我们如何看见第四空间维呢?
问题是我们不能看见。高维空间是不可能用眼睛观察的,因此再努力也没用。著名德国物理学家亥姆霍兹(HermannvonHelmholtz)把人们不能“看见”第四维和盲人不能想象颜色的概念相提并论。无论我们怎么滔滔不绝为盲人描述“红”颜色,但是用语言总是不能确切地把丰富的颜色告知盲人。甚至已经对高维空间做了多年研究的有经验的数学家和理论物理学家也承认,他们不能形象化地描述高维空间,而是退到了数学方程的世界中。尽管数学家、物理学家和计算机专家在解多维空间的方程时并没有什么困难,人类发现还是无法想象他们自己这个宇宙之外的宇宙。
我们充其量只能利用各种数学技巧来一睹高维客体的影子;这些技巧是由数学家兼神秘主义者欣顿(CharlesHinton)在20世纪伊始构想出来的。其他数学家,如布朗大学数学系主任班乔夫(Thomasbanchoff)已经写出一个计算机程序,它能把高维客体投影到二维平面即计算机显示屏上,而让我们来操纵它。就像古希腊哲学家柏拉图(Plato)所说的那样,我们像穴居者一样抱怨只能看到洞外丰富生活的朦胧而灰暗的影子,班乔夫的计算机程序也只能让我们瞥见高维客体的影子。(事实上,由于进化的原因,我们不可能目睹更高的维数。我们的大脑已经进化到能在三维之中处理大量的紧急事件。我们能即刻认出跳跃的狮子或突袭的大象,并作出反应。事实上,那些能较好地看出物体在三维空间中如何运动、旋转、扭曲的人,与那些不能看出这些运动的人相比,具有明显的生存优势。遗憾的是,人类并没有需要把握在四个空间维度中运动的生存压力。能够看见第四空间维当然无助于人们抵御剑齿虎的突袭。狮子和老虎不会通过第四维来袭击我们。)
自然规律在高维中更简单
芝加哥大学著名的费米研究所的理论物理学教授弗罗因德(PaterFreund),是喜欢用高维宇宙的性质来愉悦听众的一个物理学家。他是超维空间理论的早期工作者之一,当时这一理论与主流物理学相比被认为是奇谈怪论。他和一小部分科学家孤立地对高维科学研究了多年。而现在这门学科已经变成一个时髦而又合法的科研分支。使他高兴的是,他早期的兴趣最终得到了回报。
弗罗因德与传统的那种狭隘、顽固、不修边幅的科学家形象极不相符。相反,他文雅、口齿伶俐而又富于教养。他善于诡谲而顽皮地笑,他的笑使那些非科学家人士为突破性科学发现的迷人故事而倾倒。他会随意写上满满一黑板方程式,或者与别人在鸡尾酒会上开点无伤大雅的玩笑。他说话时带着浓重而明显的罗马尼亚口音,拥有生动迷人地解释那些极为神秘复杂的物理概念的绝技。
弗罗因德通常会提醒我们,科学家们已用怀疑的眼光来评述更高的维数,因为它们既不能被测量也没有特殊的用途。然而,当今的科学家却逐步意识到,任何一种三维理论都“太小”,不足以描述控制我们宇宙的力。
像弗罗因德强调的那样,过去10年中贯穿于物理学的基本主题是:自然规律在高维空间表述时会变得更为简单和优美。高维空间是自然规律的天然栖息地。光和引力的定律在高维时空中找到了一种天然表述。统一自然规律的关键步骤是增加时空的维数,从而能合理安排越来越多的力。在更高维中,我们有足够的“空间”来统一所有已知的物理力。
在解释为什么更高的维数正在激发起科学世界的想象力时,弗罗因德用了下列类比:“想想地球上跑得最快的动物中的猎豹,它皮毛光滑而又美丽,在非洲的热带草原上漫游。在它的天然栖息地,猎豹是一种了不起的动物,简直是一件艺术品,它的奔跑速度或奔跑动作的优美简直无与伦比。现在,”他继续说道:
想想被捕获并且投进动物园简陋笼子里的猎豹吧。它已失去了原有的优雅和美丽,为了我们的娱乐而被安排去展出。我们只看到笼子里神情绝望而不是原来那种优雅和精力充沛的猎豹。猎豹可与物理规律相提并论,物理规律就其本身而言是优美的。物理规律的天然栖息地就是高维时空。然而,我们只能测量那些被拆散且放在笼子里展出的物理规律,这个笼子就是我们的三维实验室。我们只能看到已经被剥夺了优雅和美丽的猎豹。
