读加来道雄《超空间》二

　　老早些时候，与同桌讨论其四维空间，两人各自凭借着对世界未解之谜的记忆，喋喋不休地侃起来，聊得那是神乎其神。

　　往后读到了《三体》，里面描述身处四维空间的人，去看三维世界的物体，可看到无限的细节，甚至想要将三维世界的人的心脏毫发无损的取出来，都是轻而易举的事。

　　这段描述至今仍令我震撼，不过大抵也是从三维看二维的感受推导出来的。

　　今日读完了加来道雄博士的《超空间》，大致对四维、五维乃至十维、二十六维有了个初步的印象。

　　《超空间》这本书在物理学界应是比较超前的，但对于幻想界来说，又是比较务实的。里头并没有小时候读的神之又神的未解之谜，有的只是对超空间存在可能性的逐步推导。

　　贯穿这本书的主题就是，在更高的维度中物理定律将变得简单和统一。

　　牛顿和爱因斯坦的理论在宏观的场景中是非常完美的，走到微观世界就不行了，需要由量子力学来主导。

　　爱因斯坦的广义相对论是一种宇宙理论，是通过时空的平滑结构把恒星和星系联系起来的理论。相比之下，量子理论是一种微宇宙理论，在这个微宇宙中，亚原子粒子被类粒子力聚集在一起，这些力在时空舞台中跳舞。

　　因此，这两种理论是完全对立的。

　　宇宙间有四大基本力，强力、弱力、电磁力、引力。前三者已经能很好的结合起来，唯独引力不太好加入进去。

　　一直以来，物理学家们都在努力尝试通过简单的计算以推算出对牛顿和爱因斯坦引力定律的量子修正，但他们发现，其计算结果是无穷大，因而毫无用处。

　　正当一帮物理学家在试图统一引力和其他力时受挫时，弦理论偶然地出现了。

　　弦理论是一个能把爱因斯坦的引力理论和量子理论统一起来的理论，其最显著的特点是爱因斯坦的引力理论自动包含在其中。

　　弦理论中描述的弦的大小，不到质子的10^19倍，而且是振动的，每种振动模式代表一种独特的共振或粒子。

　　弦实在太小了，从远处看，粒子和弦的共振无法分辨，如果我们以某种方式放大粒子，才能看到它不是一个点，而是一条以某种模式振动的弦。

　　弦理论不仅能解释粒子的性质，还可以解释时空的性质。当弦在时空中移动时，它会执行一组复杂的运动。反过来，弦可以分解成更小的弦和其他弦合并为更长的弦。

　　重点是，在弦理论基础上对引力定律的量子修正，计算结果是有限的，不会像其他理论一样出现一个无穷大的数值。

　　弦理论除了消除了见于量子引力中的无穷大，它还能容纳标准模型甚至大统一理论的对称性。

　　物理学家通常说一个理论“美”时，这个理论至少拥有两个基本特点：

　　1、一个统一的对称性。

　　2、具有用最经济的数学表达式解释大量实验数据的能力。

　　有个概念叫“杂化弦”，它由一个顺时针振动和一个逆时针振动的闭合弦组成，

　　顺时针振动存在于十维空间，逆时针振动存在于二十六维空间，其中的十六个维已经紧缩化了。

　　杂化弦的逆时针振动的二十六维有足够的空间来解释在爱因斯坦的理论和量子理论中发现的所有的对称性。

　　弦理论只允许弦在十维或者二十六维运动，定义在这些维中的弦理论有足够的“空间”统一所有的基本力。

　　但是，围绕弦理论的一个深奥的秘密至今仍未破解——为什么它只在十维和二十六维中定义？

　　如果我们计算弦在N维空间如何分裂和重组，我们会不断发现一些毫无意义的破坏这个理论的项。不过，这些不需要的项都有（N-10）的乘子。因此，为了消除这些异常，我们只能将N设为10。

　　弦理论要求的时空维数必须固定在一个唯一的数字上——那就是10。

　　弦理论，或者说超弦理论，是能将量子理论和引力理论结合起来的比较有前途的理论，那么如何用实验验证它呢？

　　其中一个方法就是找到超对称粒子，如果这些粒子最终被发现，我们就有机会看到超弦本身的残余。

　　要找到这么多亚原子的碎片，就必须建造超导超级对撞机，这种对撞机能产生宇宙大爆炸时的能量，现在暂时没有建成（成书时间）。

　　除了建造这个对撞机，物理学家也有另外一个法子——测量宇宙射线的能量。这些宇宙射线均是高能亚原子粒子。

　　到成书时间为止，我们探测到的最有活力的宇宙射线的能量为10^20电子伏特，比超导超级对撞机可产生的能量还要高一千万倍，但是比探索第十维度所需要的能量小1亿倍。

　　最后的结论是，理论上是存在十维空间，在宇宙大爆炸时，四个维度（包含时间维）膨胀开来，六个维度都蜷缩起来，至普朗克的尺度，我们目前的科技暂时无法验证蜷缩起来的高维空间。

　　作者悉数了历史上的物理学家宣布“不可测试”或“不可证明”的某些现象最终被证实的例子。

　　19世纪，一些科学家宣布恒星的组成是无法用实验测量的。同时代，有许多物理学家拒绝相信原子的存在，他们认为原子也许只是一种数学手段或计算工具。

　　到了二十世纪，泡利预言了中微子的存在，但中微子几乎不与其他物质相互作用，所以它一直被认为是“不可测试的”。但今天，我们时常在原子加速器中发现中微子束。

　　如今，弦理论和它在高维空间的振动，也是仅仅方便了计算和成就了理论的“美”，而暂时无法实验验证，但作者乐观的在书里估计，在未来的某个时刻，必将能验证这个理论，那时弦论是骡子还是马，方见分晓。

　　总结一下《超空间》这本书的脉络：

　　由最早的几何学开始讲起，欧几里得几何是平面的，里曼几何的出现刷新了几何学的认知。早在黎曼时期，人们就对高维空间有各种幻想，这种幻想延伸到了文艺界，产生了许多艺术作品。接着，爱因斯坦的相对论和量子理论相继出现，蓬勃发展，物理学们意识到大自然法则是简洁和统一的，这两个理论势必要统一起来。在统一的过程中，遇到了无穷大的结果。再后来，出现了弦理论，它在十维的空间尺度上能将量子理论和引力理论完美结合起来，验证了弦理论（超弦）也就验证了高维度的空间，但验证高维度的存在需要的能量远远超过我们当前的科技水平，根据历史上的事例，尽管现今不能验证，但我们可以放眼未来。（这就是为什么读史使人明智——咦，怎么读个科普得出这个结论来）