你所不知道的平行宇宙

关键词:量子力学,平行宇宙,永恒暴涨,高维空间,超弦理论,膜宇宙模型

上期我们讲了量子力学中的多世界理论发展来了平行宇宙,以及可观测宇宙中的平行宇宙,还有跟我们同属一个大宇宙的多重子宇宙以及非常奇幻的镜像平行宇宙。

而这期我们讲一讲两种平行宇宙,一种是基于永恒暴涨提出来的平行宇宙,也就是俗称的宇宙泡泡;另一种就是基于弦理论和额外维理论的膜宇宙模型中的平行宇宙。

平行宇宙论这个想法从何而来?我们有什么证据可以证明它?它面临着什么问题?

想要了解这个想法,需要一步一步来,首先我们可能需要先知道这个想法是在什么情况下,为什么提出的。

我们来先谈谈基于永恒暴涨理论下的平行宇宙,讲这必须要介绍一下什么是暴涨理论。

这都要从宇宙的诞生开始说起,一切都是源发于距今140亿年前的一个奇点,一次猛烈的爆炸,经过了数十亿年宇宙冷却下来结合形成了行星和星系。由于那次爆炸,宇宙至今仍然在膨胀,这就是大家都耳熟能详的“大爆炸理论”。但我们真的了解大爆炸吗?我想答案一定是“不!!”

如果我们把时间倒回最初还没有爆炸的时候,我们会发现大爆炸理论并不能解释为什么宇宙会一直膨胀?它什么时候停下来?宇宙现在为什么在大尺度上是各向同性的?没有解释为什么爆炸,在爆炸之前又发生了什么?(这两个问题在宇宙大爆炸理论框架中是永远解决不了的,除非把它包含在更大的框架中。而且我们没有必要非要要求宇宙大爆炸理论必须可以解决这两个问题。)

可能有点乱,但是宇宙大爆炸模型刚提出来的时候确实有很多问题。

现在我们仔细梳理一下这些问题。

首先第一个,宇宙的视界疑难。

为什么我们现在看到的宇宙在大尺度上是均匀同性的,具有均匀性?

要知道在早期宇宙的时候,有许多区域并没有因果关联,因为光速是有限的。那么不同区域是通过什么打土电话达到统一的标准,统一的均匀性?今天的均匀性是怎么形成的?

这就是被称为视界疑难或者是均匀性疑难/因果疑难。

第二个问题就是宇宙的平直性问题,在标准宇宙宇宙模型中,决定宇宙膨胀速度还有宇宙的结构得的是辐射,物质。

在早期宇宙中,宇宙的结构是高度弯曲的,然而现在却发现我们宇宙大尺度上是近似平坦的。

如果宇宙按照目前的膨胀速率,是不可能得到今天的观测值。

是什么导致了宇宙突然从高度弯曲变成平坦?

这种问题被称为平直性疑难。

这个问题提出之后有很多人声称可以解决,但是都不很不自然。

直到20世纪70年代中期,粒子物理学家开始介入宇宙学领域,问题得到了很好的改善。

在80年代初期,古斯认为在宇宙早期某个真空占主导地位,真空零点能提供强大的能量让宇宙加速膨胀,一开始宇宙是非常小的,所以各个区域都联系的很好,直到某个阶段真空为主,宇宙被快速可能是几个普朗克时间之内膨胀到非常大尺度上。在这个超级膨胀之前,宇宙各个区域已经联系的非常好了,超级膨胀也抹去了宇宙的高曲率,所以今天的宇宙看起来是近似平坦的。这个短暂的加速膨胀或者超级膨胀,如果很好的解决上述两个疑难,包括其他问题。所以被很多人接受,这就是最早的暴涨理论。

温伯格曾经评价过暴涨理论,说那很简单,但是没有人想到。

关于暴涨理论到底是谁提供的能量?众说纷纭,有的认为是希格斯场提供的,有的人假设某种暴涨场。有的甚至将暗能量的候选人与暴涨联合在一起。

那么如何验证暴涨理论呢?

