物理學家在微觀尺度上對引力的研究暗示，空間在基本面上可能只有一個維度。
過去一個世紀，物理學家總是在思考，我們的世界是不是四維甚至十維宇宙的一個切片。假如我們能夠上升到一個新的高度，就可以把自己從空間的束縛中釋放出來。我們可以彎曲手臂，在額外的維度上伸進保險箱，或直接看到人體內部。我們由此可以理解大自然的深層奧秘。
然而最近幾年，在維度的研究中，出現了一個奇怪的現象：空間擁有的維度，可能比我們想像的少。
維度的缺失，和引力有關。引力的強度會隨著物體間距離的縮小而變大，電磁力和弱核力也是如此。但不同的是，引力會在微觀尺度上猛然增強。引力的強度，和物體的質量或與其質量相對應的能量有關。根據量子物理中的測不準原理，質量或能量有個最小值。如果物體靠得足夠近，那這個最小值就會變大，導致物體結合在一起的強度成倍上升。其它自然作用力也有類似的變化，但級別要小得多。平日看似溫和的引力，到了亞-亞原子尺度——也就是所謂的「普朗克尺度」（大約是萬億萬億萬億分之一米）上，開始和其它三大基本作用力並駕齊驅。
當引力不再增強，各個尺度看起來都將沒有區別。
根據標準引力理論，當引力在這個尺度上變得如此強大後，就會導致黑洞的出現。引力反映了時空的特徵，它的無限變大表明時空的連續性會被撕裂，因此我們日常體驗到的無特徵空間並非現實的基本面貌。也許有它有著不同的結構；也許在微觀尺度上，有什麼東西在阻止引力的無限制增強，進而維持時空的基本特性。無論怎樣，都暗示標準理論還不完備。
尋找時空的微觀結構是量子引力的任務。從愛因斯坦開始，這種想法一直讓物理學家坐立不安。三位理論物理學家坐在一起，總會談到四種看法：擁有獨立單元的棋盤狀結構，起伏不定的泡沫，凝結在一起的振動弦，或是交織在一起的弧圈。
令人吃驚的是，無論哪種結構，都有一個相似的特徵：空間的維度在精細的尺度上都減少到了一個，並由此解決引力的問題。只有當空間只剩下一個維度時，引力才不會因距離的縮短而無限增強。
維度的收縮是維持時空基本特性的功臣，還是它消亡的序曲，仍不得而知。但無論哪種情況，「二維（一維空間、一維時間）可能是引力存在的基本維度，」荷蘭拉德鮑德大學理論物理學家弗蘭克·撒拉斯格（Frank Saueressig）如是說。
神秘的維度，有著非常重要的意義：它決定了物體的大小和事件的進展。物體大小的改變，也會使引力的強度發生變化。在傳統的三維空間裡，如果我們把一個球體的半徑增加一倍，那它的體積就會增加八倍。在四維空間裡，它的體積會增加十六倍。而在二維空間裡只會增加四倍。
因此，如果我們想知道空間有多少維度，只需知道體積增加的比例是多少。如果我們發現這種比例關係不固定——假如我們把球體半徑增加一倍後，體積不再是增加八倍——那我們就可以斷定，空間的維數發生了變化。
而這，正是讓物理學家在引力研究中對所遇到的現象產生懷疑的地方。
讓人們順著這條線索深究的，是2000年代中期進行的一系列時空普朗克尺度計算機模擬實驗。拉德鮑德大學的雷娜塔·洛爾（Renate Loll）和她的同事們搞出了一套算法，名為「因果動力三角剖分」，用在了這個帶有量子特點的時空模擬上。他們在模擬中發現，空間在可觀察尺度上存在著三個維度——這和我們的日常體驗是一致的。但如果引力的強度發生變化，空間就會轉換成一種維度更少的樹狀結構，亦或成為一個擁有更多維度的「紙團」——就好像它在凍結或沸騰一般。
即便是三維空間，也不可以貌取人。科研人員設想了一條迂迴而曲折的路徑，路徑上每一步的方向都是隨機的——很大程度上像是氣體分子在特定體積內發生的一連串反彈。在三維空間中，如果路徑的長度翻倍，那麼回到起點的機率，會以一定的值下降。而模擬顯示，在普朗克尺度附近，這種機率的下降減慢了，就好像那裡的空間變少了一般。這是維度缺失的微妙跡象。
