诺奖得主和哈佛物理学教授亲自讲述：时空，虫洞，高维度和暗物质

前几天，我参加了一个科学大会。当然，对于物理科普作者的我来说，听诺奖得主基普·索恩讲引力波是我最尤为关注的议题。奋斗在探索宇宙奥秘第一线的科学家将给我们提供怎样的新视角来审视这个宇宙呢？这篇文章将为你完美呈现。

我们知道，爱因斯坦的广义相对论早在百余年前的1915年就完成了。广义相对论预言的时空弯曲也在4年后的1919年被日全食首次证实。广义相对论还有许多预言在爱因斯坦活着的时候未被证实，比如引力波以及基于广义相对论下的黑洞预言和虫洞等。

或许是机缘巧合也或许是天意，人类首次发现引力波是在2015年，正好是广义相对论提出的100周年。爱因斯坦在1955年去世后，其引力波的探寻任务完全就交到后人手中了。可引力波的探寻需要极其机密的仪器，在地球上的人要想察觉到来自数亿光年外的引力波信号就相当在1公里的范围内记录比原子半径还小1万倍的空间变化。很幸运，在激光干涉引力波天文台（LIGO）的精密仪器帮助下，人类还是捕捉到了这微不足道的引力波信号。搜寻引力波信号的团队也因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖，基普·索恩就是其中一员。

基普索恩

人类有了引力波就开启了探索宇宙的新大门，原先人类探索宇宙最直接的手段无非就是依赖电磁波和引力数据，这就极大的限制了人类对黑洞的认识。有了引力波之后，人类就多了一个探索宇宙的工具，比如通过引力波可以精确的测量黑洞的质量，旋转等信息。

基普·索恩可以看作是爱因斯坦的传承人之一，相对论留下的宝贵遗产可有后人们挖掘的喽。基普·索恩充当了爱因斯坦的衣钵，自然也担任起了研究相对论的一员。虫洞的概念最早是爱因斯坦和纳森罗森提出的，其穿越时空的性质极具科幻色彩，也常被影视作品拿来渲染。而爱因斯坦本人并不太愿意相信虫洞是自然形式的存在，毕竟作为实证主义者的爱因斯坦总觉得虫洞这玩意太不可思议了。即便爱因斯坦本人对虫洞并不感冒，但后人却总是乐此不疲，当然这样包括吉普·索恩。

在他的演讲中，我可以明确地感受到这位大物理学家对虫洞的执迷。他解释到，虫洞是可以真实存在于宇宙中的。但自然形式下的虫洞却极不稳定，很容易消失。这也是我们目前为止不能发现虫洞的原因之一。但他话锋一转：或许在更高的宇宙文明中，虫洞早已被当作普遍的交通工具而应用着。

在我们现在看来，银河系与邻近的仙女座星系在同一个空间中。倘若把宇宙当作是一张二维的纸，银河系和仙女座星系以及千千万万的星系都在这张“纸”上，我们完全有理由相信这张“纸”是可以弯曲的，因为现在有证据指向如此。如果把这张“纸”对折一下，你会发现人类去往距离200万光年外的仙女座星系未必只有经过纸面上的路线而到达目的地。我们可以拒绝这种南辕北辙的路线，取而代之的是在木星周围建立一个虫洞，虫洞可以直接跨越“纸”面，从更高的维度通向仙女座星系。这或许只需十几分钟就可以到达数百万光年外的仙女座星系。

而虫洞的开口需要人为制造，这需要更高级的特殊材料，比如负能量。我们正在不遗余力的朝向虫洞现实化的方向发展。

在另一个科学家的演讲中我了解到更多额外维度和暗物质的前沿信息。这位年轻的美女物理学家是丽萨·蓝道尔（Lisa Randall ），是哈佛大学的终身物理学教授，更是粒子物理学和宇宙学的权威专家。

丽萨·蓝道尔首先介绍了科幻作品中最受青睐的第五维度。在许多人眼中，我们就生活在三维空间外加第四维时间的四维时空中，对于额外维度的认识往往很空乏，这或许是人类大脑想象力的不足导致的。一般人理解第四维度都很成问题，更何况是更高维度。

Lisa Randall

在这位美女科学家的演讲中，他一直呼吁人们不要借助图像理解高维度空间，这只会把人带到误区中，因为更高维度的构造或许完全不是三维空间内的规律可以类比演绎出来的。无数个点可以堆积成一条直线，这是一维空间；无数条线可以组成一个面，这是二维空间；无数个面可以叠加成立体，这是三维空间，而时间常常单独作为第四维空间存在，这就是三维空间的类比演绎方式。或许更高维度并不如同三维空间的那种演绎方式。就如同汉字中的“一、二、三、四…”，一是一条横杠，二是两条横杠，三是三条横杠。但是四却不是四条横杠.....

