上加入时间维）的度规构造了引力。在一个空白空间里，空间是完全平坦的，没有任何褶皱和波纹——没有任何弯曲。

　　然而，如果宇宙充满了能量和物质，它们就会弯曲时空，演化出各种有趣的可能的宇宙结构和行为。就像上图所示的一样，当没有大球体时，小球将沿直线运动，而大球体的存在使时空弯曲，小球则会沿着大球转动。就像月球围绕地球旋转，地球围绕太阳旋转一样。

　　1919年，紧随爱因斯坦广义相对论（完成于1915年）之后，波兰数学家西奥多·卡鲁扎在爱因斯坦的理论里看到了这种可能，并大胆地提出了第四维度，试图将当时发现的两大基本力，引力和电磁力统一起来。但卡鲁扎却没能解释，这个额外维度在哪里？它为什么不同？它会延伸多远？

　　直到1926年，瑞典数学家奥斯卡·克莱因才解答了这一问题。克莱因提出，额外维度会卷曲成一个圆圈，且极其微小，只有10^-33厘米，即十亿亿亿亿分之一厘米。用分数表示的话，大概就是这么多零：

　　在早期，科学家们仅仅提出了额外维度存在的可能性。而哈佛大学美女教授丽莎·兰道尔跟她的同事拉曼·桑卓姆就进一步提出了，额外维度可能存在的原因。

　　这与一个日常生活中的未解之谜相关：相比其他作用力，引力为何如此微弱？

　　爬山时，你可能觉得地球引力并不微弱，但想想，那可是整个地球都在作用于你。一块小小的磁铁就能将一枚曲别针吸起，任地球庞大的质量都在将其拉向相反的方向。面对一块小小磁铁的小小拉力，地球引力何以如此不堪一击？

　　兰道尔跟桑卓姆认为，这是因为在我们的四维时空之外，存在一个可以传递引力的额外维度，大部分引力都扩散到那个维度上传播了。

　　举个例子，一页纸的表面是一个2维平面，如果我们用要用一小管墨水涂满10X10厘米的一页纸很容易，但如果要涂满这样一叠10厘米厚的纸，可能就会不够用，因为这样一叠纸都要涂满，就多了一维（厚度），变成了一个三维的物体。如果非要涂满，且墨水不够的话，就得兑水稀释，于是单位面积上的颜色就浅了。正因为跟其他作用力不同，引力扩散的范围是五维时空，比四维时空中的相互作用扩散范围大，所以导致其更弱。

　　扩散到额外维度的引力

　　那么，撇去古一法师的魔法，我们如何确认额外维度的存在呢？幸运的是，科学家们需要通过实验寻找一种叫做卡鲁扎-克莱因粒子的蛛丝马迹。设在日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）通过高能质子对撞产生新的粒子，通过这一手段，科学家们已经发现了产生质量的希格斯玻色子。或许不久的将来，LHC的高能反应中，还将发现预言额外维度存在的卡鲁扎-克莱因粒子。

　　想要了解更多关于额外维度的秘密，请关注哈佛大学美女—丽莎·兰道尔的宇宙三部曲。