第一部分 進入第五維空間

1 超越時空的世界

我想知道上帝如何創(chuàng)造這個世界，我對這種或那種現(xiàn)象不感興趣。我想知道“他”的思想，其他都是細節(jié)。

——阿爾伯特·愛因斯坦

一個物理學家的教育

童年時的兩次偶然事件極大地豐富了我對世界的理解，并引領我走上成為理論物理學家的道路。

我記得父母有時會帶我參觀三藩市著名的日本茶園。我當初最幸福的記憶是，蹲在池塘邊沉迷于荷花下緩慢游動的鮮艷的鯉魚。

在這些安靜的時刻，我自由地讓我的想象漫游。我會問自己傻傻的只有孩子才會問的問題，如池塘的鯉魚會如何看它周圍的世界。我想，它們的世界一定奇妙無比！

鯉魚一生都生活在這淺水池塘中，它們相信它們的“宇宙”是由渾水和荷花構(gòu)成的。它們絕大部分時間在池塘的底部覓食，它們會模糊地意識到，在水面之上可能存在一個陌生的世界。我們所處世界的性質(zhì)超出了它們的理解范圍。有趣的是，我坐的地方距鯉魚僅有英寸遠的距離，但我與它們卻似乎相距甚遠。鯉魚和我生活在兩個不同的宇宙，但我們并不會侵犯到彼此的世界，兩個不同的宇宙僅被水的表面這個最薄的屏障分開。

我曾經(jīng)想象過，可能鯉魚中也有鯉魚“科學家”。我想，它們會嘲笑提出在荷花之上存在一個平行世界的任何一條魚。對一位鯉魚“科學家”來說，唯一真實的東西是魚能夠看到或觸摸到的東西。這個池塘就是一切。超出這個池塘的看不見的世界是沒有科學意義的。

有一次下暴雨，成千上萬的小雨滴落到池塘的水面上。池塘水面被雨水擾亂了，荷花被水波推得四面搖晃。我躲避著風雨，心里想著，這一切對鯉魚來說會是什么樣子。對它們來說，荷花似乎是自己在移動，沒有任何東西推它。因為它們生活在水中（如同我們周圍的空氣和空間），而看不見水外的世界。它們會為荷花可以自己晃動而感到困惑。

我曾想，它們的“科學家”也許會編造一個巧妙的叫做“力”的發(fā)明來掩飾它們的無知。它們無法理解在看不見的水的表面存在波，它們會得出這樣的結(jié)論——荷花之所以能在不被觸摸的狀況下運動，是因為存在一種看不見的神秘的力作用在它的身上。它們可能會給這個幻覺一個令人印象深刻的，崇高的名稱（如超距作用，或荷花有不受接觸就能移動的能力）。

我繼續(xù)假想，如果我將手伸到水里，從池塘里撈出一條鯉魚“科學家”會發(fā)生什么？在將它放回水里之前，在我檢查它時它會劇烈地扭動。我想，其他鯉魚會如何看待此事。對它們來說，這將是一個真正令其不安的事件。它們首先會注意到它們的一位“科學家”從它們的宇宙消失了，且沒有留下任何痕跡。它們在自己的世界中四處尋找，卻了無音訊。然后，幾秒鐘后，我將它放回到池塘中，“科學家”又突然從它們的世界中冒了出來。對其他鯉魚來說，這真是一個奇跡。

這個鯉魚“科學家”驚魂稍定，給鯉魚們講述了一個令人吃驚的故事。它說，“沒有任何預告，不知怎么我就被舉出了宇宙（池塘），被拋到一個神秘的虛空世界，看見了從未見過的炫目的燈和奇形怪狀的物體。最奇怪的是抓住我的那個動物一點也不像魚。我震驚地發(fā)現(xiàn)它沒有鰭，更神奇的是，它沒有鰭也能運動。我吃驚地發(fā)現(xiàn)我們熟悉的自然規(guī)律在這個幽冥世界不再適用。然后，我突然發(fā)現(xiàn)自己又被扔回到我們的宇宙中?！保ó斎唬@個超越宇宙之旅是荒誕的，大多數(shù)的鯉魚會將這個“科學家”的言論當作胡話。）

我常想，我們與那些心滿意足地生活在池塘中的鯉魚也許沒什么區(qū)別。我們生活在自己的“池塘”中，相信我們的宇宙只有那些我們可以看到或觸摸到的東西。像鯉魚一樣，我們的宇宙僅由熟悉的和人類可見的事物組成。我們自以為是地拒絕承認在我們生活的宇宙周圍存在我們尚不能掌握和認知的平行宇宙或多維空間。我們的科學家發(fā)明了像力這樣的概念，也許只是因為他們無法想象我們周圍的空虛空間的無形的振動。一些科學家甚至嘲笑高維世界的說法，是因為他們不能在實驗室中便利地驗證它。

從那時起，我就一直對存在高維世界的可能感到癡迷。像大多數(shù)孩子一樣，我如饑似渴地閱讀這一類型的冒險故事。這些故事中的時間旅行者進入其他維度探索不可見的、常規(guī)物理定律不再適用的平行宇宙。我越來越想知道，那些漫游于百慕大三角的船只是否神秘地消失在太空的一個洞中；我驚嘆于艾薩克·阿西莫夫的“基地”系列科幻小說，書中對超空間旅行的發(fā)現(xiàn)導致了一個銀河帝國的崛起。

我童年的第二個事件也深深地、持久地影響著我。當我8歲時，我聽到一個故事，此后，這個故事一直留在了我的腦海。我記得我的老師給我們講述了一個已故的偉大科學家的故事。老師對他非常崇敬，稱他為歷史上最偉大的科學家之一。老師說很少有人能理解他的想法，但他的發(fā)現(xiàn)改變了整個世界和我們周圍的一切。我當時并不清楚老師希望通過這個故事給我們傳達什么，但我對這個故事中的科學家產(chǎn)生了極大興趣。他在去世前也未能完成自己的偉大發(fā)現(xiàn)。老師說這個科學家花費了若干年的時間在這個理論研究上，直到他去世時，他的桌子上仍放著未完成的文章。我對此產(chǎn)生了極大的好奇。

我被這個故事迷住了。在孩子的眼中，這是一個偉大的秘密——他的未完成的工作是什么？在他書桌上的這篇文章寫的是什么？什么問題如此困難以至這樣偉大的科學家用畢生的精力追求？我小心翼翼地決定學習有關阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的一切以及他那未完成的理論。我記得，我花了很多的時間安靜地閱讀我能找到的關于這個偉人和他的理論的每一本書。當我讀完我們當?shù)貓D書館中所有與他有關的書籍后，我開始搜尋整個城市的圖書館和書店，急切地希望尋找更多的與他相關的線索。我很快了解到，這個故事遠比精彩的謀殺案的秘密更刺激，甚至比我們能想象到的任何事情都重要。我決定要對這一秘密刨根問底，即便是為此必須成為一名理論物理學家也在所不辭。

我很快得知，愛因斯坦桌上未完成的文章就是他試圖構(gòu)造的所謂的統(tǒng)一場論。這是一個可以解釋一切自然規(guī)律的理論，從最小的原子到浩瀚的星系。然而，作為一個孩子，我不能理解暢游在茶園池塘里的鯉魚與愛因斯坦桌上未完成的文章也許存在的關聯(lián)。我更不可能理解只有高維空間才是解決統(tǒng)一場論的關鍵。