暴涨论会让大家如此兴奋,其中一个原因是它可以通过观测来验证。想象一下,如果我们可以把太阳拿掉,把所有的恒星星系都拿走。如果我们肉眼能够观测到宇宙中剩余的能量,我们会看到宇宙到处都散发着红光。这些辐射我们称为宇宙微波背景,也就是大爆炸残存的热辐射,

这一理论预测 宇宙在暴涨时期的猛烈膨胀会在辐射中留下痕迹,从这些痕迹中,我们可以非常精准地得出温度变化的图形。直到理论提出的十年过后,我们的科学技术才足以达到能够检验这一预测,在1989年 美国宇航局NASA发射了“宇宙微波探测者”卫星。2001年又发射了另一颗,WMAP(威尔金森韦伯各异向性探测器),结果令人非常震惊,经过精密的探测,宇宙的温度变化几乎和暴涨论预测的完全吻合。

不过有一种疑问,那就是为什么现在感受不到任何暴涨,虽然宇宙在加速膨胀,但是绝不是宇宙早期那种快速的在几个普朗克时间内高速膨胀那种速度。

所以很自然的一个问题就是为什么现在没有暴涨发生?是什么时候停止的?为什么停止?

解决这个问题有很多模型假设,但是有一种理论认为暴涨从未停止,只是我们这个宇宙停了而已。这个理论就是永恒暴涨理论。在这个理论框架下,他认为我们的宇宙脱离的暴涨场,但是有很多新生的宇宙并没有脱离暴涨场。

就类似于一个人用吸管在吹水,产生很多气泡正在产生的气泡,就是正在暴涨阶段的宇宙,而在水中的气泡就是已经脱离暴涨的宇宙,我们的宇宙就在其中。

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这将意味着我们的宇宙有可能不止一个,会产生很多类似于泡泡的宇宙。不同宇宙泡泡中有也许有我们这样的生命,而且宇宙大爆炸并非唯一,而是时常发生的事情,以后也将会有无数次的爆炸时常发生。而新的宇宙会不断诞生,从而使多重宇宙不断膨胀。这一理论我们成为“永恒暴涨”。

我们之所以无法感受到其他宇宙的暴涨,是因为我们已经脱离了暴涨。

不过,这个理论也有它的缺陷,因为我们只能看到所有的一小部分,不仅无法观测到其他的宇宙,也无法观测它们之间的空间。

我们不知道有没有任何的光,物质能够从其他宇宙进入到我们的宇宙,但是光速是有限的,所以在大尺度上最快的光如同蜗牛一般前行。所以是无法验证之中多重宇宙的。

因此,很多物理学家对这个理论反应冷淡,由于没有证据能够支持这个理论,多重宇宙这个构思似乎变得穷途末路了,这个项目停止了将近10年的时间,但有几个科学家保住了这个想法的小火苗。

还有一种平行宇宙模型就是膜宇宙模型,这些理论假设我们在一个更高维度的空间中,不同模型这个高维度维度数目是不一样的,我们所生活的是三维的膜上,还有很多个我们平行或者交叉的膜,膜和膜之间只能通过引力相互作用,因为只有引力子才可以逃离出来。

膜之间的交叉碰撞就是黑洞,不同膜因为引力碰撞在一起也可以产生大爆炸现象,有些理论模型就认为我们的宇宙大爆炸有可能产生于两个膜之间的碰撞。

在高维空间中,不仅有我们生活的三维膜,还有很多跟我们平行的膜,他们也是独立的宇宙。这就是膜宇宙的多重宇宙理论。

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下面我来简单介绍一下这种理论。不过在此之前我们先介绍一下额外维度在物理上是怎么引入的。

通常,额外维理论中时空的维度是4+d形式的,这个d就是被引入的额外维度。

不过,我们在现实生活中并没有发现这种额外维度的存在的证据,因此最开始的引入模式是这些额维度是非常小的,被圈缩在非常小的尺寸中,这个现象就称之为额维度的紧致化。

那么什么叫高维紧致化呢?

