科學家：引力正在向高維空間泄漏

因為只有引力才能感知它們的存在。

現(xiàn)代物理學中最大的謎團之一是所謂的“層級問題（hierarchy problem）”。這個問題主要涉及為什么引力這么弱，以及不同基本作用力之間，尤其是引力和其他基本作用力之間的強度差異為何如此巨大（引力只有其他作用力的幾十億分之一）。

這個謎團至今無解。但有物理學家認為，謎底可能與引力擁有一些其他基本作用力沒有的特性有關(guān)。比如它可以向高維空間滲透。

有科學家認為，引力之所以那么弱，是因為其他所有基本作用力都被限制在四維時空中，而引力卻可以擴散到額外的維度。這導致引力的強度被極大地稀釋，以至于在日常的四維時空里，我們體驗到的引力極其微弱。

額外維度的概念是1919年德國數(shù)學家和物理學家西奧多·卡魯扎（Theodor Kaluza）首次提出的。他認為，宇宙中除了四維時空，還存在著更多的維度。這些額外維度若是存在，可以解開物理學中某些懸而未決的謎。

盡管目前還沒有任何證據(jù)表明存在額外的維度，但這種引人入勝的可能性卻一直被津津樂道。

額外的維度究竟在哪里？我們能感受到的只有四維時空。唯一可能的解釋是，這些額外的維度在極小的尺度上蜷曲了起來。雖然無法感知，但我們的每一個細小動作，都會沿著蜷曲的維度運動數(shù)萬億次。

弦理論學家一直利用額外的維度來支撐他們的觀點。但是解釋引力之所以那么弱，卻并不需要涉及那么復雜的理論框架。

引力若真是因為在泄漏而表現(xiàn)得這么弱，額外維度的尺度必須在十分之一毫米左右。這一尺度堪稱巨大。但即便如此，我們卻仍未能察覺這些維度。唯一可能的原因是，只有引力才能感知它們的存在。

但我們并不需要進入這些維度就能窺探它們。想像將一張紙卷成極細的圓筒，然后讓無質(zhì)量的粒子——比如光子沿著筒壁運動，那么這個粒子不但會向前行進，還會沿著筒壁作圓周運動。

假如我們從足夠遠的地方觀測這根管子，我們就無法看到卷起來的那個維度。我們只會看到光子沿著管子作縱向運動。

然而光子畢竟也在卷曲的維度上運動，因此總體上它的運動速度會比單純直線前進慢。只要運動速度低于光速，粒子就一定擁有質(zhì)量，所以進入額外維度的粒子，即便是無質(zhì)量的光子也會擁有質(zhì)量。

理論學家懷疑引力是由無質(zhì)量的所謂引力子傳遞的。引力子的傳播速度在正常情況下等于光速。但是假如它們進入了額外維度，就會擁有質(zhì)量。在量子力學里，我們會發(fā)現(xiàn)實際上存在無限多種不同質(zhì)量的引力子。

所以要發(fā)現(xiàn)額外的維度，首先要能通過高能粒子對撞實驗，發(fā)現(xiàn)擁有質(zhì)量的引力子。

然而時至今日，人們一直沒能發(fā)現(xiàn)引力子，當然更未能發(fā)現(xiàn)任何額外的維度。

這一結(jié)果也迫使物理學家對理論進行修改。比如為了符合觀測結(jié)果，額外維度被設(shè)定為極其微小。

但這樣我們就又解釋不了引力為何如此微弱了。

不過按照物理學家麗莎·蘭德爾（Lisa Randall）和拉曼·桑德拉姆（Raman Sundrum）的觀點，額外的維度可以擁有曲率，而非傳統(tǒng)認知中的平直狀態(tài)。這樣它們就能夠維持足夠大的尺度，為引力的微弱提供解釋，與此同時也給我們理解粒子對撞機為何至今未能發(fā)現(xiàn)引力子留出了余地。

參考

Does the universe have extra dimensions hiding in plain sight?

https://www.space.com/astronomy/does-the-universe-have-extra-dimensions-hiding-in-plain-sight