后來，在高中階段，我讀遍了本地大部分圖書館中這方面的書籍，并常常造訪斯坦福大學的物理圖書館。在那里，我偶然發(fā)現(xiàn)了一個事實，愛因斯坦的工作使一種新的被稱為反物質(zhì)的物質(zhì)具有存在的可能性。反物質(zhì)的作用與普通物質(zhì)相似，反物質(zhì)與物質(zhì)相接觸，自身就會消失并產(chǎn)生能量爆發(fā)。我知道當時的科學家已建造了大型機器（或稱為“原子加速器”），這種機器能在實驗室中產(chǎn)生微量的這種奇特物質(zhì)——反物質(zhì)。

年輕的優(yōu)點是對世俗的約束無所畏懼，而這些約束通常對大多數(shù)成年人來說是不可逾越的。我開始建立自己的原子加速器，卻絲毫沒有考慮其間可能會經(jīng)歷的困難和障礙。我不停地研究科學文獻，直到相信自己擁有建立一個電子感應加速器的能力。這種加速器可以將電子激發(fā)到數(shù)百萬電子伏特（100萬電子伏特是指電子被100萬伏電場加速所獲得的能量）。

首先，我購買了少量的鈉22，它是一種能自然地放射正電子（電子的反物質(zhì)對應）的放射性物質(zhì)。然后，我建造了一個云室，使亞原子粒子留下的軌跡可見。我拍攝了成百上千張反物質(zhì)留下的痕跡的精美照片。接下來，我在周圍地區(qū)清理了一個大型電子倉庫以組裝必要的硬件，包括幾百磅廢舊變壓器鋼。在我的車庫，我將組裝230萬伏的電子感應加速器，它強大到足以產(chǎn)生反電子束。為建造電子感應加速器所需的強大磁力，我說服了我的父母，讓他們幫助我在我讀高中的那個學校的足球場中纏繞了22英里（35公里）長的銅線。我將整個圣誕假日都花費在了這條50碼（46米）長的線路上，以便纏繞和安裝笨重而巨大的線圈，這種線圈可以使高能電子的運動路徑發(fā)生彎曲。

最后建成的300磅（136公斤）重，6000瓦的電子感應加速器耗盡了我的房子所有的每一盎司能量。當我打開它時，通常會燒斷每根保險絲，房子變得漆黑一團。隨著房子周期性地陷入黑暗，我的母親常常搖頭（我想，她可能困惑于她的孩子為何不去打棒球或籃球，而一定要在車庫里建造這些巨大的電氣設備？）。我慶幸的是，這臺機器成功地產(chǎn)生了比地球磁場強20000倍的為加速電子束所需的磁場。

直面第五維度

由于家境并不寬裕，我的父母擔心我不能繼續(xù)我的試驗和我的教育。幸運的是，我贏得的各種科學項目的獎勵引起了原子科學家愛德華·泰勒（Edward Teller）的注意。他的妻子慷慨地為我作了安排，讓我收到了一份為期4年的哈佛大學的獎學金，允許我在那里可以實現(xiàn)自己的夢想。

具有諷刺意味的是，盡管在哈佛我開始了自己在理論物理學方面的正規(guī)教育，但也正是在這里，我對高維度的興趣逐漸熄滅。像其他物理學家一樣，我開始嚴格而徹底地分別學習自然界中每一種力所對應的高等數(shù)學的表達形式。這些自然力彼此之間是完全孤立的。我記得，曾經(jīng)為我的導師解電動力學的一個問題，然后我問他，如果空間在高維中是彎曲的，這個問題的解將會是什么。他用一種奇怪的眼光看著我，好像我是個精神失常的瘋子。像比我先來的人一樣，我很快學會了放下孩提時關于高維空間的幼稚觀念。我被告知，超空間理論不是嚴肅學習的合適對象。

我對這種脫節(jié)的研究物理的方法感到不滿，我的思緒常常會飄回到生活在茶園池塘里的鯉魚身上。雖然我們常用的電學和磁學的方程式在19世紀就被麥克斯韋發(fā)現(xiàn)且一直被完美地應用，但這些方程式似乎也是武斷的。我認為物理學家像鯉魚一樣發(fā)明了這些“力”來掩蓋我們對物體互不接觸而能移動的無知。

我在研究中了解到，19世紀有一場大爭論——光是如何在真空中傳播的（事實上，從恒星發(fā)出的光可以通過外部空無一物的空間毫不費力地傳播好幾萬億英里）。實驗也毫無疑問地證明了光是一種波。如果光是一種波，那就需要一些使它發(fā)生“波動”的介質(zhì)。聲波需要空氣，水波需要水，但真空中沒有東西可以使光波動。于是，我們設立了一個悖論。如果沒有使光波動的介質(zhì)，光如何成為波呢？所以，物理學家創(chuàng)造出了一種稱為以太的物質(zhì)，以填補真空中光的介質(zhì)。然而，實驗結(jié)果卻無可辯駁地證明了“以太”并不存在。（奇怪的是，直到今天，物理學家對這一難題仍沒有作出正確回答。但幾十年來，我們卻對這樣的思想習以為常：即使不存在介質(zhì)，光也能在真空中以波的形式傳播）

后來，我成為伯克利加州大學物理系研究生。我十分偶然地發(fā)現(xiàn)了一個替代理論。盡管這個理論存在爭議，但它能解釋光為何可以通過真空旅行。這一理論是如此古怪，當我偶然發(fā)現(xiàn)它時十分震驚。這種震驚與美國人乍聞肯尼迪總統(tǒng)被槍殺的感覺頗為相似。他們能永久記住聽到這個驚聞消息的那一刻，自己正在干什么，正在和誰說話。我們物理學家在第一次邂逅卡魯扎-克萊因理論時也受到了極大震動。因為這個理論被認為是一種瘋狂的推測，因而從不在研究生課程上講述。于是，年輕的物理學家只能在有關讀物中偶然地去發(fā)現(xiàn)它。

這個替代理論給光作了最簡單的解釋：它實際上是一個五維（或如神秘主義者通常所說的那個第四維度）的振動。如果光可以穿過真空，這是因為真空本身是振動的，因為“真空”實際存在于四個維度的空間和一個維度的時間之中。通過添加第五維度，引力和光就能以驚人的簡單的方式統(tǒng)一起來。回顧我童年的茶園經(jīng)歷，我突然意識到這正是我一直在尋找的數(shù)學理論。

然而，老的卡魯扎-克萊因理論存在許多困難的技術(shù)問題，這使它在面世半個世紀以來一直被束之高閣。但是，過去10年中所有這一切都發(fā)生了改變。基于這一基礎理論的更高級的翻版理論，如超引力理論，特別是超弦理論，已最終消除了該理論的不自洽性。突然間，高維理論的研究在全世界的研究實驗室中被檢驗并倡導?，F(xiàn)在世界上許多頂尖物理學家相信，在普通的思維時空之外，存在更高的維數(shù)。這個想法，實際上已成為了激烈的科學研究的焦點。事實上，許多理論物理學家現(xiàn)在認為，更高的維度可能是創(chuàng)造一個統(tǒng)一自然規(guī)律的全面理論——超空間理論——的決定性步驟。

如果超空間理論被證明是正確的，那么未來的科學史家可能會記錄下：在20世紀的科學中實現(xiàn)了一個偉大的概念革命，超空間理論可能是解開自然最深處的秘密與“創(chuàng)世”的鑰匙。

這個開創(chuàng)性的概念已引發(fā)了科學研究的雪崩：全世界的重要的實驗室寫下幾千篇文章致力于探索超空間的性質(zhì)。《核物理》和《物理快報》兩大領先科學雜志都發(fā)表了大量文章分析這個理論。200多個國際物理會議已資助探索高維空間的研究。

