【文章內容簡介】 單、和諧的）。高維空間理論認為，宇宙大爆炸后1043秒，十維宇宙分解成四維宇宙和六維宇宙，四維宇宙暴脹，經過近150億年，演變成今天我們生活的宇宙。大爆炸后1035秒，大統(tǒng)一力分開。但是高維空間理論很難在實驗室中得到證實，因為要模擬當時的環(huán)境，需要的能量太大，根本無法做到，所以現(xiàn)在高維空間理論只能是“理論”?！黾觼淼佬郏苊嫦虻谖寰S由于家境貧寒，我的父母擔憂我將不能把自己的實驗和教育繼續(xù)下去。幸運的是，我為我的各種科學計劃爭取助學金的行動引起了原子科學家泰勒（EdwardTeller）的注意。他的妻子慷慨地安排我接受四年的獎學金去哈佛大學學習，允許我在那里實現(xiàn)自己的夢想。具有諷刺意味的是，盡管我在哈佛開始了自己在理論物理方面的正規(guī)教育，但也正是在這里我對更高維數的興趣消失殆盡。像別的物理工作者一樣，我開始嚴格而又全面地學習與每一種自然力所對應的高等數學，這些自然力彼此之間是完全孤立的。我仍然記得給我的電動力學老師解題，然后我又問他如果空間在更高的維數中彎曲，那么答案可能會是怎樣。他以一種奇異的方式看著我，好像我有點瘋狂似的。像比我先來的人一樣，我不久就學會把孩提時代關于更高維數空間的念頭擱置一邊。我被告知：超維空間不是一個合適的嚴肅研究課題。我從來就不滿足于對物理學的這種支離破碎的處理，思緒常要飄回到茶園中鯉魚的身上。雖然我們常用的電磁場方程在１９世紀就被麥克斯韋發(fā)現(xiàn)，他的這一工作十分完美，但方程好像相當隨意。我覺得物理學家們（像鯉魚那樣）發(fā)明的這些“力”，實際上掩蓋了我們對物體怎樣能夠不彼此接觸而運動這一問題的無知。通過學習，我知道１９世紀有一場大爭論，就是光怎樣在真空中傳播。（事實上，從恒星上發(fā)出的光可以通過外部空無一物的空間毫不費力地傳播好幾萬億千米。）實驗也毫無疑問證明了光是一種波。但是，如果光是波的話，那就需要一些使它發(fā)生“波動”的媒質。聲波需要空氣，水波需要水，而在真空中卻沒有可以使光波動的東西，人們對此深感疑惑。沒有使光波動的媒質，它怎能成為波呢？于是，物理學家們就捏造出一種所謂的以太物質，這種物質作為光的媒質而充滿整個真空的空間。然而，實驗卻無可辯駁證明了“以太”并不存在。令人驚奇的是，直到如今，物理學家對這一難題仍然沒有作出真正的回答，但數十年來，我們卻對這樣的思想習以為常：即使沒有什么媒質，光照樣可以在真空中傳播。──作者注。后來，當我成為加利福尼亞大學伯克利分校的物理學研究生后，我非常意外地發(fā)現(xiàn)有一個變通的辦法，盡管這個辦法會引起人們的爭論，但是它可以解釋光怎么能在真空中傳播。這個變通的理論十分古怪，因此當我偶然間發(fā)現(xiàn)它之后十分震驚。這種震驚與許多美國人乍聞肯尼迪（JohnKennedy）總統(tǒng)被槍殺的感覺頗為相似。他們能永遠記住他們聽到這一驚聞的那一刻正在干什么，正在和誰說話。當我們第一次偶然遇到卡魯查克萊因（KaluzaKlein）理論時，我們這些物理學家也深感震驚。因為這一理論被認為是一種不成熟的推測，因而從不在研究生課程上講述。于是，留給年輕物理工作者們的只是在有關讀物中偶然地去發(fā)現(xiàn)它。這個變通的理論給光作了一個最為簡單的解釋：它實際上是一種第五維（或如神秘主義者通常所說的那個第四維）上的振動。如果光能通過真空傳播，那是因為真空本身在振動，因為“真空”實際上存在于四維的空間和一維的時間之中。加上第五維之后，引力和光就能以驚人簡單的方式統(tǒng)一起來。回顧我童年時代在茶園的體驗，我突然意識到這就是我夢寐以求的數學理論。然而，老的卡魯查克萊因理論有許多困難和技術問題，這就使得它半個多世紀來一直被束之高閣。可是，過去１０年中這一切都發(fā)生了變化。