第1章
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对数学家而言,
维度指的是一种“自由度”,
也就是在空间中运动的独立程度。
在我们头上飞来飞去的苍蝇可以向任何方向自由移动,
只要没有碰到障碍,
它就拥有三个自由度。
但维度是不是就只有那么多?
望远镜的发明以及随后多年以来的不断改良,帮助我们确认了一项事实:宇宙比我们能看到的还要浩瀚、广大。事实上,目前所能得到的最佳证据显示,宇宙将近四分之三是以一种神秘、看不见的形式存在,称为“暗能量”(dark energy),其余大部分则是“暗物质”(dark matter),再剩下来构成一般物质(包括我们人类在内)的,只占百分之四。而且物如其名,暗能量和暗物质在各方面都是“暗的”:既看不见,也难以测度。
我们所能看见的这一小部分的宇宙,构成了一个半径大约137亿光年的球体。这一球体有时被称为“哈勃体”(Hubble volume),但是没人相信宇宙的整体范围只有如此而已。根据目前所得的最佳数据,宇宙似乎是无穷延伸的——不管我们向哪个方向看去,如果你画一条直线,真的可以从这里一直延伸到永恒。
不过,宇宙仍有可能是弯曲而且有界限的。但即使如此,可能的曲率也会非常微小,以至于根据某些分析显示,宇宙必然至少有上千个哈勃体那么大。
最近发射的普朗克太空望远镜,或许会在几年内揭露宇宙可能比一百万个哈勃体还大,而我们所在的哈勃体只是其中之一而已 。我相信天文物理学家的这一说法,也了解有些人可能会对上面引述的数字有不同意见,但无论如何,有个事实是不容辩驳的:我们目前所见到的,不过是冰山一角。
而在另一个极端,显微镜、粒子加速器以及各种显影仪器持续揭露宇宙在微小尺度上的面貌,显现了人类原先无法触及的世界,像细胞、分子、原子,以及更小的物体。如今我们不再对这一切感到惊讶,完全可以期待望远镜会向宇宙的更深处探索。另一方面,显微镜和其他仪器则会把更多不可见之物转为可见,呈现在我们眼前。
最近几十年间,由于理论物理学的发展,再加上一些我有幸参与的几何学进展,带来了一些更令人惊讶的观点:宇宙不仅超出我们所能看见的范围,而且可能还有更多的维度,比我们所熟悉的三个空间维度还要多一些。
当然,这是个令人难以接受的命题。因为关于我们这个世界,假如有件事是我们确知的,假如有件事是从人类开始有知觉时就知道,是从开始探索世界时就晓得的,那就是空间维度的数目。这个数目是三。不是大约等于三,而是恰恰就是三。至少长久以来我们是这样认定的。但也许,只是也许,会不会还有其他维度的空间存在,只不过因为它太小,以至于我们无法察觉呢?而且尽管它很小,却可能扮演非常重要的角色,只是从人们习以为常的三维视野无法体认到这些罢了!
这个想法虽然令人难以接受,但从过去一个世纪的历史得知,一旦离开日常经验的领域,我们的直觉就不管用了。如果运动速度非常快,狭义相对论告诉我们,时间就会变慢,这可不是凭直觉可以察觉到的。另外,如果我们把一个东西弄得非常非常小,根据量子力学,我们就无法确知它的位置。如果做实验来判定它在甲门或者乙门的后面,我们会发现它既不在这儿也不在那儿,因此它没有绝对的位置,有时它甚至可能同时出现在两个地方!换言之,怪事可能发生,而且必将发生。微小、隐藏的维度可能就是怪事之一。
如果这种想法成真,那么可能会有一种边缘性的宇宙,一处卷折在宇宙侧边之外的地域,超出我们的感官知觉,而这会在两方面具有革命意义:单仅是更多维度的存在——这已经是科幻小说一百多年来的注册商标——这件事本身就够令人惊讶,足以列入物理学史上的最重大发现了。而且这样的发现将会是科学研究的另一起点,而非终点。这就好像站在山丘或高塔上的将军,得益于新增加的垂直向度,而能把战场上的局势看得更清楚。当从更高维的视点观看时,我们的物理定律也可能变得更明晰,因而也更容易理解。