几十年来,物理学家们想知道为什么四种自然力以如此支离破碎的形式出现──为什么在笼子里的这些“猎豹”看起来神情如此绝望和可怜。弗罗因德注意到,四种力看起来似乎大不相同的基本原因,是我们一直在观察“笼子里的猎豹”。对于物理规律而言,我们的三维实验室是一个无能的动物笼子。但是,当我们在高维时空(它是物理规律的天然栖息地)中表述物理规律时,我们就看到了它们名副其实的显赫和有力,物理规律就变得简单而富有生命力。现在这场席卷物理学的革命,就是认识到了猎豹天然栖息地也许正是超维空间。
为了阐明如何加进一个较高的维数就能使事情变得简单,试想古罗马人是怎样打那些大仗的。伟大的罗马战争常常包含了许多较小的战场,它一定伴随着来自四面八方的谣言和误传,把事情弄得混乱不堪。战争在多个前线进行,罗马的将军们却常常盲目指挥。罗马人往往是靠暴力而不是靠优美的战略赢得战争的胜利。那就是为什么战争的首要原则是占领高地──即上升进入二维战场上方的第三维。在可看到战场全景的巨大山丘的有利地位上,战争的喧嚣突然变小了。换句话说,从第三维(即从山丘的顶部)来观察,较小战场的混乱结合成了一幅首尾连贯的单一画面。
这个原理──自然规律在高维中表达时可以变得较为简单──的另一个应用,是爱因斯坦狭义相对论背后的中心思想。爱因斯坦揭示了时间是第四维,证明了在四维理论中时间和空间能够便利地统一起来。这进而必然导致所有用时间和空间来测量的物理量的统一,比如质量和能量。他还发现了质量和能量统一的精确数学表达式:E=mc2,这就是所有科学方程式中最为著名的质能公式。高维理论绝不仅仅是一个学术理论,因为爱因斯坦理论最简单的结果乃是原子弹,它改变了人类的命运。在这一意义上,引入高维已成为人类历史中至关重要的科学发现之一。──作者原注。
为了鉴赏这个统一的巨大威力,现在我们来描述四种基本力,强调它们如何不同,如何在高维中给出这四种力的统一表述。过去两千多年来,科学家们发现我们宇宙中的一切现象能够被归结为四种力,它们从一开始就彼此互不相似。
电磁力
电磁力以多种形式存在,它包括电、磁和光本身。电磁力照亮我们的城市,可使收音机和电唱机发出的音乐充满整个空间,可用电视给我们以娱乐,用电器来减少家务劳动,用微波炉烘烤食物,用雷达跟踪飞机和进行空间侦察,用电厂发电。最近,电磁力已被用于电子计算机(这使办公室、家庭、学校、军队大为改观)和激光(这对于通信、外科手术、光盘、五角大楼高级武器系统,甚至于售货台的付款机有重大意义)。在某种意义上,地球上多半的国民生产总值(它代表着人类积累的财富)都依赖于电磁力。
强核力
强核力为恒星燃烧提供能量,它使群星争辉,产生哺育生命的太阳光。如果强核力突然消失,太阳将一团漆黑,地球上一切生命将会灭亡。事实上,一些科学家认为恐龙灭绝于6500万年前的原因,是一次彗星撞击的碎屑来到高空大气层之中,使地球暗淡无光,引起整个地球温度骤然下降。具有讽刺意味的是,也正是强核力可以一天之间收回它赠予的生命。如果不限制氢弹爆发,强核力就有可能在一天之内结束地球上所有的生命。
弱核力
弱核力控制某些形式的放射性衰变。因为放射性材料在衰变或分裂时发出热,弱核力使地球内部深处的放射性岩石变热。这种热又偶尔会使火山把熔岩猛烈地喷向地球表面。弱核力和电磁力还被用来治疗严重的疾病:放射性碘被用来杀死甲状腺肿瘤和抑制某些种类的癌。放射性衰变力也能致死:它在三英里岛和切尔诺贝利造成严重破坏;它也产生放射性废料──核武器生产和商用核电厂的必然的副产品,这些废料都有可能贻害几百万年。