顾名思义,额外维度被紧致化的蜷缩维中,而紧致化意思是这些维度被紧化在一个流形上(流形:局域上同胚或是也就是等价于欧式空间的一种空间)。

举个例子就是吸管的例子,

从远处看,吸管就是一维的线,但是当我们靠近看非常近的时候,会发现水龙管表面的二维表面。

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在这里二维的圆柱表面这个多出来的维度就沿着以吸管的粗度半径圆柱缠绕或者蜷缩。这个过程就是紧致化。

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在弦理论中,剩下的六个维度蜷缩在六维的卡拉比丘流形上。而他们的特征尺度也就是粗度半径大概是一个普朗克尺度。

不过这种思想最早不是弦理论中提出的,而是1919年克鲁扎和克莱因提出来的,提出这种目的就是为了统一当时已知两种相互作用引力相互作用和电磁相互作用。

尽管当时爱因斯坦已经走了,但是他们俩走的是另一条道路。

最初的想法也很简单,既然引力是四维时空的弯曲,那么电磁力就是更高维度的时空弯曲。在数学上,他们可以很容易的写出五维时空的时空线元(也就是五维时空的两点之间距离函数/公式模板)与五维时空的时空度规。

相应的也可以得到五维时空上,类似于广义相对论引力场方程的一种场方程,即五维时空的爱因斯坦场方程。

但是,我们现实生活中确实没有这第五个维度,而且空间维度只有三个,因为我们现实中的电磁力和引力满足平方反比公式。或者高斯定理。任何形式的能量传播或者一些物理量的流动均满足高斯定理也就是球面关系。

所以,如果这第五个维度存在那么现实中张很难被探测到。他们设想这个第五维度非常小,被蜷缩在一个非常小的尺度上,并且是闭合的,也就是一定尺度的圆周。

近处看大概就是,一个四维时空,沿着第五维度的方向上每一个时空点都有一个一定尺度的圆周。

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他们当时认为这种圈缩的圆周尺度大概是一个普朗克尺度。

所以他们认为这第五维度必须看成是圈缩的微小的圈,而且非常小。以至于我们在大尺度上很难感受到。所以,我们从大尺度上来看,我们的时空依然是四维的。

因此,当他们用这种紧致化的思想去处理他们的理论的时候,就会惊奇的发现五维的爱因斯坦场方程在四维时空会得到两种方程,第一种就是阿因斯坦引力场方程,第二种就是麦克斯韦电磁场方程。

也就是说,紧致化掉第5维之后得到的理论自动包括4维引力和麦克斯韦方程。

所以在当时这种思想理论看似解决了爱因斯坦的问题。当他们把这篇文章寄给爱因斯坦看的时候,爱因斯坦大为称赞,并声称自己没有这样想过,是一个绝美的思想。

不过再往下,这种理论的发展就难产了。

因为它算出来的电子的电荷和质量跟实际测量的差的十万八千里。加上其他的一些毛病,所以说逐渐被冷落埋没。

不过这种引入额外维度和处理额外维度的思想却流传了下来,逐渐被弦论和一些额外维度相关的理论模型继承。

在这里先简单介绍一下超弦理论,为后面我们所要讲到的膜宇宙模型做一下铺垫。

超弦理论最早并不叫超弦理论,而是弦理论。不过为了方便以下都简称为弦论。

最早的弦理论并不是像现在宣称那样是万物理论,它的引入仅仅是为了解释在强相互作用下粒子散射,求散射振幅。

可以说,弦论起源于对于强相互作用的研究。

上世纪60年代后期,加速器上发现了非常多的共振态粒子(一类不稳定,寿命非常短的粒子,特点就是碰撞截面在某一个质心能量标度附近有一个凸起来的峰状图像,而且在这个标度附近的碰撞截面,对于能量的依赖性非常大,具有共振现象,故而早期被称为共振态。有确切的自旋,质量等等,但是存在的寿命非常短,而且只出现在在强相互作用主导下的粒子散射上。所有的共振态粒子都是强子。)

然而这些共振态的散射振幅(或散射截面)却不能很好地用当时的场论方法去计算出来。

这些共振态粒子的散射振幅或者是散射截面满足一种对偶性(这里所谓的对偶性姑且可以理解为,表面上用不同的理论模型去描述,但实际上会导致相同的物理结果)。

这种对偶性就是s-t对偶性。换句话说,就是共振态粒子的散射截面的s道贡献等于t贡献。

这里先解释一下,什么叫s道贡献什么叫t贡献。他讲是这样定义的,在粒子散射过程中,如果两个散射粒子先结合成第三个粒子,然后这第三个新粒子再衰变成两个粒子,那么这个过程将称之为s过程;如果并不是先结合产生第三个新粒子,而是通过交换一个粒子发生反应,那么这个过程将被称为t过程。

