宇宙怎样才能拥有多个维度？

　　据国外媒体报道，许多科学家都希望能用弦理论来解释宇宙万物。弦理论认为，宇宙中的所有力、所有粒子、所有常量和所有物体都处于同一物理架构之下，我们所见的一切都是无数微小的、不断振动的“弦”的产物。理论学家们自从上世纪60年代以来就一直在研究弦理论。他们很快意识到，弦理论要想成立，宇宙中一定不止有我们习惯的四个维度。这种说法听上去疯狂，但其实有一定依据可循。

　　维度灾难

　　在弦理论中，由振动的弦构成的环表现为各式各样的粒子（如电子、夸克、中微子等等）和自然力的载体（光子、胶子、引力子等等）。这是通过弦的振动实现的。这些弦极其细小，在我们看来就像一个个点，但每根弦都能以多种模式振动，就像用一根吉他弦可以弹出多种音符一样。

　　科学家认为，每一种振动模式都与一类特定粒子相关。因此所有以某一种模式振动的弦都可能表现为电子，所有以另一种模式振动的弦都像光子……以此类推。用弦理论的视角来看，我们所见的粒子碰撞其实是一大堆弦相互融合、又重新分裂的过程。

　　但这套理论要想成立，宇宙中只有四个维度是不够的，因为一般的时空无法为弦提供足够的振动“空间”，导致它们无法表达成为世界上所有的粒子。换句话说，这些弦不仅会扭动，而且还是“超维度”地扭动。

　　当前的弦理论总共需要10个维度，此外还有一套更大胆的弦理论（名叫M理论），共需要11个维度。但放眼宇宙，我们只能看到三个空间维度和一个时间维度。如果宇宙中不止有四个维度，我们一定早就注意到了。

　　问题来了，一方面是弦理论要求宇宙中存在多个维度，一方面是我们在宇宙之中只能体验到四个维度，这两大矛盾如何才能做到和谐统一呢？

　　蜷曲与压缩

　　弦理论的概念看似极端，但好在历史上有前身可以追溯。

　　1919年，在爱因斯坦刚刚发表广义相对论之后不久，数学家与物理学家西奥多·卡鲁扎（Theodor Kaluza）纯粹出于兴趣，研究了一下广义相对论的方程式。而他向方程中加入了第五个维度后，发生了一件有趣的事情——事实上，什么都没有发生，相对论方程并不会受到维度多少的影响。

　　但卡鲁扎对第五个维度做了一些改动，让它围绕自身蜷曲起来、变成“圆柱状”。加上这条新要求后，卡鲁扎又有了新发现：除了在四个普通维度下的广义相对论方程外，他还导出了电磁力的表达方程。这样看来，似乎增加宇宙中的维度数量便有可能实现物理学的大一统。

　　事后来看，这种想法略有些言过其实。但在几十年后，一位名叫奥斯卡·克莱因（Oskar Klein）的物理学家试图从量子力学的角度解读卡鲁扎的理论。他发现，若真的存在第五种纬度，且该维度在某种程度上与电磁力有关，那么这个维度必须卷曲起来才行（和卡鲁扎的最初想法一致），但尺度要小得多，仅为10-35米。

　　弦理论的众多流形

　　如果这个（或这些）额外维度真的这么小，就无法被我们注意到了，就连高能量实验也无法直接探测到它们的存在。而如果这些维度呈卷曲状，那么每当我们在四维空间中移动一下，就相当于围绕这些额外维度转动了成百上千亿圈。

　　而弦理论的“弦”正是存在于这些维度之中。

　　借助进一步的数学手段，科学家发现，弦理论所需的另外六种空间维度必须蜷曲成一类特定形状，即所谓的“卡拉比-丘流形”（Calabi-Yau manifolds）。但弦理论所允许存在的流形远远不止一种，而是约多达10200000种。如此看来，如果让六个维度随心所欲地卷曲起来，它们便会“无所不用其极”。

　　这些额外维度有许多种蜷曲方式，而每种配置都会影响维度内部的弦的振动方式。既然弦振动的方式决定了它们在宏观世界中的表现，那么每一种流形都会产生一个独一无二的宇宙，每个宇宙都拥有自己的一套物理法则。

　　因此，只有一种流形创造了我们所在的这个世界。但究竟是哪一种呢？

　　不幸的是，弦理论暂时无法告诉我们答案。麻烦之处在于，弦理论的问题还没有完全解决。我们只有五花八门的近似解法，希望能借此揭开事情的真相。但就目前而言，我们还不清楚自己的结论有多正确。从特定的流形、到特定的弦振动方式、再到宇宙的物理法则，对于这一长串问题，我们都缺少能予以解决的数学技术。

　　对此，弦理论学家提出了“地形”（Landscape）的概念，即由从各种流形推测出的宇宙构成的一个多重宇宙。在这张“地形图”上，我们的宇宙只是众多小点中的一个而已。

　　而弦理论如今的状态也是如此，茫茫然不可知。（叶子）