不幸的是，我們還遠遠不能用實驗驗證宇宙存在于更高維度。（需要什么才能證明該理論的正確性，以及可能的開發(fā)超空間能力的問題，將在本書后部分討論。）然而，這一理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論物理學的一個合法分支并牢固地確立起來。例如，愛因斯坦度過他生命最后幾十年的普林斯頓高等研究院（本書的寫作地），現(xiàn)在正是高維時空研究的活躍中心之一。

史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg），1979年獲得諾貝爾物理學獎。他最近總結(jié)這個概念革命時評論說，理論物理似乎越來越變得像科幻小說。

為什么我們不能看到更高的維度？

這些革命性的思想初看起來似乎很奇怪，因為我們理所當然地認為我們生活在三維世界之中。已故物理學家海因茨·帕格爾斯（Heinz Pagels）指出，“我們的物理世界的一個特征是如此之明顯，以至于大多數(shù)人從未懷疑過空間是三維的這一事實”。幾乎是出于本能，我們知道任何物體都可以通過給出它的高度、寬度和深度來描述。通過給出三個數(shù)字可以找到空間中的任何位置。如果我們想約某人在紐約吃午飯，我們說，“在四十二街和第一大道拐角處的大樓24層見?！鳖^兩個數(shù)字為我們提供了街道的角落，第三個數(shù)字則描述了約會地離地面的高度。

飛機上的飛行員也能用三個數(shù)字來確定他們的準確位置——高度和地圖上確定其位置的兩個坐標。事實上，指定這三個數(shù)字可以確定世界上的任何位置，從鼻尖到可見宇宙的末端。即使幼兒也明白這個道理：對幼兒的測試表明，他們?nèi)绻赖揭粋€懸崖的邊緣，會在邊緣處望一望，再爬回來。幼兒除了本能地理解“左”、“右”、“向前”、“向后”外，他也能本能地理解“上”、“下”。因此，直觀的三維概念從童年時代就扎根于我們的腦海。

愛因斯坦將這個概念作了擴展，將時間作為第四維度包括了進來。例如，為了與某人共進午餐，我們必須指定時間。比如，下午12:30在曼哈頓見面。即規(guī)定了一個事件，我們還需要描述它的第四個維度——事件發(fā)生的時間。

今天的科學家有興趣超越愛因斯坦的四個維度的概念。當前科學興趣集中在第五維度（在一維時間和三維空間之外的那個維度）和更高維度。（為了避免混亂，貫穿本書，我按照習俗稱第四維為超過長度、寬度和高度的空間維度。物理學家們實際上稱此為第五維度，但我遵循歷史先例。我們稱時間為第四時間維度。）

我們?nèi)绾慰匆姷谒膫€空間維度（即第五維度）？

問題是我們無法看見。高維空間是不能用人類的眼睛觀察到的。因此，即使嘗試也是徒勞。德國著名物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）將不能“看見”第四維與盲人無法構(gòu)想顏色的概念相比較。不管我們?nèi)绾翁咸喜唤^地向盲人描述“紅色”的特征，但任何語言都不能確切地將顏色含義告知盲人。即使是在超空間領域工作多年的有經(jīng)驗的數(shù)學家和理論物理學家也會承認他們無法將其可視化。相反，他們只能返回到數(shù)學方程的世界。盡管數(shù)學家、物理學家、計算機專家在解多維空間的方程時并沒有什么困難，但人類卻不可能想象可視化超出他們自己的宇宙。

充其量，我們可以使用上世紀末本世紀初數(shù)學家兼神秘主義者查爾斯·辛頓（Charles Hinton）設計的各種數(shù)學技巧，可視化高維物體的投影。其他數(shù)學家，如布朗大學的數(shù)學系主任托馬斯·班科夫（Thomas Banchoff）也寫出了一個計算機程序，他能將高維物體的投影投射到二維的計算機屏幕上，使我們能操縱它。就像古希臘哲學家柏拉圖說的那樣，如同洞穴居民抱怨只能看到洞外豐富生活的暗淡的灰色的陰影，班科夫的計算機也只允許我們看到高維物體的投影。（事實上，由于進化的原因，我們不可能可視化更高的維度。我們的大腦已經(jīng)進化為可以處理三維中的無數(shù)的緊急事件。我們可以通過及時地不停地思考對撲面而來的獅子或惡意進攻的大象作出反應。一個人如果能更好地可視化物體在三個維度中如何移動、旋轉(zhuǎn)和扭曲，相比于那些不能可視化這些運動的人就具有了明顯的生存優(yōu)勢。遺憾的是，從進化的角度，人類并無必要去掌握四維空間中的運動。能夠看到四維空間無助于人們抵御殺氣騰騰的劍齒虎。獅子和老虎不會通過第四維度襲擊我們。）

自然法則在更高維度上更簡單

彼得·弗羅因德（Peter Freund）是芝加哥大學著名的恩里科費米學院的一位理論物理學教授，他喜歡用有關高維宇宙的性質(zhì)來愉悅觀眾。弗羅因德是一位超空間理論的早期開拓者，那個時候主流物理學認為超空間是一種奇談怪論。多年來，弗羅因德和一小組科學家孤立地研究高維科學。但現(xiàn)在，它終于成為時尚的和合法的科學研究分支。使他高興的是，他發(fā)現(xiàn)他的早期努力終于得到了回報。

弗羅因德不是那種狹隘的、頑固的、凌亂的、傳統(tǒng)的科學家形象。相反，他彬彬有禮、善于表達、有教養(yǎng)，并具有狡猾的、頑皮的笑容。他常常將快速突破的科學發(fā)現(xiàn)以迷人的故事形式講述給普通聽眾。他能輕松自如地在黑板上書寫密密麻麻的雜亂的方程式或在雞尾酒會上輕松地開玩笑。他說話帶著濃郁的羅馬尼亞口音。弗羅因德有一種罕見的本領，他總能以一種生動的迷人的風格解釋最神秘的復雜的物理概念。

弗羅因德提醒我們，傳統(tǒng)上的科學家是以懷疑的態(tài)度看待高維的，因為它們不能被測量，也沒有任何特別的用途。然而，今天越來越多的科學家認識到，任何一種三維理論都“太小了”，三維理論無法描述支配我們宇宙的力。

正如弗羅因德強調(diào)的，在物理學過去10年間貫穿的一個主題是：自然法則在高維中變得越來越簡單，越來越優(yōu)雅，高維是它們的天然的家。光和引力的規(guī)律在高維時空中表達時找到了一個天然的表達式。統(tǒng)一自然規(guī)律的關鍵一步是增加時空的維數(shù)，增加到可以容納更多的力。在更高的維度我們有足夠的“空間”來統(tǒng)一所有已知的物理力。

弗羅因德在解釋為什么高維度激發(fā)了科學世界的想象時使用了以下比喻：“思考一下獵豹這個溜光的、美麗的在地球上跑得最快的動物，它自由漫步在非洲的大草原上。在它的自然棲息地，它是一個瑰麗的動物，幾乎是一件藝術(shù)品，它的奔跑速度和奔跑動作的優(yōu)雅簡直無與倫比。現(xiàn)在，”他繼續(xù)說道，

“想象一只被捕獲并被扔進動物園籠子里的悲慘的獵豹。它失去了原來的優(yōu)雅和美麗，被迫表演以取悅?cè)藗?。我們看到的是籠中獵豹的消沉的意志，而看不到它原有的威力和優(yōu)雅。我們可以將獵豹比作物理規(guī)律，它在自然環(huán)境中是美麗的。物理規(guī)律的自然棲息地是高維時空。然而，只有在它們支離破碎地擺放在籠子里時才能被測量，這個籠子就是我們的三維實驗室。我們只有在獵豹的優(yōu)雅和美麗被剝奪之后才能看到它?！?/p>

