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   11维时空：晃动的上帝影子？（下）

宇宙空间不仅是三维的，还有更多的维。这“更多的维”卷曲在量子世界——普朗克长度（10^-33厘米）以下。

真空其实是不空的。真空（我们理解什么都没有）在普朗克长度以下都是有量子涨落的。其物质能量也是最高的。美国、欧洲、日本的科学家正在狂热建立庞大的粒子加速器（欧洲大型的强子对撞机已经开始运行），设法通过粒子对撞获取超高温使真空融化，终极目的当然是使基本粒子夸克与胶子摆脱强力而分离，再现我们宇宙奇点大爆炸的情景。但是，融化真空，需要宇宙大爆炸初始的高温；促使夸克与胶子分离，可能全地球的能量加在一起也做不到。否则，一个全新的宇宙将会诞生。

为说清楚这些卷曲的维，我们暂时把目光从浩瀚的宇宙转向我们更熟悉的花园，看一根细长的浇水管。

想象一根几百米长的水管横过一道峡谷。在这么远的距离上，你很容易看到水管是一根长长的展开的线，如果没有特别好的视力，你很难判断它有多粗。从远处看，如果一只蚂蚁在水管上，你想它只能在一个方向，即顺着水管方向爬行。谁问你某一时刻蚂蚁的位置，你需要告诉他一个数：蚂蚁离水管左端（或右端）的距离。这个例子的要点是，从几百米以外看，长长的一根水管就像是一维的东西。

实际上我们知道水管是有粗细的。从几百米以外你可能不容易看清，但拿一只双筒望远镜，你可以看得很真切。在望远镜的镜头里，你看到蚂蚁爬在管子上，能朝两个方向爬行。它可以顺着管子，左右爬行，这一点我们已经知道了；它还可以绕着管子，沿顺时针或反时针方向爬行。现在你明白，为确定某一时刻小蚂蚁在哪儿，你必须告诉两个数：它在管子的什么长度以及它在管圈的什么地方。这说明水管的表面是二维的。

不过，那两维却有很明显的不同。沿着管子伸展方向的一维很长，容易看到，绕着管子的那一圈很短，“卷缩起来了”，不容易发现。为看清圆圈的那一维，你得用更高的精度来看这个管子。

如果蚂蚁在管子的管口（断面）爬行，远看蚂蚁，它似乎在做直线运动，但要是接近管口，从垂直方向看，蚂蚁事实在做圆周运动。这个圆周的“维”被遮盖住了。

这个例子强调了空间维的一点微妙而重要的特征：空间维有两种。它可能很大，延伸远，能直接显露出来；它也可能很小，卷缩了，很难看出来，或者被挡住了。

早在1919年，卡鲁扎在给爱因斯坦的信中，就提出一个惊人的建议。他指出，宇宙的空间结构可能不只有我们寻常感觉的三维。后来，在1926年，瑞典数学家克莱茵把它说得更具体和明确：我们宇宙的空间结构既有延展的维，也有卷缩的维。而卷曲的维，即使用我们最精密的实验仪器也远不能探测它们。

为说明这一点，请看下图（以下黑白图片均来自《宇宙的琴弦》的插图）：

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上图最下面的一级表现了我们熟悉的周围世界的寻常距离尺度（如若干米）的空间结构，这些距离用大网格表示。接下来，我们关注越来越小的区域，把它放大来看。先看小一点儿的距离尺度下的空间结构，没有什么异常发生，它似乎与原来尺度的结构一样。经过三级放大，我们看到的情景依然没有变化。不过，当我们在最微观的水平——第四级看空间，一个新的卷缩的维度出现了，像精心织成的地毯上一个个毛绒绒的小线圈儿。卡鲁扎和克莱茵认为，这些小圈存在于我们延伸维的每一点。（如下图）

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    最重要的是，正如我们空间每一点都有“上下”、“左右”、“前后”方向一样，这些卷缩的新的维度，存在于我们熟悉的空间维的每一点，这是一个新的独立的方向。蚂蚁（如果足够小的话）可以朝这个方向爬行。为了确定那样一只微观蚂蚁的空间位置，我们不仅需要告诉它在延伸的什么方向（如上图由网格表示），还要告诉在圆圈的什么地方。这样空间位置需要4个数，再加上时间，我们就得到一条5个数表达的时空信息——比我们平常想的多一个维。但如果这些小圆圈是小圆球，或者是小的“面包圈”什么的，则时空就变成6维﹑7维……（见下图）

