宇宙是否存在隱藏維度？第二篇：等級問題

這是關于大額外維度系列文章的第二部分。

哦，是的，它們完全可以，這就是為什么我要專門圍繞這個話題寫一個系列。大額外維度可能解決的問題被稱為"等級問題"，它是現代物理學中最棘手的突出問題之一。

事情是這樣的。自然界有四種基本力。其中三種——電磁力、強核力和弱核力——強度大致相同。其實并非如此，它們實際上彼此之間相差許多個數量級。但算得上接近吧。然后還有引力。引力是如此之弱，以至于就算給它加上數十億、甚至數萬億倍的強度，它仍然會是這些力中最弱的。

換一種說法。我們在20世紀中期發現，在高能量下，我們可以將其中一些力合并在一起，從而認識到這些自然力彼此之間是多么的不協調。

大約在246 GeV的能量下，電磁力和弱核力會合并為單一的力，恰當地稱之為"弱電力"。這就是讓這兩種力統一所需達到的能量。然而，如果你想讓引力也加入這個派對，那么你需要一直提升到普朗克能量，它比弱電力要強一萬億倍。

是的，還有強力和大統一理論（GUT）的統一能標，它并不比普朗克能標小多少，但我們目前不討論那個。我們真正、真正感興趣的是弱力和引力之間的差異，因為我們知道是什么導致了電磁力和弱力的分離，那就是希格斯玻色子。我們不知道強核力是如何或為何分離出去的，所以我們將把它留作子孫后代的家庭作業。

所有這些都是一種迂回的方式，重申引力比它應有的強度弱得多。好吧，很好，那么大額外維度如何解決這個問題呢？

嗯，如果引力實際上并沒有那么弱呢？或者換句話說，如果普朗克尺度的統一能量實際上沒有那么高呢？如果它們只是在我們看來、從我們的視角顯得那樣呢？

如果宇宙不僅僅是我們看到的宇宙呢？如果我們所謂的宇宙——包括它的恒星、星系以及所有那些紛繁事物，以及支配和引導所有這些事物的自然力——只存在于我們通常的三個空間維度中呢？但是，如果存在另一個維度呢？嗯，通常我們不會注意到，因為宇宙的所有"東西"都被限制在正常的三個維度里。就像想象我們是地板上的螞蟻。我們在兩個維度中擁有所需的一切：氣味軌跡、掉落的食物碎屑、可以稱之為家的蟻群。我們所有的物質存在都包含在兩個維度內，我們無法感知第三個維度，甚至沒有方法觸及它。

但也許引力是不同的。也許引力可以"溢出"到第四維度。也許由于某種特殊原因，引力得以遍布宇宙的所有維度，而其他所有事物都被限制在"地板"上。

這是個瘋狂的想法，而在物理學中，我們就是愛瘋狂的想法。但我們總是會認真對待它們。這個想法可以解釋為什么引力如此之弱。它在所有額外維度中被稀釋了，所以只有一部分伸展到我們正常的三個維度中（抱歉，時間維度，在這個故事里你不會是主角）。就像用來蘸面包的橄欖油不夠多一樣，我們感受到的引力強度就有點干巴巴、硬邦邦的。大部分的引力都被浪費掉，涌入了隱藏的、無法觸及的維度。

另一種說法是，也許普朗克能量標度比看起來要"正常"得多。但這只是在整個宇宙的完整尺度上——包括它所有多維度的榮耀。而對我們來說，因為我們只能看到和體驗到完整宇宙的一個薄薄的橫截面，所以普朗克標度才顯得如此之大。

為什么是引力，而不是其他力？嗯，首先，這是讓這個想法成立的唯一方式，因為如果其他力也能體驗到額外維度，那我們早就該看到了。但引力是特殊的。我們知道引力是時空對物質和能量存在的響應（謝謝阿爾伯特！），所以也許它擁有一些超能力，使其區別于其他自然力。

我們到底在談論多少個維度？卡魯扎和克萊因通過引入一個額外維度奠定了基礎，然后弦理論學家們引入了更多維度，玩得很開心。所以，也許只有一個額外維度。或者也許有一打。我不知道，我們會想辦法去驗證它。

那么，這些所謂的"大"額外維度到底有多大？它們不可能大到我們已經能在實驗中看到它們。所以它們必須至少小到足以逃避探測。為了讓維度的大小處于下一代粒子對撞機的探測范圍內，它們的尺度必須在十分之一毫米左右。

十分之一毫米！這并不比你頭上的頭發細多少！是的，這很小，但這遠比普朗克尺度大得多。我們之所以沒有注意到這個緊湊、卷曲的維度以毫米尺度存在于宇宙各處，唯一的理由是只有引力能體驗到它。

但我們將認真對待這個瘋狂的想法。我們已經看到了它如何能解決一個問題。我們已經看到了它如何與我們世界觀的其余部分聯系起來。現在我們需要想辦法去驗證它。

未完待續...

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