幾十年來，物理學家一直在思考為什么自然界的四種力看起來如此支離破碎，為什么“獵豹”在它的籠子里看起來如此可憐和消沉。弗羅因德說，這四種力看起來大不相同的根本原因是我們一直在觀察“籠中的獵豹”，我們的三維實驗室是物理定律的毫無生機的動物園的籠子。但是，當我們在它們的自然棲息地高維時空中制定定律時，我們才能看到它們真正的輝煌和力量。在那里，定律變得簡單而強大?，F(xiàn)在席卷物理的革命是認識到超空間也許是獵豹的天然家園。

為說明為何添加更高的維度可以使事情變得更簡單，試想古羅馬人是怎樣打那些重大戰(zhàn)役的。羅馬戰(zhàn)爭包含很多較小的戰(zhàn)場，戰(zhàn)爭雙方都收到來自不同方向的謠言和誤傳，將戰(zhàn)事弄得混亂不堪。由于戰(zhàn)斗在幾個前沿地帶猛烈地進行，羅馬將領經(jīng)常是盲目指揮。羅馬人通常是因為野蠻力量而取得勝利，并非優(yōu)雅的戰(zhàn)略。這就是為什么戰(zhàn)爭的首要原則之一是占領高地——上到第三維度審視二維戰(zhàn)場。從一個大山的有利位置觀察全景戰(zhàn)場，戰(zhàn)爭的混亂程度驟然降低。換句話說，從第三維度看（即從山頂看），眾多較小的混亂戰(zhàn)場將集成一個連貫的單一畫面。

這個原理——自然規(guī)律在高維中表達將變得更簡單——的另一個應用，是愛因斯坦狹義相對論背后的中心思想。愛因斯坦揭示了時間是第四維，他表明了空間和時間可以方便地在四維中統(tǒng)一起來。這反過來又不可避免地導致用空間和時間測量的所有物理量（如質(zhì)量和能量）的統(tǒng)一。他還找到了質(zhì)量和能量統(tǒng)一的精確的數(shù)學表達式：E=mc2。也許，這是所有科學方程中最著名的質(zhì)能公式。（高維理論絕不僅是一個學術(shù)理論，因為愛因斯坦理論最簡單的結(jié)果是原子彈，它改變了人類的命運。在這個意義上，高維理論的引進是人類歷史上最關鍵的科學發(fā)現(xiàn)。）

為了欣賞這種統(tǒng)一的巨大力量，現(xiàn)在我們來描述這四種基本力。強調(diào)它們?nèi)绾尾煌绾卧诟呔S中給出這四種力的統(tǒng)一表述。在過去2000年間，科學家們發(fā)現(xiàn)宇宙中的所有現(xiàn)象可以化歸為四種力，它們從一開始就彼此互不相似。

電磁力

電磁力以多種形式存在，包括電、磁和光本身。電磁力照亮了我們的城市，可使收音機和音響播出的音樂填滿整個空間，可讓我們看電視，可用電器減輕家務勞動，可用微波爐加熱我們的食物，可用雷達跟蹤飛機和空間探測器，可使我們的發(fā)電廠電氣化。最近，電磁力已被用于電子計算機（這使辦公室、家庭、學校、軍隊大為改觀）和激光（這對于通信、外科手術(shù)、光盤、五角大樓高級武器系統(tǒng)，甚至雜貨店的收銀臺都具有重大意義）。在某種意義上，整個地球超過半數(shù)的國民生產(chǎn)總值（它代表著人類積累的財富）都依賴于電磁力。

強核力

強核力為恒星燃燒提供能量。它使群星閃耀，創(chuàng)造出燦爛的、給予生命的陽光。如果這個強大的力量突然消失，太陽會變暗，地球上的所有生命將終結(jié)。事實上，一些科學家認為恐龍是在6500萬年前滅絕的，那時彗星撞擊的碎片進入了地球的大氣層，讓大地昏暗，整個行星的溫度暴跌。具有諷刺意味的是，強核力也可以在一天之內(nèi)收回它曾經(jīng)贈與的那些生命。如果不限制氫彈爆炸，強核力將有可能在一天之內(nèi)結(jié)束地球上的所有生命。

弱核力

弱核力支配某些形式的放射性衰變。因為放射性物質(zhì)在衰變或破裂時會放出熱量，弱核力有助于加熱地球內(nèi)部深層的放射性巖石。這個熱量反過來又驅(qū)動火山，造成罕見但強大的熔巖爆發(fā)到達地球表面。弱核力和電磁力也常被用來治療嚴重的疾?。悍派湫缘獗挥脕須⑺兰谞钕倌[瘤與醫(yī)治某種形式的癌癥。放射性衰變也可以是致命的：它造成了三英里島和切爾諾貝利的大破壞；它還產(chǎn)生了放射性廢物（核武器生產(chǎn)和商業(yè)核電廠產(chǎn)生的不可避免的副產(chǎn)品），這些廢料有可能會持續(xù)保持危害性長達幾百萬年時間。

引力

引力使地球和行星保持在它們的軌道上運動，引力也約束了銀河系的平衡。如果沒有地球的引力，地球的自轉(zhuǎn)將使我們像布娃娃一樣被拋進太空。我們用以呼吸的空氣也會很快彌散到太空中去，從而使我們窒息，使地球上的生命不復存在。如果沒有太陽的引力，所有的行星（包括地球）將被拋出太陽系進入寒冷的深層太空，在那里，微弱的陽光將無法支持生物的生命。事實上，沒有引力，太陽自身也會發(fā)生爆炸。太陽是引力（它傾向于收縮太陽）和核力（它傾向于脹開太陽）微妙平衡的結(jié)果。沒有引力，太陽將會像千萬億顆氫彈爆炸那樣轟然爆裂。

當前理論物理學面臨的挑戰(zhàn)是將這四種力統(tǒng)一為一個單一力。從愛因斯坦開始，20世紀的許多物理學巨人就試圖找到這種統(tǒng)一的力，但都沒有成功。然而，困擾了愛因斯坦生命最后30年的問題的答案也許就在超空間。

統(tǒng)一問題

愛因斯坦曾說，“自然只讓我們看到獅子的尾巴。但我從未懷疑獅子和獅尾是一體的，盡管獅子太大我們看不到它”。如果愛因斯坦是正確的，那么也許這四種力就是獅子的尾巴，而獅子就是高維時空。這一理念已燃起希望，擺滿圖書館書架的密密麻麻的有著豐富圖表的圖書所描述的宇宙的物理定律也許某天可以由一個簡單的方程來描述。

這個有關宇宙的革命性觀點的中心是——高維幾何也許是宇宙統(tǒng)一的最終源泉。簡言之，宇宙中的物質(zhì)和將它們聚在一起的力，以一種使人困惑不解和變化無窮的復雜形式出現(xiàn)，但它們也許只是超空間上的不同振動而已。然而，這個概念不同于科學家的傳統(tǒng)思維，他們將空間和時間視為一個被動的舞臺，星星和原子是這個舞臺上的主角。對這些科學家來說，可見的物質(zhì)宇宙比起不可見的時空宇宙來說更加豐富且多樣化。從歷史的角度看，粒子物理方面幾乎所有的科學努力以及大量的政府基金都被投入到了“夸克”、“膠子”這樣的亞原子粒子研究上。而不是徹底理解時空的幾何性質(zhì)?，F(xiàn)在，科學家們正逐漸認識到，時間和空間這個“無用的”概念也許是大自然之美與簡單性的最終源頭。