因此,显而易见,这两个过程的贡献绝不相同,至少表面上来看不相同。

用当时的量子场论方法计算也是这样,然而60年代的实验表明,很多共振态粒子的散射振幅都满足这种对偶性。所以当时的量子场方法并不能很好的解决,如何去计算这些粒子的散射截面问题。

不过不用慌,正所谓理论模型不行,经验公式来凑。

在1968年,一位在麻省理工学院工作的意大利物理学家韦内齐亚诺在无意之间翻看数学手册的的时候,发现了一个古老的数学公式——欧拉γ函数。偶然发现古老的函数似乎可以去描述那些共振态粒子的散射。

很快就搞出来了计算这些共振态粒子散射截面的经验公式,他自己压根不知道为啥会这样。

一开始,韦内齐亚诺公式只能解决一两个粒子散射,有很多粒子参与的散射它并不可以解决。不过他的工作算是一种开创,吸引很多人来扩展他的结果。

后来,美国理论物理学家伦纳德·萨斯坎德研究发现这个韦内齐亚诺公式其实描述的是一种一维振动的弦之间的散射而并不是粒子之间的散射。

陆续有人发文章认为韦内齐亚诺公式可以表征为弦的散射振幅。

这就吸引了一大波人做弦论,来研究强相互作用。

人们发现,韦内齐亚诺公式中,有无数个中间粒子态,

通常粒子散射分为三个部分,分别是初态,中间态和末态。初态和末态是可观测的,中间态是不可以观测的。

比如两个电子之间的散射,初态和末态均是可观测的电子,而中间态粒子就是他们交换的虚光子,也就是传递电磁相互作用的虚光子。

所以这些中间态的粒子,它的质量和自旋都可以任意大。这中间人们发现一种质量为0,但是自旋量子数为2的中间粒子。现在我们一眼就知道这与引力子很像,但是在当时没有人注意到这一点。

这样很多人被吸引过来用这种弦图像去研究散射振幅的计算技术。

的确,当事人们找到了一个计算高圈图的工具,也是唯一一个,那就是光锥规范下的技术,但是也仅仅适用于玻色子弦之间的。

但是,如果要保证整个理论的自洽性,而且保证一些基本的对称性,比如洛伦兹对称性不被破坏,当然也要保证一些基本粒子质量为零,比如光子,因此就必须假设这些波色子弦是在26维时空中的。

而且是会产生一类无质量的粒子,快子,它更多的物理意义其实是整个体系基态的不稳定性,而并不是超光速粒子。它就相当于沙丁鱼群中的鲶鱼一样,让整个沙丁鱼鱼群(物理体系)不稳定,包括后来提出的真空衰变也是基于这个。

然而不久后,盖尔曼提出了QCD理论,一种完美的场论。非常成功而圆满的解决了包括共振态和散射振幅等等之前令人头疼的强相互作用的问题。

因此,弦理论在强相互作用上被量子色动力学掐死,渐渐消失。

尽管弦理论看似已经死去,但是还是有几个人在坚持做弦论,

比如加工理工学院的施瓦兹,英国人格林(不是那个美国的布莱恩·格林),法国人舍尔克。这个时候大部分人都认为弦论是死掉的理论,没有必要在这方面浪费时间。

还记得我们之前说过说过那个自旋和质量都跟引力只很像的中间态粒子吗?它在一方面也为弦理论续了一波命。

在1980年左右,施瓦兹他们惊奇的发现,这个自旋为2,质量为0的粒子非常像引力子,于是他们的假设,也许弦理论并不是描述强相互作用是描述引力相互作用的一种可行的理论。结合刚提出来不久的超对称建立了超引力理论。

这里要简单讲一下什么叫超对称理论,

它是玻色子和费米子之间的对称性,通过超对称变换一个费米子体系可以变换成玻色子的体系。

超对称变换你可以当做是在某种特殊的抽象的数学空间一一超空间中的变换或者旋转。

超空间的坐标由普通的数和格拉斯曼数共同组成。所谓的格拉斯曼数就是一种代数结构,它满足以下几个条件:

ab=-ba(反交换对称性)

