諾獎得主和哈佛物理學教授親自講述：時空，蟲洞，高維度和暗物質

前幾天，我參加了一個科學大會。當然，對於物理科普作者的我來說，聽諾獎得主基普·索恩講引力波是我最尤為關注的議題。奮鬥在探索宇宙奧秘第一線的科學家將給我們提供怎樣的新視角來審視這個宇宙呢？這篇文章將為你完美呈現。

我們知道，愛因斯坦的廣義相對論早在百餘年前的1915年就完成了。廣義相對論預言的時空彎曲也在4年後的1919年被日全食首次證實。廣義相對論還有許多預言在愛因斯坦活著的時候未被證實，比如引力波以及基於廣義相對論下的黑洞預言和蟲洞等。

或許是機緣巧合也或許是天意，人類首次發現引力波是在2015年，正好是廣義相對論提出的100周年。愛因斯坦在1955年去世後，其引力波的探尋任務完全就交到後人手中了。可引力波的探尋需要極其機密的儀器，在地球上的人要想察覺到來自數億光年外的引力波信號就相當在1公裡的範圍內記錄比原子半徑還小1萬倍的空間變化。很幸運，在雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）的精密儀器幫助下，人類還是捕捉到了這微不足道的引力波信號。搜尋引力波信號的團隊也因此獲得了2017年的諾貝爾物理學獎，基普·索恩就是其中一員。

基普索恩

人類有了引力波就開啟了探索宇宙的新大門，原先人類探索宇宙最直接的手段無非就是依賴電磁波和引力數據，這就極大的限制了人類對黑洞的認識。有了引力波之後，人類就多了一個探索宇宙的工具，比如通過引力波可以精確的測量黑洞的質量，旋轉等信息。

基普·索恩可以看作是愛因斯坦的傳承人之一，相對論留下的寶貴遺產可有後人們挖掘的嘍。基普·索恩充當了愛因斯坦的衣缽，自然也擔任起了研究相對論的一員。蟲洞的概念最早是愛因斯坦和納森羅森提出的，其穿越時空的性質極具科幻色彩，也常被影視作品拿來渲染。而愛因斯坦本人並不太願意相信蟲洞是自然形式的存在，畢竟作為實證主義者的愛因斯坦總覺得蟲洞這玩意太不可思議了。即便愛因斯坦本人對蟲洞並不感冒，但後人卻總是樂此不疲，當然這樣包括吉普·索恩。

在他的演講中，我可以明確地感受到這位大物理學家對蟲洞的執迷。他解釋到，蟲洞是可以真實存在於宇宙中的。但自然形式下的蟲洞卻極不穩定，很容易消失。這也是我們目前為止不能發現蟲洞的原因之一。但他話鋒一轉：或許在更高的宇宙文明中，蟲洞早已被當作普遍的交通工具而應用著。

在我們現在看來，銀河系與鄰近的仙女座星系在同一個空間中。倘若把宇宙當作是一張二維的紙，銀河系和仙女座星系以及千千萬萬的星系都在這張「紙」上，我們完全有理由相信這張「紙」是可以彎曲的，因為現在有證據指向如此。如果把這張「紙」對摺一下，你會發現人類去往距離200萬光年外的仙女座星系未必只有經過紙面上的路線而到達目的地。我們可以拒絕這種南轅北轍的路線，取而代之的是在木星周圍建立一個蟲洞，蟲洞可以直接跨越「紙」面，從更高的維度通向仙女座星系。這或許只需十幾分鐘就可以到達數百萬光年外的仙女座星系。

而蟲洞的開口需要人為製造，這需要更高級的特殊材料，比如負能量。我們正在不遺餘力的朝向蟲洞現實化的方向發展。

在另一個科學家的演講中我了解到更多額外維度和暗物質的前沿信息。這位年輕的美女物理學家是麗薩·藍道爾（Lisa Randall ），是哈佛大學的終身物理學教授，更是粒子物理學和宇宙學的權威專家。

麗薩·藍道爾首先介紹了科幻作品中最受青睞的第五維度。在許多人眼中，我們就生活在三維空間外加第四維時間的四維時空中，對於額外維度的認識往往很空乏，這或許是人類大腦想像力的不足導致的。一般人理解第四維度都很成問題，更何況是更高維度。

Lisa Randall

在這位美女科學家的演講中，他一直呼籲人們不要藉助圖像理解高維度空間，這只會把人帶到誤區中，因為更高維度的構造或許完全不是三維空間內的規律可以類比演繹出來的。無數個點可以堆積成一條直線，這是一維空間；無數條線可以組成一個面，這是二維空間；無數個面可以疊加成立體，這是三維空間，而時間常常單獨作為第四維空間存在，這就是三維空間的類比演繹方式。或許更高維度並不如同三維空間的那種演繹方式。就如同漢字中的「一、二、三、四…」，一是一條橫槓，二是兩條橫槓，三是三條橫槓。但是四卻不是四條橫槓.....