高維空間的第一個理論被稱為卡魯扎-克萊因（kaluza-klein）理論。這個理論以兩位科學家的名字而命名。他們提出了一種新的引力理論，將引力解釋為第五維度的振動。我們?nèi)绻麑⑦@個理論擴展到N維空間（N可以代表任何數(shù)），這個看似笨拙的亞原子粒子理論將戲劇性地呈現(xiàn)出驚人的對稱性。然而，老卡魯扎-克萊因理論不能確定N的正確值，在描述亞原子粒子時也存在許多技術(shù)問題?；谶@個理論還有一個更為先進的版本稱為超引力理論，但它依然存在問題。近來，對這個理論的興趣是1984年由米迦勒·格林（Michael Green）和馬蒂亞斯·舒瓦茨（John Schwarz）引發(fā)的。他們給出了卡魯扎-克萊因理論最先進的版本，即超弦理論的一致性。這個理論假定所有物質(zhì)都是由微小的振動弦組成。令人驚訝的是，超弦理論精確地預測了時間和空間的維度：十維。[弗羅因德被問及我們何時可以看見這些高維空間時，他報以一笑。我們看不到這些高維空間，因為它們卷成的小球是如此之小，以至于檢測不到。根據(jù)卡魯扎-克萊因理論，這些卷曲的維度的尺寸叫做普蘭克長度[2]。相當于質(zhì)子的萬億億分之一，它太小了以至于我們用最大的原子加速器也無法探測。高能物理學家曾指望造價110億美元的超導超級碰撞機（SSC）能間接揭示超空間的某些線索。但SSC于1993年10月被美國國會否決了。]

十維空間的優(yōu)勢在于我們擁有足夠的空間以容納所有四種基本力。此外，我們有一個簡單的物理繪景來解釋由大型原子加速器產(chǎn)生的亞原子粒子的雜亂的混合物。過去30年中，物理學家分類研究了通過粉碎質(zhì)子、電子、原子產(chǎn)生的碎片中的幾百種亞原子粒子。像昆蟲收藏家耐心地給一大批昆蟲命名一樣，物理學家有時被這些亞原子粒子的多樣性和復雜性壓得喘不過氣來。今天，這個撲朔迷離的收集亞原子粒子的工作可以用超空間理論的純粹振動來解釋。

穿越時空

超空間理論也重新打開了“超空間是否可以用于穿越時空旅行”的問題。要理解這個概念，想象生活在一個大蘋果上的小的扁平的扁蟲。對扁蟲而言，它們認為蘋果的世界顯然與它們一樣是一個扁平的二維世界。然而，有一個叫哥倫布的扁蟲被一種說法迷住了——蘋果世界在某種方式上是有限的、彎曲的、三維的。然而，它的朋友稱它為傻瓜，嘲笑它相信蘋果世界竟會在看不見摸不著的某個三維中彎曲。一天，哥倫布踏上漫長而艱苦的旅程，消失在地平線上。最終他回到起點，他的旅程證明蘋果世界存在于一個更高的不可見的維度，第三維度是彎曲的。雖然旅行使它疲倦，哥倫布還是發(fā)現(xiàn)了在蘋果上彼此遠離的兩點之間旅行還有另外一種方法：通過在蘋果上挖洞，挖出一條隧道，創(chuàng)造一條捷徑通往遙遠的地方。這條捷徑大大減少了長途旅行的時間和身體疲憊，它稱這條隧道為蟲洞。這條隧道證明了兩點之間最短的路徑不一定是別人告訴它的直線，而是一個蟲洞。

哥倫布發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的效應，當他進入某條隧道并從另一端出口出去時，他發(fā)現(xiàn)自己回到了過去。顯然，這些蟲洞連接著蘋果上的不同地方，而這些不同地方的時間有著不同的節(jié)拍。一些蟲子甚至聲稱這些蟲洞可以被塑造成一個可行的時間機器。

后來，哥倫布又做出了一項更加重要的發(fā)現(xiàn)——它發(fā)現(xiàn)的蘋果世界其實并非宇宙中的唯一，它只是一個大蘋果園中的一個蘋果。哥倫布發(fā)現(xiàn)這個蘋果與大蘋果園中成百上千的蘋果共存。有些蘋果上有像它們一樣的扁蟲，有些蘋果上沒有。他猜想，在某些罕見的情況下，這些扁蟲甚至可以在果園中不同的蘋果之間旅行。

我們?nèi)祟惥拖衲切┍庀x。常識告訴我們，我們的世界與它們的蘋果一樣，是平坦的三維世界。無論我們跟隨我們的宇宙飛船走到哪里，宇宙似乎總是平坦的。然而，事實上，我們的宇宙像蘋果世界一樣，在一個超出我們對空間理解的看不見的維度上是彎曲的。這個事實已被一些嚴格的實驗驗證了。科學家對光的路徑進行的實驗，證明了星光穿過宇宙時是彎曲的。

多連通宇宙

早晨，當我們醒來打開窗戶讓新鮮空氣進來時，我們期待看到前面的院子。我們并不希望打開窗戶后，面對巍峨的埃及金字塔。同樣，當我們打開前門時，我們期待看到街道上的汽車，而不是火山口和死火山那種荒涼的月球景觀。甚至不必考慮，我們就假定我們能安全地打開窗戶和門，不會被嚇得靈魂出竅。幸運的是，我們的世界不是史蒂文·斯皮爾伯格（Steven Spielberg）的電影。我們有一個根深蒂固的偏見（這個偏見總是正確的）——我們的世界是單連通的（簡單連接的），我們的窗戶和門都并非是連接我們的家和另一個遙遠宇宙的蟲洞入口。（在普通的空間中，一根繩子的套索可以收縮成一點。如果套索可以收縮成一點，我們則說該空間是單連通的。然而，如果將套索放在蟲洞的入口周圍，它無法收縮成某一點。事實上，這個套索進入了蟲洞。這種套索不能收縮的空間，我們說它是多連通的。雖然，我們的宇宙在不可見的維度中彎曲已通過實驗測量，但蟲洞的存在和我們的宇宙是否是多連通的仍是當今科學界長期爭論的話題。）

在喬治·波恩哈德·黎曼（George Bernhard Riemann）那個時代的數(shù)學家研究了多連通空間的性質(zhì)。在這個空間中不同區(qū)域的空間和時間是拼接在一起的。物理學家曾以為這僅是一個智力練習，現(xiàn)在，他們正在把多連通世界作為我們宇宙的實際模型而加以研究。這些模型是愛麗絲鏡子的科學模擬。當劉易斯·卡羅爾的白兔掉進兔子洞而進入仙境時，它實際上是掉進了一個蟲洞。

蟲洞可以用兩個平行平面來解釋。取兩張紙和一把剪刀，我們在每張紙上剪一個洞，然后用一根長管連接兩個孔（圖1.1）。只要你避免走進蟲洞，我們的世界就似乎是正常的，你在學校里學的通常的幾何定律在這里都是成立的。然而，如果你落入了蟲洞，你會瞬間被傳送到空間和時間的不同區(qū)域。只有通過追溯你的腳步，撤離剛才掉進的蟲洞，你才能回到之前熟悉的世界。