通過對體積進行測量，我們可以發現空間是三維的。但這種隨機運動的表現又表明空間是一維的，甚至只有部分維度。這是一個矛盾，它表明空間不但被壓縮了，而且由於引力開始呈現出量子化的一面，空間的基本特性也發生了變化。「如果沒有普通流形，那在『維度』上就可以獲得許多不同的定義，」戴維斯加州大學的史蒂夫·卡利普（Steve Carlip）說。
時空的連續性會被撕裂，因此我們日常體驗到的無特徵空間並非現實的基本面貌。
和在其它科學領域一樣，「因果動力三角剖分」的計算機模擬也是一個黑箱：輸入方程式後，就能夠得到數據輸出，但它不會告訴我們原因。「這其中的奧秘仍然無人知曉，」洛爾說。到目前為止，可以解釋這種維度「體操」的理論，最相近的是所謂的「漸進安全（Asymptotic Safety）」，這是1970年代末出現的一匹量子引力理論黑馬。這一理論認為，引力內建了一種適應機制，能夠保證它處於「安全」狀態。我們在日常生活中不可能見到的引力特性，在普朗克尺度附近就會顯現出來，因此引力強度會達到某種上限，而不致於無限制地增長。「漸進安全」理論對於許多粒子物理學家來說頗有吸引力，因為它把引力和原子核力相提並論，而後者在距離很小時也會退縮。
如果依據「漸進安全」理論，那麼空間失去維度並不是因為它被像一隻易拉罐一樣壓扁了，而是因為量子效應導致它發生了瘋狂的波動，改變了粒子行進的尋常方式。舉例來說，隨機彈跳的粒子可能保留有某種它走過路徑的記憶，以避免回到老路上去——就像多年前的「貪食蛇」遊戲一樣，你必須操控一個點，避免它撞到自己。撒拉斯格說，由於運動上受到的約束，粒子回到起點的可能性會變大，導致它只能在更少的維度上運動。
幹掉一兩個維度不夠，「漸進安全」理論還可對空間進行更為深入的轉換。如果引力能夠在小尺度上保持平穩，那麼它就不可能強大到形成普朗克尺度黑洞，並像標準理論預測的那樣，把時空統一體撕裂。恰恰相反，它會保持連續：我們可以無限制地將其細分。但是如果我們深入其中，很快就會迷失方向。當引力（可能其它自然力也是如此）不再增強，各個尺度看起來都將沒有區別。一切都是相同的。部分和整體也會相似。看起來應該像分形結構那樣。
德國美因茲大學的馬丁·路透（Martin Reuter）是「漸進安全」理論的老前輩，他將這個級別上的宇宙和紊流流體進行了比較：旋渦中的旋渦中的旋渦。距離不再有固定的含義，因為兩點間的長度取決於你放大的級別。
科幻畫《二向箔》。Ren Zeyu
看起來，空間的一維化，可以維持時空的穩定。但這還不夠，它還必須說服物理學家在微觀尺度上維度確實可以被撕裂。對理論進行檢驗的首要方式是它內部的自恰程度。「漸進安全」理論的支持者承認，他們還無法證明這一點。
反對者認為「漸進安全」理論行不通，因為它無法對黑洞物理進行解釋。黑洞內部的複雜性，會隨著其表面積的增加而增加。但在所有連續體理論——如「漸進安全」理論中，這種複雜性的增加只與體積有關。不過支持者反駁說，這些比例關係，會在維數變動的情況下改變。
即便「漸進安全」理論不能解決最終的問題，它仍然是我們了解空間本性的階梯。「在『沒有時空』和『日常時空』間，可能存在著『古怪時空』，」德國波茨坦馬克斯普朗克引力物理研究所的達尼埃萊·奧利提（Daniele Oriti）說。
但是實驗可能不會很快就涉及到這個話題——實際上，當與量子引力有關時，由於普朗克尺度過於微小，現代儀器的探測能力鞭長莫及。但人們可以嘗試在宇宙學觀測上動動腦筋。路透指出，早期宇宙具有尺度不變性：所有尺度上的密度波動，級別都是相同的。這符合「漸進安全」理論的觀點，而且時空也是自然的基本特性。但試圖對此作出解釋的，還有其它許多理論。
即便所有理論都不支持維度缺失這個觀點，它也在以某種方式體現量子引力的深層特性。「這是它之所以如此有趣的部分原因，」卡利普說。「它可能揭示了某些與量子引力有關的深層含義，因為所有不同的嘗試都體現了相同的特點。但我們卻不知道那是什麼。」
我們都是維度的奴隸，正因為如此，我們難免帶有偏見。而物理學家正在學習如何消除這種偏見。我們只能祈求大自然是公平的。
George Musser 文 / 老孫 譯