看不見就意味著不存在？

「當我真正開始做物理時，有那麼一個時刻，一切思緒變得清晰明了，你會看見之前從未被人發現的東西。那種感覺太奇妙了。」

——麗莎·蘭道爾

6600萬年前，地球上橫行著一種史上最恐怖的龐然巨獸——霸王龍。它們身高超過3.5米，長12.3米，重達14公噸，牢牢地佔據著恐龍世界中的王者地位。然而，無論這一曾經的王者威力如何了得，在面對自然的力量時，是如此的渺小，毫無與之對抗的資格。

當時，一顆寬約10公里的天外來物直接撞擊了地球表面，一舉毀滅了統治陸地的恐龍，以及同時代的75％的物種。這個帶來毀滅性災難的不速之客很可能是一顆來自比海王星的軌道還遙遠的奧爾特星雲的彗星。但究竟為什麼這顆彗星會在其穩定軌道上受到擾動，從而朝地球飛來並「謀殺」了恐龍，沒有人能給出確定的答案。

Lisa Randall在騰訊WE大會分享關於暗物質、恐龍與第五維的故事。| 圖片來源： 騰訊WE大會

在眾多的「偵探」中，麗莎·蘭道爾（Lisa Randall）鎖定了一名最有意思的「嫌疑犯」。我們知道，地球和太陽並不是靜止不動的，它們會繞著銀河系的中心運動。當太陽系在通過銀河系的中間平面時，它遇到了由嫌疑犯——暗物質構成的盤面，正是這些暗物質改變了太陽系邊緣的天體的運行軌道，從而導致了這一災難性的事件。

我們並不知道這個猜想是否正確，我們甚至不知道什麼是暗物質。但可以肯定的是這個情節並非出自某個科幻小說，而是由世界上被引用次數最高的理論物理學家之一蘭道爾深思熟慮後提出的。作為哈佛大學的終身教授，蘭道爾是一位名副其實的集才華與美貌於一身的科學家。2018年11月4日，蘭道爾與基普·索恩等人齊聚在騰訊WE大會，與我們分享關於額外維度和暗物質的故事。

暗物質

那麼，究竟什麼是暗物質？一個最簡短的答案是：不知道。世界上有許多的科學家都在通過空間高能粒子探測器、深埋於地底下的探測器，以及粒子對撞機來尋找暗物質的蹤跡，目前還沒有發現任何蛛絲馬跡。普通的光學手段是無法找到它們的，因為它們不發光、不反射、也不吸收光。

宇宙的成分：暗物質約為26.8%，暗能量約為68.3%，而我們熟悉的普通物質（比如行星、恆星等）只佔4.9%。| 圖片來源：ESA/Planck

如果我們沒有發現它們，又是如何確定它們存在的呢？因為有許多天文觀測只有在暗物質存在的情況下才可以被解釋。例如，從星系自轉曲線中我們會發現，在星系外圍的恆星和氣體的運動速度太快了，如果沒有暗物質提供額外的引力，那麼星系早就分崩離析。又比如，當遙遠的光線經過離我們較近的星系團時，根據愛因斯坦提出的廣義相對論，光線會發生彎曲。從光線彎曲的程度我們可以推算出星系團的質量，許多觀測結果表明星系團內只有存在大量的暗物質才能解釋彎曲的程度。

當兩個星系團碰撞產生一個更大的星系團時，星系團中的氣體會加熱並釋放出大量的X射線輻射（粉紅色）。科學運用引力透鏡的方法，間接地探測到了星系團中的暗物質（藍色），它們會毫無阻礙的穿過星系團，沒有任何的碰撞或者自相互作用。| 圖片來源：NASA/CXC/CFA/M.Markevitch et al.

在宇宙的演化歷史中，暗物質對大尺度結構的形成也至關重要。因此，我們有許多理由認為暗物質是存在的，只是我們還需要有足夠的耐心去尋找，揭開它們的真正面目。

圍繞著銀河系的暗物質暈（Dark Matter Halo），提供了額外的引力來源。| 圖片來源：ESA

回到我們一開始提出的問題，暗物質真的謀殺了恐龍嗎？天文學家相信，銀河系被一個巨大的、光滑且彌散的暗物質暈（halo）所環繞。引發恐龍滅絕的那種暗物質的分布於宇宙中大部分暗物質非常不同。這種類型的暗物質會讓暗物質暈保持完整，它們與眾不同的相互作用會讓它們凝結成一個正好處於銀河系中間平面的盤狀物。形成的薄薄的暗物質盤可能密度非常高，以至於當太陽系通過時，會導致太陽的軌道穿過我們的星系時會上下振蕩，因此暗物質盤的引力影響會特別的強。

太陽在通過銀河系平面時，會進行周期性的上下運動。| 圖片來源：GARY PIKOVSKY

強大的引力足以改變在太陽系邊緣的彗星，而太陽的引力太弱無法將彗星穩固在軌道上。脫離軌道的彗星要麼被逐出太陽系，要麼衝進太陽系內，這就有很大的機會撞擊到地球，導致了地球上的大滅絕。