对额外维度的认识最好借助数学和公式加以辅助理解，不要总是在二维平面作画企图直观地理解更高维度，这是行不通的。

我们理解三维的东西并不能一次性观察到，必须得多次进行。你不可能一次就看到一个人的正脸，侧面和后背，这就需要我们多次观察。额外维度也具有这样的性质，我们需要多次观察再整合起来才足以认识更高维度的事物。我的四维时空或许是更高维度的全息投影。就相当二维的影子是三维物体的投影。我们很难从一个人的影子来理解这个人的三维外形。同样的道理，我们也很难理解更高维度的事物。

丽萨·蓝道尔还强调，高维度没有理由不存在，毕竟爱因斯坦的方程在任何数量的维度下都是适用的。高维度的世界类似于膜，当然膜是弦理论的基础。

丽萨·蓝道尔一直强调自己讲的未必是对的，毕竟这是最前沿的理论。

高维度膜可以解释引力的特殊性

我们都知道自然界存在四大相互作用力，按照作用强度的大小依次排序为强相互作用，电磁相互作用，弱相互作用以及引力。

我们知道，电磁力和引力是宏观世界最普遍的力，但引力却远比电磁力弱。或许你会说弱就弱呗，不足为奇。但科学家结合粒子物理学和场理论会发现情况有点蹊跷。电磁力的传播子有光子，引力作用很有可能是引力子导致（暂未发现），电磁力有电磁场，引力有引力场。为什么电磁力和引力都是通过场作用力，其或许都有传播子（光子和引力子），那为什么引力强度远比电磁力弱，甚至在数量级上远远低于其他三种作用力呢？

丽萨·蓝道尔说，目前高维度的膜可以解释这一问题。她进一步阐释到，我们的宇宙或许由两种膜构成的，一种是弱膜，一种是引力膜。引力膜和弱膜是以某种方式连接起来的，我们生活在弱膜中，而引力主要集中在引力膜中。倘若把我们全部移居到引力膜中生活，那么日常生活中的引力强度就会指数级上涨。正是由于我们生活在弱膜中，引力才显得不像电磁力那么强大。

高维度的膜势必存在着该膜的运动粒子，我们管它们叫克鲁扎-克莱因粒子（k-k粒子）。幸运的是欧洲的大型粒子对撞机正在寻找这种粒子，如果K-K粒子存在的证据确凿，那也就意味着高维度膜是存在的。我们就足以有信心用引力膜理论解释我们所处的宇宙中引力之弱的问题。

丽萨·蓝道尔也向公众讲述了有关验证暗物质存在的最新证据

通常我们认为暗物质的存在是由于星系旋转的向心力不足以维持星系的圆盘形状。如果没有外力作用，星系早已分崩离析。暗物质正是这种外力产生的源泉，它们不会发出电磁波。但它们一定会参与引力作用，比如维持星系的正常运转，支撑宇宙的加速膨胀。如果没有暗物质，按照现有的理论，许多宇宙现象无法解释。所以我们必须假定这一种物质的存在。

暗物质不参与电磁辐射，也就是不会发出可见光和其他形式的电磁波。幸亏它参与了引力，我们才能依靠引力现象间接了解它。

最近几年来，子弹星系团为我们提供了暗物质存在的最新证据

两个高速碰撞的星系组成了子弹星系团，这也必然会导致其中的气体分子炙热起来，高温的气体分子会辐射出x射线，比如红色的部分。但是蓝色的部分并不辐射太多的x射线，这就证明蓝色部分并没有太多的天体。但是蓝色部分却有超乎寻常的引力透镜效应，也就是说经过蓝色区域的光线会由于引力的作用而变得明显弯曲（引力透镜）。

子弹星系团

既然蓝色部分并没有太多的天体，为什么会表现出如此显著的引力透镜呢？唯一的答案：蓝色区域充斥着大量的暗物质，是它们的引力作用才导致了光线的异常弯曲。

我们现在比较确信的说：明物质只占整个宇宙中的5%，暗物质占了大约26%，其余则是暗能量。

暗物质的存在也可以解释：地球的五次生物大灭绝为什么是有周期性的

我们知道五次生物大灭绝的平均周期大约是6200万年。而最近一次生物大灭绝是发生在6500万年前的白垩纪末期，并直接导致恐龙的灭绝。

我们知道太阳系围绕银河系中心公转一周的时间大约是2.2亿年，而银河系星盘中不同区域的暗物质分布并不一致，有的区域可能稠密，而有的区域可能稀疏。当太阳系公转到暗物质稠密的地方时，会受到暗物质的额外引力作用。

比如，地球上会产生更强的潮汐力，继而在生物圈中引发多米诺骨牌效应，导致生物大灭绝。

而我们知道太阳系中有小行星带以及蕴藏着无数个彗星的奥特云。有的小行星和彗星的运动轨迹并不固定，甚至受到“风吹草动”般的引力干扰就会脱离原有轨道而乱飞。

也许6500万年前的那颗撞击地球的小行星就是由于太阳系公转到暗物质密度大的区域时引发的小行星引力波动，最终导致其脱离太阳的引力束缚而撞向地球。

正如丽萨·蓝道尔自己说的那样，她讲的这些未必都是对的，但却提供给人类一种新的理论理解宇宙和我们的世界。

已知圈越大，未知圈就越大，这正是一个科学家应具备的谦卑态度。