驗證額外空間維度的三種方式

2020-12-04 騰訊網

額外維度是指宇宙空間在可觀測的三個展開緯度之外，存在的更多的緯度。這些緯度在大尺度上基本是觀測不到的，因為不論是實驗還是天文學觀測中，我們從未探測到過大尺度展開的額外維度。

額外維度捲縮成卡丘流形

超弦理論預言了十一維時空的存在，即除去時間一維，空間還存在7個額外的捲縮緯度，它們的尺寸小到10^-33釐米(普朗克長度)。但今天的技術手段能探測到的最小尺度僅為百億億分之一米，遠遠大於額外緯度捲縮的普朗克長度，因此要想直接在實驗中觀測到額外緯度，就目前的技術手段來說，幾乎是一件不可能完成的事情。

卡丘流形的3維模型

但是通過研究發現，我們可以用其它的方法，間接地證實額外維度的存在。下面對這三種最被看好的方法進行一個簡要的介紹。

引力強度的變化

引力是四種基本的相互作用中強度最小的力，它比控制著粒子衰變的弱相互作用的強度都要小。引力的傳播子稱為引力子，是一個自旋為2、質量為0的玻色子。

引力子模擬圖

由廣義相對論可以知道，即使對於一個基本粒子來說，其在一段時間內所輻射出的引力子攜帶的能量也是遵循能量守恆定律的。這就意味著，我們現在在大尺度空間範圍內觀測到的引力強度實際上是引力子在整個十維空間傳播的一個結果，而7個捲縮的空間緯度中會消耗一定的引力能量，因此對於僅僅在三維空間中傳播的引力，其引力強度要遠遠大於大尺度空間範圍內所測得的引力強度。

引力子的作用圖

如果在大型強子對撞機中，我們可以觀測到基本粒子在接近普朗克時間內傳播的引力強度超過了大尺度範圍內的引力強度，就可以認為在這非常短的時間段內，7個額外的捲縮緯度所消耗的引力能量為0或者非常小，而導致引力強度大幅度提高，這也就間接證明了額外維度的存在。

微型黑洞的形成

同樣根據純粹的三維空間內引力傳播導致的強度提高效應，如果在粒子對撞實驗中，我們觀測到了微型黑洞，並且發現微型黑洞的形成條件大幅度地減弱，那麼也會間接地證實額外緯度的存在。這是由於在基本粒子的層面，引力能量在額外緯度的消耗會比較小，這意味著同樣的對撞能量，更容易使得基本粒子在引力強度提高的前提下形成微型黑洞。

對撞機中的微型黑洞

高能碰撞中能量的缺失

在粒子對撞實驗中，任何粒子對的高能碰撞都必須遵循著能量守恆定律。但這個能量守恆一定是建立在整個十維空間的基礎上的。這時很容易看出，在高能對撞中，若粒子的能量在純粹的三維空間內失去了守恆性，這並不意味著物理定律的失效，反而證實了額外緯度的存在，而這消失掉的能量正是進入了另外7個捲縮的額外緯度。

高能粒子的相互碰撞

上面三個對額外空間緯度的驗證方式，當然僅僅是物理學家從純理論的形式上提出來的，要實現這種驗證，預言克服的技術困難還很多，就讓我們拭目以待，期待著額外空間緯度在實驗中的間接驗證吧！

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