互动科普

其实，多种理论都预言了存在超过3维的“额外维度”。理论不同，它们所预言的额外维度数也不同，当然，额外维度的隐藏方法、隐藏维度的大小等也各不相同。接下来将介绍有关额外维度的代表性理论。

维度的紧致化

在介绍有关额外维度的理论之前，先让我们详细了解一下卡鲁扎和克莱因所提出的额外维度的“紧致化”。

把2维平面卷曲成一个半径非常小的圆，最终变成1维的线。看不到的那个维度并非凭空消失了，而是卷曲到了极小，不能被看到罢了。在卷曲成圆的维度上，如果沿着卷曲维度的方向径直前进的话，就会回到起始点。

严格地说，紧致化这种想法即便在数学上也毫无矛盾之处。是否真有被紧致化的维度呢？又是按照怎样的机制进行紧致化的呢？这些都是另外的问题。

用“弦”来描述整个宇宙的话，3维空间还远远不够

空间的紧致化能够很好地解释为什么高于3维的维度隐藏在我们觉察不到的地方。基本粒子是自然界中最小最基本的单位，超弦理论则是描述基本粒子的运动和性质的物理学理论，它也采用了“紧致化”这一方法。

超弦理论认为，基本粒子实质上是极其微小的振动的“弦”。经过多年的研究探索，科学家们已经发现了各种类型的基本粒子，它们有的负责构成物质，有的负责传递力。虽然这些基本粒子看上去相差悬殊，完全不同，但是，从实质上来说，它们都是极其微小的“弦”，只不过弦的振动方式不同罢了。

这样的话，已经发现的基本粒子就必须与弦的振动方式很好地对应和吻合。从事超弦理论研究的日本大阪大学的桥本幸士教授认为“现实世界中的基本粒子，很难只用3维空间的弦振动来说明，3维空间远远不够”。

简单地说，维度就是运动的方向。桥本教授介绍说：“在超弦理论中，空间是9维的，弦的振动状态各式各样，所以能够与现实世界一致。”

有的学说认为，弦的长度非常非常小，大约为10^-34米，是最小的原子——氢原子直径（约10^-10米）的1万亿分之1的1万亿分之1。不过，这一长度并未得到证实，因为无论电子显微镜多么精密，都无法看到弦的“真面目”。

图：超弦理论所预测的世界

超弦理论的原型理论是在20世纪60年代后期提出的。英国物理学家迈克尔·格林和美国物理学家约翰·施瓦茨则将该理论进一步发展，于1984年提出“在10维时空中，迄今为止的理论难以解释的问题都将得到解决，不再矛盾重重”。此外，超弦理论的“超”是指“超对称性”的“超”。有关超弦理论的研究不断进展，90年代出现了下图所示的“膜”观点。光子等基本粒子是开弦，只能在膜上运动，引力子等基本粒子是闭弦，离开膜也能运动

只有在9维空间里才能消除矛盾

如前文所述，在超弦理论中，空间是9维的（加上一维的时间，则为10维时空），因此能与现实世界取得统一。桥本教授介绍说：“维度多的话，弦的振动状态就会有许多种。为了创立与现实世界一致的、在数学上也没有矛盾的理论，就必须增加空间的维度数，结果就变成9维空间的理论。”也就是说，如果进一步推进“基本粒子是由弦构成的”这一观点的话，就能得出“我们所处的世界是9维空间”这一结论。

“弦”能够解释为何引力如此微弱 ！？

超弦理论是说明基本粒子的性质和运动的理论。不过，如果将基本粒子是非常微小的“弦”这一观点进一步发展的话，或许能够解决 “为什么只有引力如此微弱”这一问题。

超弦理论把弦分为两类，一类是闭弦，另一类是开弦。闭弦的两端连接在一起，闭合成类似橡皮筋的圈，开弦的两端没有连接在一起。

总之，根据超弦理论，开弦只能吸附在广阔的膜（brane）上移动，闭弦则因为没有吸附在膜上的“端点”，因此离开膜也能运动。

超弦理论认为，传递引力的基本粒子——引力子是圈状的闭弦，组成物质的基本粒子（夸克和电子等）、传递电磁力的光子等其他基本粒子则是开弦。膜则对应着我们生活的3维世界。总之，包括人类在内的宇宙中的所有物体以及电磁力等力（开弦）只能在3维空间的世界（膜）中运动，而引力（闭弦）则不受3维空间的束缚，能够穿梭于高维空间。第24页的图片就是基于这种观点而描绘了只有引力扩散到了高维空间而变得非常微弱的情形。

就这样，从第一次诞生高维空间的灵感、创立超弦理论，到寻求只有引力变弱的理由，并试图统一4种基本力……在众多科学家孜孜不倦的努力下，物理学的终极目标正在一步步地向我们靠近。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）