αα=0(平方为零)

下面我们讲讲这种理论的发轫。

众所周知,基本粒子或者说粒子分为两大类,一种是玻色子,用于构成场与传递相互作用;另一种则是费米子,用于组成各种物质的基础。

判别他们的唯一标准就是自旋量子数。

自旋量子数或者自旋当作一种量子数或者是粒子在内部空间也就是自旋空间中的旋转,这种自旋空间是不同于时空的,姑且可以把它当做一种数学上的抽象空间。是可以用相同的数学工具去描述的。

自旋的方向在自旋空间中是任意的,但是在三维空间中只有两个取向,分别用“+”、“-”号标记。

一般对于玻色子和费米子的定义是这样的,

自旋量子数为整数倍h-拔的粒子被称之为波色子,它符合玻色一爱因斯坦统计分布规律;自旋量子数为半整数倍h-拔的被称为费米子,它符合费米一狄拉克统计分布规律。(经典粒子符合玻尔兹曼一麦克斯韦统计分布,当不考虑量子效应的时候,上面两个同济分部就会退化成玻尔兹曼一麦克斯韦统计分布)。

其中h-拔被称为约化普朗克常量或者狄拉克常量。

玻色子和费米子的概念很广,不仅仅适用于基本粒子,甚至是复合粒子也可以。

比如一对夸克构成的介子,三个夸克构成的核子(中子和质子),甚至是原子核。比如之前的玻色一爱因斯坦凝聚态,甚至是费米狄拉克凝聚态都是原子核的凝聚。只不过有些原子核是玻色子,有些原子核是费米子。

不过原子就不可以适用于这个概念,因为原子并不是一个复合粒子体系,它的内部自由度不为零,电子在高速运转。

最早做超对称这项工作的的就是上世纪60年代末,前苏联物理学家高尔芳,他的目的是寻找一种联系玻色子和费米子体系之间的对称性,他当时是为了解决弱相互作用。

不过很可惜这样工作没多少人注意,尤其是1967年之后,温伯格发表了关于弱电统一理论的文章。

而欧美物理学家则是另一个动机,研究弦理论。在1971年左右,还在费米工作室工作的皮埃尔·拉蒙考虑在弦论中引入带半整数自旋的激发态也就是费米子。

前面我们说过在超对称理论中,超空间中超空间的坐标由普通的数和格拉斯曼数共同组成。所谓的格拉斯曼数就是一种代数结构,

其中有一个性质就是反交换对称性,

而费米子的波函数也具有反交换对称性。

因此在拉蒙的理论中,弦的激发态是费米子,但是也包含原有的玻色子。弦到运动产生的轨迹叫做世界面(这在后面也叫做P膜),它包含着玻色子的场也包含着费米子场。不过主要研究的还是费米子弦。

就这样提出了超对称的理论,在弦理论中,将玻色子和费米子联系在一起。

不过在当时也没有得到重视,而且不久后被费米实验室开除了,尽管拉蒙用费米实验室的名字命名这个新的领域。

让我们回到施瓦兹的工作,他引入超对称理论之后,并结合这个引力子,建立起来了超引力理论。

从此,弦理论首次作为量子引力理论而登上舞台。而且超引力有着大家非常想要的东西,比如,普通引力的直接量子化被证明是发散的,不可重整的,不仅发散项是无穷多的,而且无法分离(无法用正规化),更别提引入抵消项(无法用重整化)。

然而惊奇的是超引力是有限的,至少在展开到第八项的时候,往下展计算太困难了。

而且在弦论中,没有点粒子之间的发散的,因为一维的弦是有尺度的,不会出现点粒子的自能或者其他力学量的无穷大。

因此,这些无穷项是不会出现的,重整化也就变得得无关紧要。因为没有烦人的无穷大还有处理无穷大的方法,因此,加入超对称的弦理论显示出理论该有的优美和自洽性。又吸引了一波人做这项工作。

这是弦理论的第一次大革命,也掀起了一波热潮。

但是很多人都在一起做,大家都有自己的方向,于是又产生了5种超弦理论,这五种超弦是:I型,IIA型,IIB型,杂化I型,杂化IⅠ型。弦论学家们发现了这几种自洽的弦理论,但谁也无法说明这五种弦理论哪一种是正确的。因为他们表面看起来没有任何关系,甚至有点敌对。