時間旅行與嬰兒宇宙

雖然蟲洞提供了一個迷人的研究領域，但在超空間（多維空間）的討論中顯露出來的最引人入勝的概念是——時間旅行。在電影《回到未來》中，米高·J．霍士（Michael J.Fox）的旅行回到過去，遇見了他的尚未結(jié)婚的年輕的父母。不幸的是，他的母親愛上他后將他的父親拋棄。這就提出了一個棘手的問題——如果他的父母從未結(jié)婚生子，他如何誕生。

傳統(tǒng)上，科學家們對任何提出時間旅行問題的人都不抱很大希望。因果關系（有因才有果，而不是有果才有因）被牢牢地銘刻在現(xiàn)代科學基礎中。然而，在蟲洞物理中“非因果”效應反復顯現(xiàn)。事實上，我們必須做出強有力的假設以防止時間旅行的發(fā)生。主要問題是，蟲洞不僅可以連接空間中兩個遙遠的點，它還可以將過去和未來連接起來。

1988年，加州理工大學的物理學家基普·索恩（Kip Thorne）和他的合作者做出驚人的（也是冒險的）斷言——時間旅行不僅是合理的，而且在一定條件下也是可行的。他們的斷言并非發(fā)表在不起眼的“邊緣”雜志上，而是在著名的《物理評論快報》上。這首次標志著著名的物理學家，而不是瘋子，科學地提出一個關于改變時間本身進程的問題。他們的斷言是基于簡單的觀察，一個蟲洞連接兩個有著不同時間周期的區(qū)域。因此蟲洞可以連接現(xiàn)在和過去。因為穿越蟲洞是瞬時的，所以人們可以用蟲洞逆時退行到過去。然而，這不同于H.G．威爾斯（H.G.Wells）的《時間機器》一書中描繪的場景，主人公只要撥動一下表盤就可以被拋到幾十萬年后的英國的未來。因為蟲洞的產(chǎn)生需要巨大的能量，甚至超出了在未來幾個世紀技術(shù)上的可能。

蟲洞物理的另一個奇怪的推論是在實驗室中創(chuàng)造“嬰兒宇宙”。當然，我們無法重新創(chuàng)造大爆炸和見證我們宇宙的誕生。然而，對宇宙學上做出了重要貢獻的麻省理工學院的阿蘭·古斯（Alan Guth）聲稱，蟲洞物理可以使我們在實驗室創(chuàng)造嬰兒宇宙成為可能。他的見解震驚了許多物理學家。他提出，在一個密閉室內(nèi)集中大量的熱量和能量，蟲洞最終可能被打通，這個蟲洞可作為連接我們的宇宙與另一個極小宇宙的臍帶。如果可能的話，它會給科學家?guī)砬八从械挠钪嬗^，因為它是在實驗室里創(chuàng)造的。

神秘主義和超空間

這些概念中有些并不是新的。在過去的幾個世紀，神秘主義者和哲學家紛紛猜測存在其他宇宙和它們之間的隧道。他們長期以來一直沉迷于可能存在的其他世界，這些世界聽不見、看不著，卻與我們的宇宙共存。他們被那些可能存在而未探知的冥冥世界所吸引。這些世界甚至可能近在咫尺，事實上包圍著我們并滲透到我們所到之處，只是它們正好超出了我們的物理理解力，避開了我們的直觀感覺。不過，這樣的沒有根據(jù)的議論是無用的。因為沒有實際的方法可以對這些思想列出正確的數(shù)學表達，這些思想也不能通過實驗得到驗證。

我們的宇宙和其他維度之間的通道（蟲洞）也是一個討人喜歡的文學題材?？苹米骷野l(fā)現(xiàn)高維是星際旅行必不可少的媒介。因為在天上，星星之間的距離非常大，科幻作家便將高維作為星星之間聯(lián)系的一個巧妙的捷徑。火箭不需要走漫長的路程到達其他星系，僅需在超空間中由圍繞它的時空彎曲實現(xiàn)加速后到達。例如，在電影《星際大戰(zhàn)》中，超空間是一個避難所，天行者盧克在那里可以安全地逃避帝國戰(zhàn)艦。在電視連續(xù)劇《星際迷航：深空九號》中，一個遙遠的空間站附近的蟲洞打開了。這使得在幾秒之內(nèi)穿越巨大距離的銀河系成為可能?？臻g站突然變成了激烈的競爭中心，誰能控制住這里，誰就能掌握銀河系中通往其他地區(qū)樞紐的關鍵環(huán)節(jié)。

10年前，美國一批軍用魚雷轟炸機第19飛行大隊在加勒比地區(qū)消失。神秘小說作家也用高維空間作為揭開百慕大三角區(qū)（或魔鬼三角區(qū)）之謎的便捷的工具。有人推測，在百慕大三角區(qū)消失的飛機和船只實際上進入了通往另一個世界的某種類型的通道。

這些難以捉摸的平行世界的存在也產(chǎn)生了無休止的長達幾個世紀的宗教推測。唯心論者在想，離去親人的靈魂是否進入了另一個維度。17世紀英國哲學家亨利·莫爾（Henry More）認為鬼和靈魂確實存在，并聲稱他們居住在第四維度。1671年他在《玄學手冊》中主張，存在一個超出了我們感官的虛空境界，它是幽靈和靈魂的家園。

19紀的神學家困惑于找不到天堂和地獄，心想是否能在更高的維度中找到它們。一些人提出一個由三個平行平面組成的宇宙：地球、天堂和地獄。根據(jù)神學家亞瑟·威林克（Arthur Willink）的說法，上帝本人的家是在離這三個平面最遙遠的地方，他生活在無限維中。

1870—1920年，人們對高維空間的興趣達到頂峰。那時“四維”（一個不同于我們知道的時間第四維）抓住了公眾的想象力，并逐步滲透到藝術(shù)和科學的每一個分支，成為陌生和神秘的隱喻。第四維度在奧斯卡·王爾德（Oscar Wilde）、費奧多爾·陀思妥耶夫斯基（Fyodor Dostoyevsky）、馬塞爾·普魯斯特（Marcel Proust）、H.G．威爾斯（H.G.Wells）、約瑟夫·康拉德（Joseph Conrad）的文學作品中出現(xiàn)了。第四維度還啟發(fā)了亞力山大·斯克里亞賓（Alexander Scriabin）、喬治·安塞爾（George Antheil）的音樂作品。第四維度迷住了心理學家威廉·杰姆斯（William James），文學家格特魯?shù)隆に固梗℅ertrude Stein）和社會主義革命家弗拉基米爾·列寧（Vladimir Lenin）那種多樣化的性格。

第四維度也啟發(fā)了巴勃羅·畢加索（Pablo Picasso）和馬塞爾·杜尚（Marcel Duchamp）的作品，極大地影響了立體派和表現(xiàn)主義的發(fā)展，這是兩個在20世紀最具影響力的藝術(shù)運動。藝術(shù)歷史學家琳達·達爾林普爾·亨德森（Linda Dalrymple Henderson）寫道，“像黑洞一樣，‘第四維度’具有神秘的特質(zhì)，即使科學家自己也不完全理解。然而，它的影響卻比黑洞或任何其他最近的科學假說更加廣泛（1919年的相對論除外）。”

這種否定每一個常識性公理，符合邏輯而又奇異的另一種形式的幾何學，同樣久久地引起了數(shù)學家們的好奇心。例如，在牛津大學任教的數(shù)學家查爾斯·道奇森（Charles L.Dodgson）以路易斯·卡羅爾（Lewis Carroll）為筆名寫書并傳播知識為學生們帶去快樂。他常將奇怪的數(shù)學思想寫進他的書中。當愛麗絲掉進兔子洞或踏進瞭望鏡時，她進入了奇境，一個奇怪的柴郡貓消失的地方（只留下了微笑）；神奇的蘑菇將孩子們變成了巨人，瘋子哈特斯慶祝“未出生日”；瞭望鏡以某種方式把愛麗絲的世界與一個陌生的地方連接起來，在那里，人們用謎語交流，常識也不再成其為常識了。