這一理論的更高層次的翻版，如超引力理論，特別是超弦理論，已經最終消除了該理論的不自洽性。突然之間，更高維數的理論正在世界各地的實驗室中被競相檢驗。世界上許多頭面物理學家現(xiàn)在相信，在普通的四維時空之外存在有更高的維數。這一思想事實上已經成為科學研究的熱點。的確，許多理論物理學家現(xiàn)在認為更高的維數是導致某種無所不包理論的關鍵步驟，這個理論──超維空間理論──將把許多自然規(guī)律統(tǒng)一起來。如果這被證明是正確的，那么未來的科學史家們可能會很好地記下：２０世紀科學一大觀念性革命就是懂得了超維空間可能是解開自然和宇宙奧秘的關鍵。這種富于啟發(fā)性的概念導致這方面的科學研究紛至沓來：世界各國主要研究所的理論物理學家們寫出了好幾千篇探索超維空間性質的學術論文?！逗宋锢怼泛汀段锢砜靾蟆愤@兩種重要的科學雜志中登載著大量這方面理論分析的文章。已經舉辦了兩百多次國際物理學會議來探索高維數的重要性。不幸的是，在驗證我們的宇宙存在于更高的維數中方面，實驗與理論還相差甚遠。然而，這個理論現(xiàn)在已經作為現(xiàn)代理論物理學一個合法分支而牢固地確立起來。例如，愛因斯坦度過他生命最后時光的普林斯頓高等研究院（我在那里寫成了本書）現(xiàn)在是一個研究高維時空的活躍的中心。1979年諾貝爾物理學獎得主溫伯格（StevenWeinberg）最近在評述理論物理似乎變得越來越像科幻小說時，對這一觀念革命作了總結。我們何以不能看見高維？這種革命性的思想初看起來似乎很奇怪，因為我們理所當然地認為我們天天生活在三維世界之中。已故物理學家帕格爾斯（HeinzPagels）曾說過：“我們物理世界的一個特點如此顯而易見，以至于大多數人從未懷疑過空間是三維的這一事實?！睅缀跏浅鲇诒灸埽覀冎廊魏我粋€物體可以用它的長、寬、高來描述。通過給出三個數字，我們就可以在空間確定一個位置。如果我們想在紐約請某人吃飯，我們就說：“在第４２街和第１大道拐角處那座大樓的２４層樓見面?！鳖^兩個數字給我們確定的是街的拐角處，第三個數字則描述離地面的高度。飛行員也可用三個數字來確定他們的精確位置，這三個數字是他們的高度和在坐標網格或地圖上確定其位置的兩個坐標。事實上，通過精確測定這三個數字，就可以把世界上從我們的鼻子尖到可見宇宙中的每一點都準確地定出位置。甚至嬰兒也懂得這一點。嬰兒實驗已經證明，他們將爬到峭壁的邊緣，看看邊緣的對面，然后就又爬了回來。另外，他們也本能地懂得“左”“右”“向前”“向后”“向上”“向下”。這樣直觀的三維概念從童年開始就牢固扎根于我們的腦海之中。愛因斯坦擴展了這一概念，把時間作為第四維包括進來。例如，請某人吃飯，我們必須講明中午12點30分在曼哈頓見，即為了詳述一個事件，我們必須對它的第四維──事件發(fā)生的時間加以描述。當代科學家對愛因斯坦第四維概念以外的東西產生了興趣。流行的科學興趣集中于第五維（在時間和三維空間之外的那個空間維度）和五維以外的東西。（為了避免混淆，在本書中，我們屈從于習慣的說法，把第四維稱為長、寬、高之外的空間維。物理學家實際上把它當做第五維，但是我將遵從歷史的慣例。我們把時間稱為第四時間維。）我們如何看見第四空間維呢？問題是我們不能看見。高維空間是不可能用眼睛觀察的，因此再努力也沒用。著名德國物理學家亥姆霍茲（HermannvonHelmholtz）把人們不能“看見”第四維和盲人不能想象顏色的概念相提并論。無論我們怎么滔滔不絕為盲人描述“紅”顏色，但是用語言總是不能確切地把豐富的顏色告知盲人。甚至已經對高維空間做了多年研究的有經驗的數學家和理論物理學家也承認，他們不能形象化地描述高維空間，而是退到了數學方程的世界中。盡管數學家、物理學家和計算機專家在解多維空間的方程時并沒有什么困難，人類發(fā)現(xiàn)還是無法想象他們自己這個宇宙之外的宇宙。