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那些看不见的维多小才算“小”呢？我们最先进的仪器能探测小到百亿亿分之一米的结构。如果那些维卷缩得比这个尺度还小，我们就看不见了。1926年，克莱茵结合了卡鲁扎的原始想法和新出现的量子力学思想，他计算的结果表明，卷缩的维可能小到普朗克长度（10^-33厘米）以下，是实验远远不可能达到的。

但卡鲁扎意识到这个多出的方程不是别的，正是麦克斯韦在19世纪80年代为描写电磁力而写下的方程！这样，通过添加1个空间维，卡鲁扎把爱因斯坦的引力理论与麦克斯韦的电磁理论统一起来了。

在卡鲁扎的统一提出以前，引力和电磁力被认为是两种毫不相关的力，甚至没有一点儿线索暗示它们可能存在什么联系。卡鲁扎凭着他的创造力，大胆想象我们的宇宙还有另一个空间维，从而发现引力与电磁力实际上存在着深刻的联系。他的理论指出，两种力都伴随着空间结构的波动。引力在我们熟悉的3个空间维中波动，而电磁力则在那个新的卷缩的空间维里荡漾……

新的“弦理论”，之所以强调弦振动的事实，是因为物理学家发现，那些令人困惑的计算结果，强烈依赖于弦的独立振动方向的数目。负概率产生的原因就是理论需要的振动方向与实际表现的方向不相称：计算表明，如果弦能在9个独立空间方向振动，那么所有的负概率都将消失。这在理论上当然很漂亮。

弦理论中的多余的空间维并不是随便能以任何方式“折皱”起来的；来自理论的方程严格规定限定了它们的形态。1984年，德克萨斯大学的坎德拉斯、加利福尼亚大学的霍罗维茨和斯特罗明戈与惠藤证明，某类特殊的六维空间的几何形态能满足那些条件。那就是所谓的卡-丘空间（或卡-丘形态），是以宾夕法尼亚大学的数学家卡拉比和哈佛大学的数学家丘成桐两人的名字命名的。他们两位在相关问题的研究比弦理论还早，对理解这些空间有着重要作用。

尽管描写卡-丘空间的数学既复杂又玄妙，我们还是大概知道它们像什么样子。（见下图）

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在寻常的三维展开空间的每一点生出一个弦理论所需要的六维空间，那些谁也不曾想过的维，紧紧地卷缩成一个看起来眼花缭乱的形态。这些维度无处不在，是空间结构不可分割的部分。假如你挥一挥手，你的手不但穿过三维展开的空间，也穿过了那些卷缩的空间。当然，卷缩的维太小，你的手不知扫过了多少那样的小空间。小空间的意思是没有大物体（如你的手）运动的余地——你的手挥过时，仿佛把小空间也“抹去”了，你根本不知道你自己经过了卷缩的卡-丘空间。（见下图）

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然而，弦理论一共生出了五个版本。每个版本用来描写我们只有3个空间维的世界，似乎都有麻烦。这是因为为了让弦理论有意义，宇宙至少应该是10维的（9个空间维，1个时间维）。

而20世纪90年代中，惠藤根据他本人的发现和前人的一些结果，提出了更令人信服的证据，说明10维时空近似的计算，实际上还是丢失了一个空间维。他的结论令多数弦理论家大吃一惊：弦理论实际需要11维（10维的空间和1维的时间）！

这样，“M –理论”应运而生。“M –理论”囊括了全部五个版本的弦理论，成为弦理论之母。

“M –理论”更为惊人：我们的宇宙构成物质最小最基本的粒子，既不是经典物理学的“点”，也不仅仅是弦理论的“弦”（线圈），而应该是“膜”。也就是说，一切物质均由最小的“膜”粒子构成。

“膜理论”理想的数学模型告诉我们，宇宙时空是11维的（10维空间1维时间）。“11维时空”预示着，沿着这个方向，完成把四种力（引力﹑磁力﹑强力﹑弱力）统一在一个理论框架下的“终极理论”（也叫万有理论），在不久的将来，将会成为可能。

至此，理论物理学走到今天，乔汝认为，我们虽然依旧不知道我们的上帝是谁，长得究竟啥样；但是，透过较为理想的数学模型，我们还是隐隐约约地感受到了晃动中的上帝影子——11维宇宙时空在运动……

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