面向第五维
由于家境贫寒,我的父母担忧我将不能把自己的实验和教育继续下去。幸运的是,我为我的各种科学计划争取助学金的行动引起了原子科学家泰勒(EdwardTeller)的注意。他的妻子慷慨地安排我接受四年的奖学金去哈佛大学学习,允许我在那里实现自己的梦想。
具有讽刺意味的是,尽管我在哈佛开始了自己在理论物理方面的正规教育,但也正是在这里我对更高维数的兴趣消失殆尽。像别的物理工作者一样,我开始严格而又全面地学习与每一种自然力所对应的高等数学,这些自然力彼此之间是完全孤立的。我仍然记得给我的电动力学老师解题,然后我又问他如果空间在更高的维数中弯曲,那么答案可能会是怎样。他以一种奇异的方式看着我,好像我有点疯狂似的。像比我先来的人一样,我不久就学会把孩提时代关于更高维数空间的念头搁置一边。我被告知:超维空间不是一个合适的严肃研究课题。
我从来就不满足于对物理学的这种支离破碎的处理,思绪常要飘回到茶园中鲤鱼的身上。虽然我们常用的电磁场方程在19世纪就被麦克斯韦发现,他的这一工作十分完美,但方程好像相当随意。我觉得物理学家们(像鲤鱼那样)发明的这些“力”,实际上掩盖了我们对物体怎样能够不彼此接触而运动这一问题的无知。
通过学习,我知道19世纪有一场大争论,就是光怎样在真空中传播。(事实上,从恒星上发出的光可以通过外部空无一物的空间毫不费力地传播好几万亿千米。)实验也毫无疑问证明了光是一种波。但是,如果光是波的话,那就需要一些使它发生“波动”的媒质。声波需要空气,水波需要水,而在真空中却没有可以使光波动的东西,人们对此深感疑惑。没有使光波动的媒质,它怎能成为波呢?于是,物理学家们就捏造出一种所谓的以太物质,这种物质作为光的媒质而充满整个真空的空间。然而,实验却无可辩驳证明了“以太”并不存在。令人惊奇的是,直到如今,物理学家对这一难题仍然没有作出真正的回答,但数十年来,我们却对这样的思想习以为常:即使没有什么媒质,光照样可以在真空中传播。──作者注。
后来,当我成为加利福尼亚大学伯克利分校的物理学研究生后,我非常意外地发现有一个变通的办法,尽管这个办法会引起人们的争论,但是它可以解释光怎么能在真空中传播。这个变通的理论十分古怪,因此当我偶然间发现它之后十分震惊。这种震惊与许多美国人乍闻肯尼迪(JohnKennedy)总统被枪杀的感觉颇为相似。他们能永远记住他们听到这一惊闻的那一刻正在干什么,正在和谁说话。当我们第一次偶然遇到卡鲁查-克莱因(Kaluza·Klein)理论时,我们这些物理学家也深感震惊。因为这一理论被认为是一种不成熟的推测,因而从不在研究生课程上讲述。于是,留给年轻物理工作者们的只是在有关读物中偶然地去发现它。
这个变通的理论给光作了一个最为简单的解释:它实际上是一种第五维(或如神秘主义者通常所说的那个第四维)上的振动。如果光能通过真空传播,那是因为真空本身在振动,因为“真空”实际上存在于四维的空间和一维的时间之中。加上第五维之后,引力和光就能以惊人简单的方式统一起来。回顾我童年时代在茶园的体验,我突然意识到这就是我梦寐以求的数学理论。
然而,老的卡鲁查-克莱因理论有许多困难和技术问题,这就使得它半个多世纪来一直被束之高阁。可是,过去10年中这一切都发生了变化。这一理论的更高层次的翻版,如超引力理论,特别是超弦理论,已经最终消除了该理论的不自洽性。突然之间,更高维数的理论正在世界各地的实验室中被竞相检验。世界上许多头面物理学家现在相信,在普通的四维时空之外存在有更高的维数。这一思想事实上已经成为科学研究的热点。的确,许多理论物理学家现在认为更高的维数是导致某种无所不包理论的关键步骤,这个理论──超维空间理论──将把许多自然规律统一起来。
如果这被证明是正确的,那么未来的科学史家们可能会很好地记下:20世纪科学一大观念性革命就是懂得了超维空间可能是解开自然和宇宙奥秘的关键。
这种富于启发性的概念导致这方面的科学研究纷至沓来:世界各国主要研究所的理论物理学家们写出了好几千篇探索超维空间性质的学术论文。《核物理》和《物理快报》这两种重要的科学杂志中登载着大量这方面理论分析的文章。已经举办了两百多次国际物理学会议来探索高维数的重要性。
不幸的是,在验证我们的宇宙存在于更高的维数中方面,实验与理论还相差甚远。然而,这个理论现在已经作为现代理论物理学一个合法分支而牢固地确立起来。例如,爱因斯坦度过他生命最后时光的普林斯顿高等研究院(我在那里写成了本书)现在是一个研究高维时空的活跃的中心。
1979年诺贝尔物理学奖得主温伯格(StevenWeinberg)最近在评述理论物理似乎变得越来越像科幻小说时,对这一观念革命作了总结。
我们何以不能看见高维?
这种革命性的思想初看起来似乎很奇怪,因为我们理所当然地认为我们天天生活在三维世界之中。已故物理学家帕格尔斯(HeinzPagels)曾说过:“我们物理世界的一个特点如此显而易见,以至于大多数人从未怀疑过空间是三维的这一事实。”几乎是出于本能,我们知道任何一个物体可以用它的长、宽、高来描述。通过给出三个数字,我们就可以在空间确定一个位置。如果我们想在纽约请某人吃饭,我们就说:“在第42街和第1大道拐角处那座大楼的24层楼见面。”头两个数字给我们确定的是街的拐角处,第三个数字则描述离地面的高度。
飞行员也可用三个数字来确定他们的精确位置,这三个数字是他们的高度和在坐标网格或地图上确定其位置的两个坐标。事实上,通过精确测定这三个数字,就可以把世界上从我们的鼻子尖到可见宇宙中的每一点都准确地定出位置。甚至婴儿也懂得这一点。婴儿实验已经证明,他们将爬到峭壁的边缘,看看边缘的对面,然后就又爬了回来。另外,他们也本能地懂得“左”“右”“向前”“向后”“向上”“向下”。这样直观的三维概念从童年开始就牢固扎根于我们的脑海之中。