因此,大家都想证明自己是正确的,但是都无法证明。于是僵持又开始了,大家不知道哪种弦理论是正确的,所以说弦论开始停滞不前。

幸运的是,在1994年,文科生爱德华·威腾证明,五种超弦彼此是对偶的,还记得我们前面说的对偶是什么意思吗?它们虽然表面看起来不一样,其实是可以导致同一个物理结果。

爱德华进一步认为它们只是一个M理论(膜理论或者矩阵理论)的五种不同的极限理论。

对偶性再次出现在人们眼前,这一次对偶性被证明是很重要的。直到今天,一部分研究弦理论的人,只是为了专门研究对偶性。

于是这又掀起了研究弦论的一波浪潮,这也是第二次革命的发起。

在1995年,Polchinski提出了D膜的思想以及对偶性用D膜的表达,D膜他是开弦端点的地方,开弦两端终结于D膜上,而这个膜满足狄利克里边界条件(开弦的某个坐标在端点必须是固定的),所以叫D膜。

这就是弦理论大概的发展历史。

早期弦理论主要是玻色子弦理论,之所以叫这种名字,顾名思义,只能解决玻色子。

我们都知道弦论中,基本假设就是所有的基本粒子都是弦的振动产生的。基本粒子之间的区别是因为不同弦振动的模式和振动方向的不同。

因此,弦论必须可以解释为什么基本粒子会分成这两类。

不过早期弦论只能解决玻色子的生成问题,

它无法解决费米子的生成问题。

但是引入超对称之后,就可以完美的解释费米子生成问题,如果人们发现有些膜存在激发态,而且表现出来的粒子并不是弦振动产生的。所以,并不是所有粒子都可以通过弦振动产生。但是我们没有观察到这类粒子。

对于弦理论并被不想介绍这么多,只是为了下面的膜宇宙高维空间做铺垫。

弦论中,对于额外的高维空间也就是超过三维空间的,人们往往就是把它紧致化处理,大尺度上我们是看不见这些超过三维空间的维度,它只有在小尺度上才可以,而这个弦弦理论认为是plank度。类似于之前介绍的卡鲁扎一一克莱因五维理论。

弦理论认为,我们通常的宇宙是三维空间加上一维时间,而多余的六维或七维空间被紧致化在卡拉比一丘流形上(类似于我们之前举的一维的线和二维的水管的例子,在那个例子中,二维作为额外维被紧致化在一个有具有一定半径的圆柱上;而在弦论中,这里的圆柱体被卡拉比一丘流形充当)。

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之所以引入这么多高维空间,也仅仅是为了理论上的优美和自洽和满足一定的基本的物理定律和现象(就像之前说的,包括一些已知的零质量粒子,比如光子,要保证弦的激发产生的光子质量为零,同时要保正洛伦兹不变性)。

下面开始谈谈我们的主角,膜宇宙模型。

它的发展大部分是为了解释宇宙的加速膨胀,因为在1998年人们发现宇宙不仅是膨胀,而且是加速膨胀。

于是,弦理论被引入宇宙学中,很多模型引入高维空间来解释为什么宇宙会加速膨胀。不过这些额外维空间还是紧致化的,尺度太小,基本上都在普朗克尺度,不可能形成平行宇宙,基本上没有物质可以在上面。

当然还有一小部分提出是为了解决粒子物理中标准模型能级问题,比如为什么弱电统一能标跟大统一理论的能标跟plank统一能标相差那么大。

于是在1998年,尼玛·阿卡尼·哈米德,萨瓦斯·蒂莫泡罗斯,乔治·德瓦利提出了一种额外维理论用来解决这些问题。这种模型就被称为ADD模型(三人的首字母)。

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在这个模型中,额外维空间是可以调节的,而且不一定是prank尺度附近。额外维空间紧致的半径R大概等于10^(-17)10^(32/n),这里的n是你引入额外维的维度数目。

不过被证明n不能等于2,因为如果n=2,这个额外维空间的尺度大概有太阳系那么大,但是引力将不遵循平方反比,但是我们没有发现在太阳系那么大尺度上,引力不遵循平方反比。

