宇宙是否存在隐藏维度？第一篇：卡鲁扎与克莱因

这是关于大额外维度系列文章的第一篇。

我常说，区分真正科学与伪科学的标志之一是：在两种情境下，你都可以说出脑海中闪现的任何疯狂想法，但在真正的科学中，你有义务认真对待这个想法。

想象一个深夜，你和朋友们聚在一起。抛出些天马行空的想法。或许涉及某些违禁品，或许只需要美酒与奶酪的搭配。然后你冒出一个大胆的想法，并且足够勇敢地与大家分享："嘿，各位，听着。如果宇宙有更多维度呢？"

强有力的想法。有趣的想法。很可能错误的想法，但这从未阻止过我们。在伪科学领域，思路大多到此为止，或者只是开始抛出一些与此松散相关的分支想法。

但如果你对满屋子的物理学家说出这个想法，你会看到神奇的事情发生。你会看到这些非常严肃、非常聪明的人认真对待它。认真对待一个疯狂的想法意味着什么？意味着我们将要探究这个想法是否真的行得通，以及是否有办法检验它。

那么，宇宙是否存在额外维度呢？好吧，让我们认真对待这个想法，看看它能将我们引向何方。

要判断一个疯狂、古怪而又可能绝妙的想法，在我们所处的真实世界中是否真的行得通，我们必须做两件事。实际上，是三件。第一，我们必须看看这个新想法是否能解决我们可能存在的任何问题。它能否化解一个长期存在的矛盾？它能否提供新的见解？它能否解释一个持久的谜团？要让这个新想法奏效，它必须，你知道，发挥作用，因此它必须在帮助我们更深入理解宇宙的旅程中提供助力。

第二，要使这个想法成立，它必须与已知的物理学相容。这并不意味着它不能打破任何现有理论。如果物理学家有喜欢做的事，那就是打碎他们所有的玩具。但我们必须弄清楚什么被打破了，以及在哪里、为什么被打破，以便理解新想法的含义。

第三，我们必须利用这个新想法做出预测。我们要检验这个家伙，所以我们需要有目标可指。有东西可探测。有东西可以剥开，看看内部情况。

最后，我们需要设计方法来实现这些检验。我们需要新的天文台或对撞机吗？我们能使用旧的、存档的数据吗？我们能利用现有装置，调整某个旋钮，从新角度观察事物吗？大自然是检验我们想法的最终裁决者，我们必须对它进行测试。

关于宇宙可能存在更多维度这一点，这三件事我们都做了！我们仍然不知道是否存在大的额外维度（抱歉，我想这算是剧透了），但这是因为这是一个非常棘手、艰难的问题，需要很多细微的考量和谨慎的处理，而且在科学中很少能得到非黑即白的明确答案。你得到的反而是一连串的"哦，这很有趣"，然后"或许……它能行"，接着"不，结果证明那是错误的方法"，然后是"如果我们试试这个怎么样呢？"

正如我所说，我们要认真对待我们的想法，即使是那些疯狂的想法。

额外维度的概念早在19世纪就已流行于大众想象之中。例如，看看洛夫克拉夫特神话中的怪物就知道了。但物理学家真正抓住这个想法是在1919年，当时一位名叫西奥多·卡鲁扎的人说："嘿，阿尔伯特，你有一个在四维中运作的非常棒的广义相对论。那么，如果我们给它增加一个额外维度呢？我认为这可能解决科学中一些长期存在的问题。"

看到了吗？认真对待这个疯狂的想法！

卡鲁扎的理论解决了一个统一性的问题。他发现，如果增加一个额外的空间维度，你就可以写出一组单一的方程，同时包含引力和电磁力。这很巧妙。这告诉我们，在这两种截然不同的力之间可能存在更深层次的联系，这将开启许多很酷的发现、见解和技术奇迹。

一个问题：那个额外维度究竟在哪里？如果我出去散步，我可以选择任何方向：左或右，前或后，甚至上或下。并没有我不知何故一直忽略的额外移动自由度。没有明显垂直于所有其他方向的方向。

我们正在认真对待这个想法，而这个想法必须与我们已知的关于宇宙的一切联系起来。所以，如果一个额外维度给我们带来了物理学上的新见解，那么这个额外维度存在于哪里？

七年后，也就是1926年，奥斯卡·克莱因提出了一个关于额外维度可能所在之处的想法。就在这里。就在我们面前，但卷曲得如此之小，以至于我们从未注意到。你知道机场X光扫描仪使用的那些滚动传送带吗？把它们想象成紧致维度。你把包滚下去，它只沿一个方向移动。但在这个过程中，它环绕了所有那些卷曲在第二个维度上的小滚轮。你注意不到那个额外的运动，只看到包向下滚动。

要使这个想法成立，额外维度（或者如果你胆子大，可以是多个维度）必须非常、非常小，小到接近普朗克尺度，我们说的是大约10^-33厘米左右。为了理解这个尺度，你，就是你坐在那里的身体，其大小与整个可观测宇宙的大小相比的差距，要比普朗克尺度与你的大小之间的差距小得多。

这非常小，小到我们在日常生活中，甚至日常的高能物理实验中都无法察觉。

对于爱好者来说，你们已经知道，卡鲁扎-克莱因理论（这个想法后来被称为此）会沉寂几十年，然后以弦理论支柱的形式重新出现，而弦理论后来要求的不只是一个，也不是两个，而是10个（或者也许是11个，取决于爱德华·威滕今天的心情）紧致额外维度。同样，所有这些维度都在近乎普朗克尺度上卷曲着，所以我们没有希望直接观测到它们。

但我今天不谈弦理论。我对超小、超卷曲、过于可爱的额外维度不感兴趣。我感兴趣的是大额外维度。显然，这些维度不能太大。否则我们现在就应该已经注意到它们了。但也许它们可以比普朗克尺度大（公平地说，这几乎意味着一切），也许这些大额外维度与所有其他事物的相互作用并没有那么大。

那么，让我们认真对待这个想法。如果存在没有卷曲在普朗克尺度的额外维度，它们能为我们做什么吗？它们能完成一些工作吗？

未完待续……

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