路易斯·卡羅爾的一些靈感極有可能來自19世紀偉大的德國數(shù)學家喬治·波恩哈德·黎曼（George Bernhard Riemann）。黎曼是第一個為高維空間奠定幾何數(shù)學基礎的數(shù)學家。黎曼改變了下一個世紀數(shù)學研究的航向，他證明了宇宙雖然從表面上看很奇怪，但卻是完全自我一致的，服從它們自己的內(nèi)在邏輯。為了闡明這類思想，請設想摞在一起的很多張紙，它們一張壓在另一張的上面?，F(xiàn)在想象每張紙代表一個世界，每個世界服從它自己的物理定律，不同于其他世界。這樣，我們的宇宙就不是孤獨的，而是許多可能的平行世界中的一個。智能生物可能居住在某個平面上，完全不知道其他世界的存在。在一張紙上可能會有愛麗絲的田園般的英國鄉(xiāng)村。在另一張紙上可能是一個奇怪的世界，住著奇境世界中的神秘生物。

通常，每個平行平面上的生命都是獨立于其他平面的。然而，在罕見的情況下，這些平面也會相交，片刻間撕裂空間本身的織物，打開這兩個宇宙之間的洞或通道。像在《星際迷航：深空九號》中出現(xiàn)的蟲洞，這些通道使這些世界之間的旅行成為可能，像一個宇宙橋連接兩個不同宇宙或同一宇宙的兩點（圖1.2）。毫不奇怪，卡羅爾發(fā)現(xiàn)兒童相比成人，可以更開放地接受不同觀點存在的可能性。成年人對空間和邏輯的偏見則日益僵化。事實上，黎曼的更高維度的理論，正如卡羅爾解釋的，已經(jīng)成為兒童文學和民間傳說的一個永恒的一部分。幾十年來，還誕生了其他的兒童經(jīng)典，如多蘿西的《綠野仙蹤》和潘裕文的《從來沒有土地》。

然而，由于缺乏實驗證據(jù)或引人注目的物理動機，因此平行世界的理論作為科學的一個分支失去了活力。2000多年來，科學家偶爾撿起更高維度的概念，結(jié)果卻因為不可測被認為是愚蠢的想法而拋棄。雖然黎曼的高等幾何理論在數(shù)學上很有趣，但卻被人們認為技巧性太強缺乏實際用處而不被人們重視。在高維理論上甘愿以他們的聲譽冒險的科學家發(fā)現(xiàn)，自己正被科學界嘲笑。高維空間變?yōu)榱松衩刂髁x者、思想怪誕者和江湖術(shù)士們的避難所。

在本書中，我們將會研究這些早期開拓者的工作。主要是因為他們設計了一種巧妙的方法，使非專業(yè)人士可以“可視化”更高維度的物體的樣子。這些技巧將被證明是有用的，讓公眾可以更好地掌握這些高維理論。

通過研究這些早期的神秘主義者的工作，我們也能更清楚地看到他們的研究的缺陷。我們看到他們的推測缺乏兩個重要概念：物理和數(shù)學原理。從現(xiàn)代物理的視角，我們認識到他們丟失的物理原理是——超空間簡化了自然定律，超空間提供了僅靠純粹的幾何論證就能統(tǒng)一所有自然力的可能性。他們丟失的數(shù)學原理是——場論，它是理論物理學中普遍使用的數(shù)學語言。

場論：物理學的語言

場的概念最先是由偉大的19世紀英國科學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）引進的。法拉第是一個窮鐵匠的兒子，他是一位自學的天才，他設計了精心的電力和磁性的實驗。他將“力線”直觀化（像植物展開的長藤），“力線”從磁和電荷發(fā)射到四面八方并充滿所有的空間。他在他的實驗室中，用他的儀器可以測量任何一點的磁力或電荷的力線的強度。因此他可以在這一點（和空間中的任何點）指定一系列數(shù)表示力的大小和方向。他把空間任何點的這些數(shù)字的總和作為一個單一的實體——一個場。[這里，有一個著名的關于邁克爾·法拉第的故事。由于法拉第的名聲遠揚，經(jīng)常有好奇的旁觀者去拜訪他。當人們問他的工作有什么用時，他會回答：“孩子有什么用？那就是他能長大成人?！庇幸惶?，當時的財政大臣威廉·格拉斯頓（William Gladstone）參觀了法拉第的實驗室。格拉斯頓對科學一無所知，他諷刺地問法拉第在他的實驗室里的這些巨大的電氣裝置對英國有什么用。法拉第回答：“先生，我不知道這些機器將作何用，但我可以肯定有朝一日你能通過它們征稅。”今天，英國總財富的大部分都要歸功于法拉第的勞動成果。]

簡單地說，一個場是空間每一點上完全描述了在那個點上的力的數(shù)據(jù)的集合。例如，在空間的每個點上的3個數(shù)字可以描述磁力線的強度和方向?？臻g每一點的另外3個數(shù)字可以描述電場。法拉第在思考農(nóng)民耕種土地時得到場這個概念。農(nóng)民的土地占有二維空間區(qū)域。在農(nóng)民土地的每一點可以指定一系列的數(shù)字（例如，描述在那一點上有多少種子）。然而，法拉第的場占據(jù)空間的三維區(qū)域。在每一點上，都有一系列的6個數(shù)字描述力的磁力線和電力線。

法拉第的場的概念有如此強大的威力，是因為自然的所有的力都能表述為場的形式。不過，在我們能夠理解這些力的本質(zhì)之前，我們還需要一個要素——我們必須建立這些場所遵守的方程。過去幾百年理論物理的進展可以簡潔地概括為“尋找自然力的場方程”。

例如，19世紀60年代的蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）寫下了電場和磁場的方程。在1915年，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了引力的場方程。經(jīng)過無數(shù)次錯誤的嘗試后，在20世紀70年代，通過楊振寧（C.N.Yang）和他的學生R.L．米爾斯（R.L.Mills）的早期工作，亞原子力的場方程最終被建立。這些控制亞原子粒子相互作用的場方程現(xiàn)在稱為楊-米爾斯（Yang-Mills）場。然而，使這個世紀物理學家困惑的是亞原子力的場為什么與愛因斯坦的場方程截然不同，即為什么核力與引力差別如此之大。一些物理學中的偉人一直致力于解決這個問題，但都未獲得成功。

也許他們失敗的原因是落入了常識的俗套。如果僅局限在三維或四維，亞原子世界的引力的場方程就很難統(tǒng)一。超空間的優(yōu)點在于：楊-米爾斯場、麥克斯韋場、愛因斯坦場，都可以舒適地放置在超空間場中。我們看到，這些場在超空間中，非常合理地結(jié)合在一起，就像拼圖一樣。場論的另一個優(yōu)勢是，它允許我們精確地計算“空間和時間形成蟲洞所需的能量”。因此，與古人不同，我們有了數(shù)學工具來指導自己建造機器。也許有一天，我們能通過這些機器，彎曲空間和時間并實現(xiàn)我們的幻想。