地球上曾經經歷了五次的大滅絕事件。每一次的滅絕即帶來了毀滅，也帶來了新的生機。我們無法回答類似」如果恐龍一直存在，那麼今天地球的統治者還會是人類嗎？「這樣的問題。如果蘭道爾是對的，那麼我們或許真應該感謝暗物質，使我們今天有機會生存在這顆」暗淡藍點「之上，追問宇宙的奧秘，尋找看不見的那些世界。

額外維度

暗物質並非唯一無法看見事物。如果某樣東西太過於小，那麼我們也看不見。例如我們看不到分子、原子、夸克、電子，但是越來越精密的儀器使我們能夠探索這些尺度下的世界。那如果在更小的尺度呢？比如在普朗克長度下，我們能否看見由弦構成的世界？或者是看到我們一直想要尋找的額外維度？

人類可以一個寬泛的尺度上（白色區域）探測宇宙，但是現代物理學理論所考慮的許多尺度已經超出這個範圍之外（灰色）。| 圖片來源：Tynan DeBold/Quanta Magazine

我們非常熟悉自己所身處的三維世界，上下、左右、前後，但宇宙真的只有三維嗎？似乎沒有任何理由能夠否定額外維度的存在。假設存在更高的維度，我們可以想像那樣的世界嗎？現在讓我們降一個維度，想像一下我們是二維生物，被領進一個三維的世界。如果我們觀察一個三維球體垂直地穿過二維世界，我們會看到什麼？我們看到的是大小不等的切片穿過，先是慢慢放大，然後再逐漸縮小。

二維世界的生物體看到三維球體會放大再縮小。| 圖片來源：Pany/NPI

通過這個類比，我們可以想像如果一個四維的超球體穿過我們的三維宇宙，我們可以推斷超球體在我們的宇宙中看起來應該是一系列變大又縮小的三維球體。除了切片以外，想像額外維度的方法還包括了投影、全息影像等。

當然，研究高維的最好方法其實是通過數學，而非圖像。在愛因斯坦提出廣義相對論後，Theodor Kaluza在1919年的時候，為了統一引力和電磁力，將時空的維度從四維擴展到了五維。愛因斯坦顯然被這個想法迷住了，但他困惑的是這額外的維度在哪裡？它與其它三維有何不同？

在時空的每一點都有個額外的捲曲的維度。| 圖片來源：WGBH/NOVA

直到1926年，瑞典的物理學家Oskar Klein才給出了答案。他認為或許是因為空間的第四個維度太小了。這很好理解，只要想像一根吸管。從遠處看，吸管就是一維的線，但只要觀察的足夠近就會發現它其實是根管子。Klein 認為這一額外的維度會捲曲成看不見的小圓圈，尺度為10-33厘米。這個尺度太小了，以至於目前任何實驗都無法直接探索它的存在。

到了1999年，蘭道爾發現了一種新的方法可以隱藏額外維度，這種理論是在弦理論的基礎上發展出來的，被稱為膜理論。該理論假定，引力會延伸至額外維度中，而人類、行星、恆星以及所有我們能感受到的東西，都會聚集在一張膜上。膜理論告訴我們，極小的額外維度並不是唯一的選擇，它也有可能延伸至無窮大，卻依然能夠隱藏自己。

如果說我們生活在其中一張懸浮在高維時空的膜上，那麼是否會有還有其他的膜會懸浮其中？答案是肯定的，但我們並不知道會有幾個或幾種膜。當超過一個膜的時候就進入了多重宇宙。

膜理論可以解決物理學中的一個重大問題：為什麼相比於其它三種基本力（電磁力、強核力、弱核力），引力是如此的弱？這個問題被稱為等級問題。當然，如果你是個登上愛好者，你可能會認為地球的引力並不微弱啊！但是試想一下，這是因為整個地球都在作用於你。而儘管地球的引力努力地將一枚小小的曲別針往下拉，可是一塊小小的磁鐵輕而易舉就能抵抗地球的引力，將曲別針吸起。在物理學的標準模型中，這是一個未解之謎，而額外的維度提供了一個可能的解釋。

引力膜和弱膜。| 圖片來源：Pany/NPI

上圖中我們看到了在彎曲的時空幾何中存在兩張膜，其中一張膜上的引力很弱（弱膜），另一張膜上的引力很強（引力膜）。如果我們居住在除引力膜以外的其他地方，引力都會很弱。所有，如果我們居住在弱膜上，那麼等級問題就是一件很自然的事情。

KK粒子的費曼圖。| 圖片來源：Pany/NPI

雖然聽起來是個瘋狂的想法，但其實這個理論在高能對撞機中是可被驗證的。大型強子對撞機（LHC）可以產生適當的能量去尋找該理論的結果。在額外維度中，存在著一種被稱為KK(Kaluza-Klein)的粒子。這是一種能在額外維度中傳播並攜帶動量的粒子，在我們看來它們是重粒子，其特徵質量譜由額外維度的大小和形狀決定。雖然我們目前還沒有在LHC中找到KK粒子的蹤跡，但也不能排除它。

未來，如果中國的下一代對撞機建成，那麼就有更大的優勢去尋找這些奇異粒子。而蘭道爾也將繼續探索高維空間、暗物質等等那些隱藏在宇宙深處的世界。

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