而当n=1时,这个额外的尺度大概小于几毫米,但是几毫米是否遵循平方反比还不知道,这方面很难做,因为我们验证库仑力还是引力的平方反比依旧用的是扭秤。

当然这个n可以取其他值,不过当n越大的时候,额外维尺度越小,最大不超过太阳系的尺度。不过n值越大,额外维尺度越小,在这个小尺度上以内,引力不遵循平方反比将被被显现出来。

为什么引力会高度发散呢?这个理论认为,我们普通的物质包括电磁波都是开弦,被限制在3维膜上,所以这个开弦的端点都在这个膜上。只有类似于闭弦的引力子,才可以离开这个膜,不受这个膜的控制逃离至高维空间中。所以,引力才这么弱。

看到这里聪明的你一定想问,这个膜又是什么?弦理论中对应了什么?

还记得我们上面刚说的吗?这个开弦的端点都在这个膜上。是不是很熟悉?很像D膜?

因此,这里的膜包括后来提到的都是D膜,

关于引力子可以逃离我们所生活的膜或者是在高维空间中传播这个思想在1999年到2002年被美国理论物理学家丽莎·兰道尔还有桑壮等人引入他们自己的模型中。根据提出者的首字母缩写,这个模型被称为RS模型。

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他们也是为了解决标准模型能级问题,也包括超对称。

不过他们引入的额外维度只有一个。因此整个宇宙是五维时空,我们是生活在其中一张膜上的,这个膜是三加一形式的,而沿着这第五个维度方向有另一张膜,这个膜上有很多超对称破缺而产生的粒子。能在这两张膜之间通行的就只有引力子。

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当然这只是最简单版本,在有的RS模型中,这些在五维时空中的三维膜并不只有一个,也许是无穷多个。它们之间通过引力相互作用,而因为只有引力子才可以从膜上逃出,每一张三维膜有可能是一个世界,或者一个子宇宙也就是平行宇宙。

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如果想验证RS模型理论的正确性,我们就必须要证明额外维空间是否存在,

只要找到引力子逃离的证据就可以(这些粒

子突然在我们这个维度上消失)或者找到RS理论预言出的引力子。

虽然ADD模型可能成为平行宇宙,最低的引入一个维度,只有一个太阳系大小,而且被否决了,剩下的都是几厘米甚至几毫米。也许有物质产生,但估计不会产生什么智慧生命。

验证这个模型最好的方式就是在它引入的额外维的尺度上观察引力是否遵循平方反比。

在d=1这种情况下是不可能的,因为在太阳系这个尺度上引力是遵循平方反比的,但是对于毫米厘米级别的,目前还没有实验可以证明。有的文章表示可以针对原子和电子之间的引力来做文章。但是据我所知,目前没有人做这种实验。

总之,平行宇宙或者额外维或者高维空间,虽然看起来很奇幻荒诞,但是在物理上也有严格的定义。只不过物理上讲的跟一些自媒体文章视频中所讲到的有可能不一样,一些自媒体也可能根据这些概念自己发挥想象想象出来的,但是并不是物理上的。

比如一些高维空间生物可以决定或者影响低维度空间,我们只是高维空间的投影等等这些传言并不像一些自媒体营销号说的那样。

首先目前物理理论认为可以脱离我们这个维度空间的就只有引力子,任何物质包括电磁波都不可以脱离。

所以如果影响的话也只能通过微弱的引力去影响。

关于投影问题并没有像那些营销号说的那样,因为只有引力才可以脱离3d膜。

不过如果高维空间真的存在粒子的话,那么它的投影方式非常特别。我们将会发现一系列性质相似,但是质量或者其他东西呈等差数列的粒子。

你可以类比一下一个正方体,在二维平面不同角度和方向投影是不同的图形,但是它们都属于同一个正方体。

对于高维空间粒子也是这样,我们可以很容易写出五维甚至高维的粒子场的拉格朗日量,写出它的作用量。

我们把高维度积分积掉之后,会得到一系列的粒子场,它是在我们生活的四维时空中,但是它的质量等一些取值是按照等差数列排列的。

如果我们在我们生活的四维时空中发现这一类的例子,这就说明可能存在高维空间。

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