我們充其量只能利用各種數學技巧來一睹高維客體的影子；這些技巧是由數學家兼神秘主義者欣頓（CharlesHinton）在20世紀伊始構想出來的。其他數學家，如布朗大學數學系主任班喬夫（Thomasbanchoff）已經寫出一個計算機程序，它能把高維客體投影到二維平面即計算機顯示屏上，而讓我們來操縱它。就像古希臘哲學家柏拉圖（Plato）所說的那樣，我們像穴居者一樣抱怨只能看到洞外豐富生活的朦朧而灰暗的影子，班喬夫的計算機程序也只能讓我們瞥見高維客體的影子。（事實上，由于進化的原因，我們不可能目睹更高的維數。我們的大腦已經進化到能在三維之中處理大量的緊急事件。我們能即刻認出跳躍的獅子或突襲的大象，并作出反應。事實上，那些能較好地看出物體在三維空間中如何運動、旋轉、扭曲的人，與那些不能看出這些運動的人相比，具有明顯的生存優(yōu)勢。遺憾的是，人類并沒有需要把握在四個空間維度中運動的生存壓力。能夠看見第四空間維當然無助于人們抵御劍齒虎的突襲。獅子和老虎不會通過第四維來襲擊我們。）自然規(guī)律在高維中更簡單芝加哥大學著名的費米研究所的理論物理學教授弗羅因德（PaterFreund），是喜歡用高維宇宙的性質來愉悅聽眾的一個物理學家。他是超維空間理論的早期工作者之一，當時這一理論與主流物理學相比被認為是奇談怪論。他和一小部分科學家孤立地對高維科學研究了多年。而現(xiàn)在這門學科已經變成一個時髦而又合法的科研分支。使他高興的是，他早期的興趣最終得到了回報。弗羅因德與傳統(tǒng)的那種狹隘、頑固、不修邊幅的科學家形象極不相符。相反，他文雅、口齒伶俐而又富于教養(yǎng)。他善于詭譎而頑皮地笑，他的笑使那些非科學家人士為突破性科學發(fā)現(xiàn)的迷人故事而傾倒。他會隨意寫上滿滿一黑板方程式，或者與別人在雞尾酒會上開點無傷大雅的玩笑。他說話時帶著濃重而明顯的羅馬尼亞口音，擁有生動迷人地解釋那些極為神秘復雜的物理概念的絕技。弗羅因德通常會提醒我們，科學家們已用懷疑的眼光來評述更高的維數，因為它們既不能被測量也沒有特殊的用途。然而，當今的科學家卻逐步意識到，任何一種三維理論都“太小”，不足以描述控制我們宇宙的力。像弗羅因德強調的那樣，過去１０年中貫穿于物理學的基本主題是：自然規(guī)律在高維空間表述時會變得更為簡單和優(yōu)美。高維空間是自然規(guī)律的天然棲息地。光和引力的定律在高維時空中找到了一種天然表述。統(tǒng)一自然規(guī)律的關鍵步驟是增加時空的維數，從而能合理安排越來越多的力。在更高維中，我們有足夠的“空間”來統(tǒng)一所有已知的物理力。在解釋為什么更高的維數正在激發(fā)起科學世界的想象力時，弗羅因德用了下列類比：“想想地球上跑得最快的動物中的獵豹，它皮毛光滑而又美麗，在非洲的熱帶草原上漫游。在它的天然棲息地，獵豹是一種了不起的動物，簡直是一件藝術品，它的奔跑速度或奔跑動作的優(yōu)美簡直無與倫比。現(xiàn)在，”他繼續(xù)說道：想想被捕獲并且投進動物園簡陋籠子里的獵豹吧。它已失去了原有的優(yōu)雅和美麗，為了我們的娛樂而被安排去展出。我們只看到籠子里神情絕望而不是原來那種優(yōu)雅和精力充沛的獵豹。獵豹可與物理規(guī)律相提并論，物理規(guī)律就其本身而言是優(yōu)美的。物理規(guī)律的天然棲息地就是高維時空。然而，我們只能測量那些被拆散且放在籠子里展出的物理規(guī)律，這個籠子就是我們的三維實驗室。我們只能看到已經被剝奪了優(yōu)雅和美麗的獵豹。幾十年來，物理學家們想知道為什么四種自然力以如此支離破碎的形式出現(xiàn)──為什么在籠子里的這些“獵豹”看起來神情如此絕望和可憐。