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宇宙不止3个维度( 二 )

宇宙不止3个维度
地球的引力场可以理解成 ， 地球向三维空间中辐射出引力线 。 离地球越远 ， 引力越弱 ， 这是因为距离地球越远 ， 引力线前端覆盖的面积就越大 。 在三维空间中 ， 因为引力线前端覆盖的面积和距离的平方成正比 ， 所以引力的大小和距离的平方成反比 。物理学家在提出一个新理论后 ， 都会对其进行仔细检验 ， 把新理论的各种预言和已有的实验结果做比较 。 额外维理论改变了引力在宏观尺度上的行为 ， 以及其他一些高能物理结论 ， 这些变动很大 ， 原则上很容易被实验排除 。 不管怎样 ， 额外维理论确实没有违背所有已知的实验结果 。首先 ， 如果额外维理论改变了引力的行为 ， 那么 ， 这会不会影响引力把物质聚合在一起的能力 ， 比如说 ， 影响恒星和星系的聚合？实际上 ， 这种担心是多余的 ， 额外维理论只是改变了引力在毫米尺度以下的行为 。 所以在星系间这样庞大的尺度下 ， 引力还是可以把物质吸引在一起 ， 形成恒星等各种天体结构 。理论物理学家还对额外维理论的其他推论进行了检验 ， 发现它们都和实验观测吻合 。 在所有的观测里面 ， 超新星的观测给出的约束最强 ， 而且科学家发现 ， 额外维度越多 ， 实验约束就越弱 。 极端情况下 ， 如果只有一个额外维度 ， 那么这个额外维的卷曲尺度 ， 大约是地球到太阳的距离 。 这显然是违背实验观测的 。 反之 ， 如果额外维度越多 ， 则引力改变的效应越分散 ， 使得额外维空间的卷曲尺度都不是很大 ， 从而符合宏观上的各种引力观测结果 。 这就是为什么增加的额外维度越多 ， 这类理论的精度就越高 。未来的对撞机额外维理论预言 ， 引力的作用在1012电子伏能量上会更强 。 这既可以解决层级问题 ， 又使得理论本身更容易在粒子物理加速器上得到验证 。 假如弦论能够正确描述量子引力理论 ， 那么引力子将是像小提琴弦一样振动的闭弦 。 在弦论里面 ， 已知基本粒子的弦不振动 ， 类似于松弛的琴弦 。 弦振动所产生的各种“音符” ， 都对应着一种未被发现的新粒子 。 在传统的弦论中 ， 弦的尺度大约在10-35米左右 ， 在此尺度下 ， 弦振动产生的新粒子的能量 ， 可以达到普朗克能量的量级 ， 远远超出了现有实验的观测能力 。 如果考虑到额外维理论 ， 这些闭弦的尺度就可以提高到10-19米的量级 ， 此时由弦振动产生的新粒子的能量只有1012电子伏左右 。 同样 ， 额外维的存在 ， 也会降低产生微型黑洞的能量 。 所以在加速器上也有可能产生微型黑洞 。即便加速器上的能量还不能够产生振动的弦和微型黑洞 ， 但也会产生出大量的引力子 。 虽然对撞机实验并不能直接探测到引力子 ， 但是产生的引力子会带走一部分能量 ， 实验数据会显示出能量损失 。 额外维理论预言的能量损失大小 ， 随着碰撞能量的不同而变化 。 根据这一性质 ， 科学家可以区分是引力子带走了能量 ， 还是由其他未知粒子造成了能量损失 。 现有高能加速器的数据 ， 可以对额外维理论给出一个初步约束 。 未来的加速器实验 ， 将有可能发现引力子 ， 进而发现额外空间维度 。宇宙不止3个维度
大质量的恒星向内塌缩产生超新星 ， 并向外放出大量冲击波 。 科学家一般认为这些能量是被中微子带走的（图中蓝线所示） 。 假如存在额外维 ， 那么辐射出的引力子（图中红线）将会把更多的能量带到额外空间中去 。 如果引力子带走了太多的能量 ， 超新星就不能形成 ， 所以理论物理学家可以通过超新星的观测数据 ， 给额外维模型的性质设置一个约束 。宇宙不止3个维度
当粒子加速器中的两个高能质子（图中黄线所示）碰撞在一起的时候 ， 有可能产生微型的黑洞 。 这些黑洞会以霍金辐射的形式 ， 向外释放出标准模型粒子（图中蓝线所示）和引力子（图中红线所示） ， 从而很快蒸发掉 。其他一些实验也可能证实额外维理论 ， 甚至这类实验的结果比对撞机上的结果来得更快 。 为了解决层级问题 ， 前文中提到的两个额外维的卷曲尺度要达到毫米量级 。 在这种尺度上 ， 引力的大小就是反比于距离的四次方 ， 而不是传统牛顿万有引力里面反比于距离的二次方 。 科学家在毫米及其以下尺度上 ， 通过设计实验探索引力的行为 ， 能够证实是否存在额外的空间维度 。 在额外维里面 ， 距离小于一毫米的两个物体之间产生的排斥力 ， 将会是引力的100万倍 。 为了观察到上述可能的现象 ， 科学家用精密探测器 ， 探测从厘米到几十微米上的引力行为 。为了探测毫米及其以下尺度上的引力行为 ， 科学家除了要求探测对象的尺度不能大于一毫米外 ， 还要求它们的质量都很小 。 所以 ， 这些实验必须达到很高的精度 ， 能够剔除各种可能的误差 。 华盛顿大学的科学家已经在1/5毫米的尺度上 ， 测量了引力的行为 ， 并与万有引力定律的预言做了对比 ， 两者十分吻合 ， 没有偏离 。 因此 ， 如果存在额外维 ， 那么这些额外维的卷曲尺度必须要小于五分之一毫米 。 现在更多的科学家正在努力提高实验精度 ， 希望以此发现额外维 。就像银河系不是宇宙中唯一的星系一样 ， 我们的宇宙也可能不是高维空间中的唯一宇宙 。 可能还有更多的三维空间禁锢在其他膜空间上 ， 这些膜空间平行于我们宇宙所在的膜空间 ， 中间隔着一毫米的额外空间维度 。 类似地 ， 虽然所有已知的标准模型粒子都被禁锢在我们这个膜空间上 ， 但并不排除会有其他新粒子可以进入到额外维空间 。 额外维空间并不一定是真空的 ， 它们甚至可能有很复杂而有趣的内部结构 。如果额外维中存在新粒子 ， 这将很有可能解释许多现存的粒子物理和宇宙学难题 。 例如 ， 中微子的质量起源问题 。 长久以来 ， 中微子都被认为是没有质量的 ， 然而近些年的实验 ， 证实了中微子具有一个极小但非零的质量 。 在额外维理论里面 ， 中微子可以和它在额外维里面的伙伴粒子相互作用 ， 从而使自身获得质量 。 中微子的伙伴粒子也可以在额外维里面传播 ， 所以伙伴粒子产生的力很快被稀释 ， 这导致了中微子的质量非常的小 。平行宇宙宇宙学中另一个谜团就是暗物质 。 暗物质占宇宙中所有物质质量的90% ， 虽然不可见 ， 但科学家可以通过引力效应观测到它们 。 在额外维理论里 ， 暗物质被认为是处在其他平行宇宙中的物质 。 由于引力可以自由地在额外维中传播 ， 所以人们通过引力观测 ， 能够发现其他平行宇宙里的物质 ， 但是光子被禁锢在膜空间上 ， 所以其他平行宇宙里的光子 ， 不可能通过额外维传播到我们地球上 ， 所以我们看不见它们 。


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