科學家：引力正在向高維空間泄漏

因為只有引力才能感知它們的存在。

現代物理學中最大的謎團之一是所謂的“層級問題（hierarchy problem）”。這個問題主要涉及為什么引力這么弱，以及不同基本作用力之間，尤其是引力和其他基本作用力之間的強度差異為何如此巨大（引力只有其他作用力的幾十億分之一）。

這個謎團至今無解。但有物理學家認為，謎底可能與引力擁有一些其他基本作用力沒有的特性有關。比如它可以向高維空間滲透。

有科學家認為，引力之所以那么弱，是因為其他所有基本作用力都被限制在四維時空中，而引力卻可以擴散到額外的維度。這導致引力的強度被極大地稀釋，以至于在日常的四維時空里，我們體驗到的引力極其微弱。

額外維度的概念是1919年德國數學家和物理學家西奧多·卡魯扎（Theodor Kaluza）首次提出的。他認為，宇宙中除了四維時空，還存在著更多的維度。這些額外維度若是存在，可以解開物理學中某些懸而未決的謎。

盡管目前還沒有任何證據表明存在額外的維度，但這種引人入勝的可能性卻一直被津津樂道。

額外的維度究竟在哪里？我們能感受到的只有四維時空。唯一可能的解釋是，這些額外的維度在極小的尺度上蜷曲了起來。雖然無法感知，但我們的每一個細小動作，都會沿著蜷曲的維度運動數萬億次。

弦理論學家一直利用額外的維度來支撐他們的觀點。但是解釋引力之所以那么弱，卻并不需要涉及那么復雜的理論框架。

引力若真是因為在泄漏而表現得這么弱，額外維度的尺度必須在十分之一毫米左右。這一尺度堪稱巨大。但即便如此，我們卻仍未能察覺這些維度。唯一可能的原因是，只有引力才能感知它們的存在。

但我們并不需要進入這些維度就能窺探它們。想像將一張紙卷成極細的圓筒，然后讓無質量的粒子——比如光子沿著筒壁運動，那么這個粒子不但會向前行進，還會沿著筒壁作圓周運動。

假如我們從足夠遠的地方觀測這根管子，我們就無法看到卷起來的那個維度。我們只會看到光子沿著管子作縱向運動。

然而光子畢竟也在卷曲的維度上運動，因此總體上它的運動速度會比單純直線前進慢。只要運動速度低于光速，粒子就一定擁有質量，所以進入額外維度的粒子，即便是無質量的光子也會擁有質量。

理論學家懷疑引力是由無質量的所謂引力子傳遞的。引力子的傳播速度在正常情況下等于光速。但是假如它們進入了額外維度，就會擁有質量。在量子力學里，我們會發現實際上存在無限多種不同質量的引力子。

所以要發現額外的維度，首先要能通過高能粒子對撞實驗，發現擁有質量的引力子。

然而時至今日，人們一直沒能發現引力子，當然更未能發現任何額外的維度。

這一結果也迫使物理學家對理論進行修改。比如為了符合觀測結果，額外維度被設定為極其微小。

但這樣我們就又解釋不了引力為何如此微弱了。

不過按照物理學家麗莎·蘭德爾（Lisa Randall）和拉曼·桑德拉姆（Raman Sundrum）的觀點，額外的維度可以擁有曲率，而非傳統認知中的平直狀態。這樣它們就能夠維持足夠大的尺度，為引力的微弱提供解釋，與此同時也給我們理解粒子對撞機為何至今未能發現引力子留出了余地。

參考

Does the universe have extra dimensions hiding in plain sight?

https://www.space.com/astronomy/does-the-universe-have-extra-dimensions-hiding-in-plain-sight