弗羅因德注意到，四種力看起來似乎大不相同的基本原因，是我們一直在觀察“籠子里的獵豹”。對于物理規(guī)律而言，我們的三維實驗室是一個無能的動物籠子。但是，當我們在高維時空（它是物理規(guī)律的天然棲息地）中表述物理規(guī)律時，我們就看到了它們名副其實的顯赫和有力，物理規(guī)律就變得簡單而富有生命力?，F(xiàn)在這場席卷物理學的革命，就是認識到了獵豹天然棲息地也許正是超維空間。為了闡明如何加進一個較高的維數就能使事情變得簡單，試想古羅馬人是怎樣打那些大仗的。偉大的羅馬戰(zhàn)爭常常包含了許多較小的戰(zhàn)場，它一定伴隨著來自四面八方的謠言和誤傳，把事情弄得混亂不堪。戰(zhàn)爭在多個前線進行，羅馬的將軍們卻常常盲目指揮。羅馬人往往是靠暴力而不是靠優(yōu)美的戰(zhàn)略贏得戰(zhàn)爭的勝利。那就是為什么戰(zhàn)爭的首要原則是占領高地──即上升進入二維戰(zhàn)場上方的第三維。在可看到戰(zhàn)場全景的巨大山丘的有利地位上，戰(zhàn)爭的喧囂突然變小了。換句話說，從第三維（即從山丘的頂部）來觀察，較小戰(zhàn)場的混亂結合成了一幅首尾連貫的單一畫面。這個原理──自然規(guī)律在高維中表達時可以變得較為簡單──的另一個應用，是愛因斯坦狹義相對論背后的中心思想。愛因斯坦揭示了時間是第四維，證明了在四維理論中時間和空間能夠便利地統(tǒng)一起來。這進而必然導致所有用時間和空間來測量的物理量的統(tǒng)一，比如質量和能量。他還發(fā)現(xiàn)了質量和能量統(tǒng)一的精確數學表達式：E=mc２，這就是所有科學方程式中最為著名的質能公式。高維理論絕不僅僅是一個學術理論，因為愛因斯坦理論最簡單的結果乃是原子彈，它改變了人類的命運。在這一意義上，引入高維已成為人類歷史中至關重要的科學發(fā)現(xiàn)之一。──作者原注。為了鑒賞這個統(tǒng)一的巨大威力，現(xiàn)在我們來描述四種基本力，強調它們如何不同，如何在高維中給出這四種力的統(tǒng)一表述。過去兩千多年來，科學家們發(fā)現(xiàn)我們宇宙中的一切現(xiàn)象能夠被歸結為四種力，它們從一開始就彼此互不相似。電磁力電磁力以多種形式存在，它包括電、磁和光本身。電磁力照亮我們的城市，可使收音機和電唱機發(fā)出的音樂充滿整個空間，可用電視給我們以娛樂，用電器來減少家務勞動，用微波爐烘烤食物，用雷達跟蹤飛機和進行空間偵察，用電廠發(fā)電。最近，電磁力已被用于電子計算機（這使辦公室、家庭、學校、軍隊大為改觀）和激光（這對于通信、外科手術、光盤、五角大樓高級武器系統(tǒng)，甚至于售貨臺的付款機有重大意義）。在某種意義上，地球上多半的國民生產總值（它代表著人類積累的財富）都依賴于電磁力。強核力強核力為恒星燃燒提供能量，它使群星爭輝，產生哺育生命的太陽光。如果強核力突然消失，太陽將一團漆黑，地球上一切生命將會滅亡。事實上，一些科學家認為恐龍滅絕于６５００萬年前的原因，是一次彗星撞擊的碎屑來到高空大氣層之中，使地球暗淡無光，引起整個地球溫度驟然下降。具有諷刺意味的是，也正是強核力可以一天之間收回它贈予的生命。如果不限制氫彈爆發(fā)，強核力就有可能在一天之內結束地球上所有的生命。弱核力弱核力控制某些形式的放射性衰變。因為放射性材料在衰變或分裂時發(fā)出熱，弱核力使地球內部深處的放射性巖石變熱。這種熱又偶爾會使火山把熔巖猛烈地噴向地球表面。弱核力和電磁力還被用來治療嚴重的疾?。悍派湫缘獗挥脕須⑺兰谞钕倌[瘤和抑制某些種類的癌。放射性衰變力也能致死：它在三英里島和切爾諾貝利造成嚴重破壞；它也產生放射性廢料──核武器生產和商用核電廠的必然的副產品，這些廢料都有可能貽害幾百萬年。引力引力使地球和行星在各自的軌道上運動，引力也約束整個星系。如果