本文是"大额外维度"系列文章的第三部分。

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为了检验这个想法,我想请你想象一下,把一张纸卷成一个紧密的圆柱体。或者,如果你手边正好有纸,在现实生活中做这个动作也行。这个类比无论哪种方式都成立。

管子的长边是我们真实、平常的维度之一——那个宇宙……发生各种事情的场所。卷起来的那一边则是额外的大尺度维度之一,可能大到一毫米,为了我们的讨论,这已经算是极其巨大了。

现在,想象让一个粒子沿着纸张的长度方向运动。假设它是一个无质量粒子,比如光子。如果管子只有一个维度,那么那个光子就会以光速沿着管子的长度方向运动,光子通常都这么做。

但如果那个光子能够进入这个额外维度,能够感知并穿越它,那么它在卷曲的管子里走过的路径就会不同。它就不会仅仅沿着长度方向运动,那也太无聊了。它还会在额外维度里一圈一圈地环绕。它的速度仍然是光速,但它的运动轨迹会包含那个额外的、隐藏的维度。

但站在我们的视角,额外维度是紧紧卷曲起来的(或许你特别特别擅长卷纸),我们根本看不到光子螺旋前进时的完整运动。我们只能看到它沿着长度方向的运动。从我们的视角看,光子现在的速度就低于光速了,因为它的一部分运动被藏进了我们感知不到的维度里。

任何运动速度低于光速的粒子必定具有质量。因此,如果光子能够进入额外维度,它们在我们看来就会像是普通的、有质量的粒子。但光子看起来是没有质量的,所以我们可以得出结论:光子无法进入额外维度。

那么引力呢?我们目前还没有引力的量子理论,但如果有的话,我们非常确信引力应该是由一种叫做"引力子"的无质量粒子来承载的。但如果引力子泄漏到了额外维度里,它在我们的观察中就不再是无质量的了。由于这种几何结构的影响,它在我们看来就好像有了质量。

不仅如此,我们还得把量子力学也加进来——既然要严肃对待这些天马行空的想法,当然少不了它。量子力学认为,每个粒子都伴有一个波。在管子的长维度方向上(在我们这个粗略类比里,这对应现实的普通维度),那个小小的引力子可以有任何它想要的波长,没有任何限制。但在那个卷曲起来的紧致维度里,波长必须刚好契合。它可以是整数倍的波长:一个整波长、两个、三个,依此类推。

将宇宙中的一个维度卷曲起来,这个行为会对任何能进入该维度的粒子产生一种量子效应。它的作用机制非常奇特:那个原本单一、无质量、只想过好自己的生活、自由地穿梭在所有额外维度中的粒子,被有效地"分裂"成了许多不同质量的粒子——每一种能恰好契合在卷曲维度周围的波长,都会对应一个粒子,就像吉他弦上的各个音符。

(这里我用"弦"作类比,但必须强调,我讲的可不是弦理论!)

而且远不止几个粒子,是无数个粒子!每个粒子有不同的波长和不同的质量。请记住,本质上仍然只有一个无质量粒子,但因为我们的视角受到了极大的限制(我们无法跟随粒子在额外维度中的旅行),所以我们看到的,反而像是无穷多个有质量的粒子。

这就是所谓的"引力子塔",或者"卡鲁扎-克莱因塔",赶时间的话也可以简称"塔"。

这意味着,我们现在有了一种工具,可以窥探宇宙的额外维度。抱歉,不是直接看到,我们仍然像地上的小蚂蚁,四处爬着找食物残渣。但这些额外的引力子现在可以……存在了。作为真实的粒子存在。它们有质量、有作用范围、有速度、有寿命。它们在现实世界中拥有实实在在的属性。

而最关键的是,这些引力子能够"溜走",进入额外维度,就像你在粗制滥造的科幻电影里看到的那种廉价剧情:反派眼看就要被主角抓住了——嘿,他跑了,溜进另一个维度了。

顺便提一句,这里还有一点需要交代的专业术语。出于弦理论催生的各种极客式原因,我们通常的宇宙有时被称为"膜"(brane,如同membrane膜),而额外维度则被称为"体空间"(the bulk)。但我个人不太喜欢这套术语,因为它容易让人混淆,还得额外费脑筋去区分哪个是"膜"哪个是"体",所以我就提这么多。

我们无法跟随引力子进入额外维度,但如果我们仔细地做"账目核对",就能发现是否有东西"丢失"。当我们运行高能粒子对撞机实验时(相信我,这是我们绝对热衷做的事),某些反应就会产生这种引力子塔(听起来像是《指环王》里的东西,我扯远了)。这些引力子会带有质量、能量和动量,然后,它们就会溜走——它们天生就会这么做。

因此,当我们进行实验时,我们知道输入了多少质量、能量和动量,因为实验设计本身就是为了掌握这类信息;实验结束后,我们会发现质量、能量和动量有缺失,同样也是因为实验设计让我们能够探测到这些缺失。

如果这些数字对不上账,我们就有证据表明,引力子塔"偷走"了一些动量,并将其带入了额外维度。

未完待续……

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