對額外維度的認識最好藉助數學和公式加以輔助理解，不要總是在二維平面作畫企圖直觀地理解更高維度，這是行不通的。

我們理解三維的東西並不能一次性觀察到，必須得多次進行。你不可能一次就看到一個人的正臉，側面和後背，這就需要我們多次觀察。額外維度也具有這樣的性質，我們需要多次觀察再整合起來才足以認識更高維度的事物。我的四維時空或許是更高維度的全息投影。就相當二維的影子是三維物體的投影。我們很難從一個人的影子來理解這個人的三維外形。同樣的道理，我們也很難理解更高維度的事物。

麗薩·藍道爾還強調，高維度沒有理由不存在，畢竟愛因斯坦的方程在任何數量的維度下都是適用的。高維度的世界類似於膜，當然膜是弦理論的基礎。

麗薩·藍道爾一直強調自己講的未必是對的，畢竟這是最前沿的理論。

高維度膜可以解釋引力的特殊性

我們都知道自然界存在四大相互作用力，按照作用強度的大小依次排序為強相互作用，電磁相互作用，弱相互作用以及引力。

我們知道，電磁力和引力是宏觀世界最普遍的力，但引力卻遠比電磁力弱。或許你會說弱就弱唄，不足為奇。但科學家結合粒子物理學和場理論會發現情況有點蹊蹺。電磁力的傳播子有光子，引力作用很有可能是引力子導致（暫未發現），電磁力有電磁場，引力有引力場。為什麼電磁力和引力都是通過場作用力，其或許都有傳播子（光子和引力子），那為什麼引力強度遠比電磁力弱，甚至在數量級上遠遠低於其他三種作用力呢？

麗薩·藍道爾說，目前高維度的膜可以解釋這一問題。她進一步闡釋到，我們的宇宙或許由兩種膜構成的，一種是弱膜，一種是引力膜。引力膜和弱膜是以某種方式連接起來的，我們生活在弱膜中，而引力主要集中在引力膜中。倘若把我們全部移居到引力膜中生活，那麼日常生活中的引力強度就會指數級上漲。正是由於我們生活在弱膜中，引力才顯得不像電磁力那麼強大。

高維度的膜勢必存在著該膜的運動粒子，我們管它們叫克魯扎-克萊因粒子（k-k粒子）。幸運的是歐洲的大型粒子對撞機正在尋找這種粒子，如果K-K粒子存在的證據確鑿，那也就意味著高維度膜是存在的。我們就足以有信心用引力膜理論解釋我們所處的宇宙中引力之弱的問題。

麗薩·藍道爾也向公眾講述了有關驗證暗物質存在的最新證據

通常我們認為暗物質的存在是由於星系旋轉的向心力不足以維持星系的圓盤形狀。如果沒有外力作用，星系早已分崩離析。暗物質正是這種外力產生的源泉，它們不會發出電磁波。但它們一定會參與引力作用，比如維持星系的正常運轉，支撐宇宙的加速膨脹。如果沒有暗物質，按照現有的理論，許多宇宙現象無法解釋。所以我們必須假定這一種物質的存在。

暗物質不參與電磁輻射，也就是不會發出可見光和其他形式的電磁波。幸虧它參與了引力，我們才能依靠引力現象間接了解它。

最近幾年來，子彈星系團為我們提供了暗物質存在的最新證據

兩個高速碰撞的星系組成了子彈星系團，這也必然會導致其中的氣體分子炙熱起來，高溫的氣體分子會輻射出x射線，比如紅色的部分。但是藍色的部分並不輻射太多的x射線，這就證明藍色部分並沒有太多的天體。但是藍色部分卻有超乎尋常的引力透鏡效應，也就是說經過藍色區域的光線會由於引力的作用而變得明顯彎曲（引力透鏡）。

子彈星系團

既然藍色部分並沒有太多的天體，為什麼會表現出如此顯著的引力透鏡呢？唯一的答案：藍色區域充斥著大量的暗物質，是它們的引力作用才導致了光線的異常彎曲。

我們現在比較確信的說：明物質只佔整個宇宙中的5%，暗物質佔了大約26%，其餘則是暗能量。

暗物質的存在也可以解釋：地球的五次生物大滅絕為什麼是有周期性的

我們知道五次生物大滅絕的平均周期大約是6200萬年。而最近一次生物大滅絕是發生在6500萬年前的白堊紀末期，並直接導致恐龍的滅絕。

我們知道太陽系圍繞銀河系中心公轉一周的時間大約是2.2億年，而銀河系星盤中不同區域的暗物質分布並不一致，有的區域可能稠密，而有的區域可能稀疏。當太陽系公轉到暗物質稠密的地方時，會受到暗物質的額外引力作用。

比如，地球上會產生更強的潮汐力，繼而在生物圈中引發多米諾骨牌效應，導致生物大滅絕。

而我們知道太陽系中有小行星帶以及蘊藏著無數個彗星的奧特雲。有的小行星和彗星的運動軌跡並不固定，甚至受到「風吹草動」般的引力幹擾就會脫離原有軌道而亂飛。

也許6500萬年前的那顆撞擊地球的小行星就是由於太陽系公轉到暗物質密度大的區域時引發的小行星引力波動，最終導致其脫離太陽的引力束縛而撞向地球。

正如麗薩·藍道爾自己說的那樣，她講的這些未必都是對的，但卻提供給人類一種新的理論理解宇宙和我們的世界。

已知圈越大，未知圈就越大，這正是一個科學家應具備的謙卑態度。

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