多維空間:膜世界理論

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自古以來,在東方文化中一直流傳著陰間和陽間的傳說。所謂陽間,就是我們人的肉眼所能看到的這個物質世界。用現代科學的語言講,這個空間可以用長、寬、高來描述,也就是說,這個空間是三維的。

所謂“陰間”,就是人死後“靈魂”所存在的空間,而這些靈魂是有形象的,具有類似人的形象,叫做“鬼”。在東方傳說中,陰間也是一個極其豐富的世界,除了“ 鬼”之外,還有其它動物、植物、物體存在,也有各種建築物的存在,例如古典文學作品中的“豐都城”就是一例。用現代科學的語言講,這個空間也可以用長、寬、高來描述,也就是說,這個空間也是三維的。

三維的陽間和三維的陰間同時存在,也就是說,在同時同地存在著兩個空間。這兩個空間中的物體可以互相穿身而過,不受任何影響,因為他們存在于兩個不同的空間。

對于“陽間”、“陰間”的傳說,東方的古人是一直相信的,所以他們講“積德”、“做好事”,免得死後下地獄。而現代很多人是不大相信的,認為這是古人科學不發達而想像出來的。現代人認為,“陰間”中的物體看不見、摸不著,連最先進的現代科學儀器也探測不到它們的存在,所以陰間是不存在的。

然而,科學家們的思想往往是超越人類現有知識的。他們認為,看不見、摸不著、現代科學儀器探測不到的,並不能證明不存在,也可能是因為這個儀器還不夠先進。

在現代物理學研究中,為了能夠把萬有引力和其它基本作用力統一起來,一些理論物理學家大膽提出,我們這個宇宙可能只是多維空間的一個層面(膜)。基於這個“ 多膜世界”的概念,科學家們就能夠把萬有引力和其它基本作用力統一起來。世界最權威的科學雜誌《自然》2001年6月28日(第411卷)報導了多膜世界理論的研究進展:

請設想一下,我們熟悉的這個三維空間和一維時間的宇宙被一個多重宇宙所代替,當然這超出了我們的經驗。現在設想這個多重宇宙是以多層膜的形式存在於一個多維超空間。這些另外的時空可能只有原子大小,也可能無限的大。我們也許永遠也不能進入這些時空,但是它們卻對我們這個宇宙的物理現象產生深刻的影響。

多膜世界迄今只是在理論物理學家腦海裡被證明存在的奇異世界。雖然聽起來有點異想天開,實際上“多膜世界理論”是非常嚴肅認真的一個嘗試,去解決最令現代物理學家們苦惱的問題:怎樣把引力和其它三個基本作用力統一起來。

對基本粒子和基本作用力特性的最流行的解釋是“標准模型”。其主要的缺點是不能把引力和其它作用力平等對待。多膜世界物理學創始人之一,哈佛大學教授阿肯尼-哈米德說:“這是非同尋常的,雖然引力是最早發現的,卻是迄今了解最少的力。”與其它的伙伴相比,引力很弱。比較兩個電子之間的引力與電磁斥力,引力要弱10^43倍。阿肯尼-哈米德用了一個大家熟悉的例子進一步說明:“一個普通的磁鐵能夠吸起桌子上的一根別針,儘管整個地球的質量都在向下拉這根針,試圖阻止它被磁鐵吸上去。”

然而現在的宇宙理論要求,在宇宙“大爆炸”後的一個很短時間內,所有的四種基本作用力是合一的。在這樣的高能狀態下,這些作用力隨著宇宙的冷卻,在互相分離之前,引力一定與其伙伴有相同的強度。

目前試圖解決這個矛盾的主要理論是“超弦理論”,它把所有的基本粒子都用振動的一維“弦”來表示。根據超弦理論,在極小的距離(10^(-35)米)之內,引力的強度可以趕上其它伙伴。如果能探測這樣小的範圍,就可能發現另外7個卷曲的時空。

科學家們讓兩個能量極高的較大粒子互相碰撞,在碰撞產生的碎片中尋找(新的)基本粒子。如果“超弦理論”是對的,那麼要想探測引力的性質,所需要的能量將高達10^16萬億電子伏特,而現在世界上最大的粒子加速器只有2萬億電子伏特。

巨大的能量也給理論物理學家帶來了麻煩。粒子碰撞實驗表明:電磁力和弱核力在1萬億電子伏特能量時可以統一起來。通過仔細調節,“標準模型”可以適用於這個 “電弱”能量級別,但是無法解釋觀察到的弱電能量級別和弦理論所預言的10^16萬億電子伏特之間的巨大差異。物理學家們把它叫做“級別問題”。

大多數理論物理學家試圖通過引入“超對稱”來解決“級別問題”。這個理論提出,在“標準模型”中每個粒子都有一個鏡像,它們具有不同的“自旋”這種基本特性。這些粒子的量子效應處於極高的能量級別(10^16萬億電子伏特),但是理論物理學家們發現:他們幾乎完全抵消掉了,只剩下“電弱”能量級別。

1998年,在加州斯坦福大學工作的阿肯尼-哈米德、薩瓦斯迪莫泊拉斯和加艾德瓦裏從另一角度考慮“級別問題”。他們設想如果引力和電弱力具有相同的能量級別,那麼引力會是甚麼樣的呢?

經過深入的研究,阿肯尼-哈米德等提出了“膜世界理論”,認為許許多多空間是以多層膜的形式存在於一個多層超空間。

我們人類生存的這個膜(空間)是以摺疊的形式存在的,遙遠的星球在一個多層空間中看,可能離我們地球只有1毫米的距離。光波只能局限在膜內傳輸,而引力卻能夠“洩漏”到其它空間,也即引力可以在其它空間傳輸。由於這個差別,引力在我們這個空間看起來就非常弱了。

《自然》在這篇報導中對“膜世界理論”有更詳細的介紹,讀者可以參閱。現在“膜世界理論”還在不斷的發展之中,實驗物理學家們正在用實驗對“膜世界理論”的預言進行驗證。@*

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