創(chuàng)世的秘密

這是否意味著捕獵大型野獸的獵人現(xiàn)在可以開始籌備去中生代獵殺大恐龍并展開狩獵之旅了？不，索恩、古思和弗羅因德會告訴你，調(diào)查這些太空中的異常所需的能量遠超出了地球上的任何能量。弗羅因德提醒我們，探測第十維度所需的能量是我們的最大的原子加速器所產(chǎn)生的能量的1000萬億倍。

將時空彎曲成結(jié)所需的能量非常大，大到在今后幾百年甚至幾千年我們也無法獲得。即便世界上所有的國家都團結(jié)起來，建設一個可以探測超空間的機器，最終的結(jié)果也是失敗。并且，正如古思指出的，在實驗室創(chuàng)建一個嬰兒宇宙需要的溫度是1×1027攝氏度，遠遠超過我們能提供的溫度。事實上，這個溫度甚至高于任何恒星內(nèi)能中的溫度。因此，雖然愛因斯坦定律和量子論定律有可能允許時間旅行，但這難以在我們地球人的能力范圍內(nèi)實現(xiàn)。我們現(xiàn)有的能力只允許我們可以勉強逃脫我們星球的微弱引力場。我們對蟲洞研究的含意大為驚訝的同時，也體會到蟲洞的潛力只能為更先進的外星文明所利用。

只有一個時間周期實際具有這樣巨大的能量規(guī)模，那就是在創(chuàng)世的瞬間。事實上，超空間理論不能用我們最大的原子加速器測試，因為這個理論實際上是創(chuàng)世理論。只有在宇宙大爆炸的瞬間可以看到超空間理論在發(fā)揮作用。這就提出了一個激動人心的可能性，超空間理論可以解開宇宙起源的秘密。

引入更高的維度可能是撬開創(chuàng)世秘密必不可少的鑰匙。根據(jù)這個理論，在大爆炸之前，我們的宇宙是一個完美的十維宇宙，一個可能實現(xiàn)超時空旅行的宇宙。然而，這個十維度宇宙是不穩(wěn)定的，它最終“破解”為兩個宇宙，創(chuàng)建了兩個分離的宇宙：一個四維宇宙和一個六維宇宙。我們生活的宇宙即是在這次宇宙災難中誕生的。我們的四維宇宙爆炸式膨脹，而孿生的六維宇宙劇烈收縮，直到它收縮到無窮小。這也許解釋了大爆炸的起源。如果這是正確的，這個理論則說明宇宙的迅速膨脹只是一個更大的宇宙災難性事件的一個很小的余震，在這個大災難中空間和時間本身裂開了。于是，驅(qū)使可觀測到的宇宙膨脹的能量，正是存在于十維空間和時間的坍縮之中。根據(jù)這個理論，遙遠的恒星和星系便以天文數(shù)字般的速度遠離我們而去（因為十維空間和時間的坍縮）。

這個理論預言，我們的宇宙有一個矮人雙胞胎，一個伴宇宙。它卷曲成一個六維的小球，其尺寸太小，我們無法觀察。這個六維度的宇宙并非是我們世界無用的附屬物，它最終極可能成為我們的救贖。

逃避宇宙的死亡

人們常說，人類社會唯一不變的就是死亡和稅收。對于宇宙學家，唯一可以確定的是宇宙終有一天會死亡。一些人認為宇宙的最終死亡會以大坍縮的形式到來。引力會逆轉(zhuǎn)大爆炸產(chǎn)生的宇宙膨脹，并將恒星和星系再次拉回到一起，成為一個原始的質(zhì)量。隨著恒星的收縮，宇宙中的溫度將急劇上升，直到宇宙中所有的物質(zhì)和能量集中陷入一個巨大的火球，并將我們所認知的宇宙摧毀。所有的生命形式都將被毀滅，不會存在任何僥幸者。像查爾斯·達爾文（Charles Darwin）和伯特蘭·羅素（Bertrand Russell）那樣的科學家和哲學家也悲哀地寫道，“我們可憐的努力都是徒勞，因為我們的文明在世界末日時終將無情地死亡。”物理規(guī)律顯然已向宇宙中所有的智慧生命發(fā)布了最終的、不可撤銷的死亡令。

據(jù)已故哥倫比亞大學物理學家杰拉爾德·費因伯格（Gerald Feinberg）的說法，有且只有一個逃避最終災難的希望。他推測，幾十億年后智慧生命最終能掌握高維空間的奧秘，將使用其他維度作為一個逃生艙口逃出危機。在我們的宇宙崩潰的最后時刻，我們的姐妹宇宙將再次開放，超空間旅行將成為可能。因為在世界末日到來之前的最后時刻，所有的物質(zhì)都被粉碎，所有的智慧生命形式都可以通過隧道進入高維空間或另一個宇宙，避免看似不可避免的我們的宇宙的死亡。然后，在高維空間這個避難所這些智慧生命也許能夠見證崩潰的宇宙陷入一片火海。當我們的宇宙家園被粉碎得面目全非時，氣溫將劇烈上升創(chuàng)建另一次大爆炸。這些智慧生命在多維空間的有利位置，將能在前排座位上看到罕見的科學現(xiàn)象，看到另一個宇宙和他們的新家的誕生。

超空間的主人

場論表明，要創(chuàng)造這些奇妙的空間和時間彎曲所需要的能量遠超現(xiàn)代文明能掌握的一切。這也引出了兩個重要的問題：其一，我們的知識和能力正在以指數(shù)的形式增長，我們的文明要何時才能達到掌握超空間理論的地步？其二，在宇宙中的其他智慧生命又是什么樣的，他們是否已經(jīng)達到了可以利用超空間理論的地步？

這個討論使人感興趣的原因是那些嚴肅的科學家們試圖對未來的文明進程作出定量判斷——到那時，空間旅行將變得司空見慣；鄰近的恒星系統(tǒng)甚至星系也可能被人類殖民。雖然操控超空間所需要的能量是巨大的，但這些科學家指出，在未來幾個世紀科學技術(shù)的增長可能會繼續(xù)以指數(shù)形式上升，超過了人類的大腦理解它的能力。自第二次世界大戰(zhàn)以來，科學總量大約每10—20年就翻一番，所以科學技術(shù)在21世紀的進展可能超越我們最大的期望。今天只能夢想的技術(shù)在未來世紀可能變得司空見慣。因此，我們可以討論這個問題，我們何時能成為超空間的主人。

時間旅行、平行宇宙、多維窗口

這些概念本身就處在我們理解物質(zhì)宇宙的前沿。然而，由于超空間理論是一個真正的場論，我們最終希望它能給出一種數(shù)量上的答案，來確定這些使人感興趣的概念是否具有可能性。如果這個理論給出的答案是荒謬的，與物理學數(shù)據(jù)相違背，那么，無論它在數(shù)學形式上多么優(yōu)雅也必須遭到我們的拋棄。最后的決定權(quán)在物理學家而不在哲學家。但是，如果超空間理論被證明是正確的，且解釋了現(xiàn)代物理學的各種對稱性，那么它將開創(chuàng)一場也許等同于哥白尼或牛頓式的革命。

為了對這些概念有一個直觀的理解，我們需要從頭開始講述。在我們習慣十維之前，我們首先要學會如何操控四維空間。我們將利用歷史的例子探討幾十年來科學家所做的巧妙的嘗試，給出高維空間一個有形的視覺表現(xiàn)。因此，本書的第一部分將強調(diào)發(fā)現(xiàn)高維空間背后的歷史，從開啟它的數(shù)學家喬治·波恩哈德·黎曼（George Bernhard Riemann）開始。黎曼在預期下一個世紀科學的進步時，他首次說出：“自然在高維空間幾何中可以找到它的天然歸宿?！?/p>