前幾天，我參加了一個(gè)科學(xué)大會(huì)。當(dāng)然，對(duì)于物理科普作者的我來說，聽諾獎(jiǎng)得主基普·索恩講引力波是我最尤為關(guān)注的議題。奮斗在探索宇宙奧秘第一線的科學(xué)家將給我們提供怎樣的新視角來審視這個(gè)宇宙呢？這篇文章將為你完美呈現(xiàn)。

我們知道，愛因斯坦的廣義相對(duì)論早在百余年前的1915年就完成了。廣義相對(duì)論預(yù)言的時(shí)空彎曲也在4年后的1919年被日全食首次證實(shí)。廣義相對(duì)論還有許多預(yù)言在愛因斯坦活著的時(shí)候未被證實(shí)，比如引力波以及基于廣義相對(duì)論下的黑洞預(yù)言和蟲洞等。

或許是機(jī)緣巧合也或許是天意，人類首次發(fā)現(xiàn)引力波是在2015年，正好是廣義相對(duì)論提出的100周年。愛因斯坦在1955年去世后，其引力波的探尋任務(wù)完全就交到后人手中了。可引力波的探尋需要極其機(jī)密的儀器，在地球上的人要想察覺到來自數(shù)億光年外的引力波信號(hào)就相當(dāng)在1公里的范圍內(nèi)記錄比原子半徑還小1萬倍的空間變化。很幸運(yùn)，在激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的精密儀器幫助下，人類還是捕捉到了這微不足道的引力波信號(hào)。搜尋引力波信號(hào)的團(tuán)隊(duì)也因此獲得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，基普·索恩就是其中一員。

基普索恩

人類有了引力波就開啟了探索宇宙的新大門，原先人類探索宇宙最直接的手段無非就是依賴電磁波和引力數(shù)據(jù)，這就極大的限制了人類對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)。有了引力波之后，人類就多了一個(gè)探索宇宙的工具，比如通過引力波可以精確的測(cè)量黑洞的質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)等信息。

基普·索恩可以看作是愛因斯坦的傳承人之一，相對(duì)論留下的寶貴遺產(chǎn)可有后人們挖掘的嘍。基普·索恩充當(dāng)了愛因斯坦的衣缽，自然也擔(dān)任起了研究相對(duì)論的一員。蟲洞的概念最早是愛因斯坦和納森羅森提出的，其穿越時(shí)空的性質(zhì)極具科幻色彩，也常被影視作品拿來渲染。而愛因斯坦本人并不太愿意相信蟲洞是自然形式的存在，畢竟作為實(shí)證主義者的愛因斯坦總覺得蟲洞這玩意太不可思議了。即便愛因斯坦本人對(duì)蟲洞并不感冒，但后人卻總是樂此不疲，當(dāng)然這樣包括吉普·索恩。

在他的演講中，我可以明確地感受到這位大物理學(xué)家對(duì)蟲洞的執(zhí)迷。他解釋到，蟲洞是可以真實(shí)存在于宇宙中的。但自然形式下的蟲洞卻極不穩(wěn)定，很容易消失。這也是我們目前為止不能發(fā)現(xiàn)蟲洞的原因之一。但他話鋒一轉(zhuǎn)：或許在更高的宇宙文明中，蟲洞早已被當(dāng)作普遍的交通工具而應(yīng)用著。

在我們現(xiàn)在看來，銀河系與鄰近的仙女座星系在同一個(gè)空間中。倘若把宇宙當(dāng)作是一張二維的紙，銀河系和仙女座星系以及千千萬萬的星系都在這張“紙”上，我們完全有理由相信這張“紙”是可以彎曲的，因?yàn)楝F(xiàn)在有證據(jù)指向如此。如果把這張“紙”對(duì)折一下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)人類去往距離200萬光年外的仙女座星系未必只有經(jīng)過紙面上的路線而到達(dá)目的地。我們可以拒絕這種南轅北轍的路線，取而代之的是在木星周圍建立一個(gè)蟲洞，蟲洞可以直接跨越“紙”面，從更高的維度通向仙女座星系。這或許只需十幾分鐘就可以到達(dá)數(shù)百萬光年外的仙女座星系。

而蟲洞的開口需要人為制造，這需要更高級(jí)的特殊材料，比如負(fù)能量。我們正在不遺余力的朝向蟲洞現(xiàn)實(shí)化的方向發(fā)展。

在另一個(gè)科學(xué)家的演講中我了解到更多額外維度和暗物質(zhì)的前沿信息。這位年輕的美女物理學(xué)家是麗薩·藍(lán)道爾（Lisa Randall?），是哈佛大學(xué)的終身物理學(xué)教授，更是粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的權(quán)威專家。

麗薩·藍(lán)道爾首先介紹了科幻作品中最受青睞的第五維度。在許多人眼中，我們就生活在三維空間外加第四維時(shí)間的四維時(shí)空中，對(duì)于額外維度的認(rèn)識(shí)往往很空乏，這或許是人類大腦想象力的不足導(dǎo)致的。一般人理解第四維度都很成問題，更何況是更高維度。

Lisa Randall

在這位美女科學(xué)家的演講中，他一直呼吁人們不要借助圖像理解高維度空間，這只會(huì)把人帶到誤區(qū)中，因?yàn)楦呔S度的構(gòu)造或許完全不是三維空間內(nèi)的規(guī)律可以類比演繹出來的。無數(shù)個(gè)點(diǎn)可以堆積成一條直線，這是一維空間；無數(shù)條線可以組成一個(gè)面，這是二維空間；無數(shù)個(gè)面可以疊加成立體，這是三維空間，而時(shí)間常常單獨(dú)作為第四維空間存在，這就是三維空間的類比演繹方式?；蛟S更高維度并不如同三維空間的那種演繹方式。就如同漢字中的“一、二、三、四…”，一是一條橫杠，二是兩條橫杠，三是三條橫杠。但是四卻不是四條橫杠.....

對(duì)額外維度的認(rèn)識(shí)最好借助數(shù)學(xué)和公式加以輔助理解，不要總是在二維平面作畫企圖直觀地理解更高維度，這是行不通的。

我們理解三維的東西并不能一次性觀察到，必須得多次進(jìn)行。你不可能一次就看到一個(gè)人的正臉，側(cè)面和后背，這就需要我們多次觀察。額外維度也具有這樣的性質(zhì)，我們需要多次觀察再整合起來才足以認(rèn)識(shí)更高維度的事物。我的四維時(shí)空或許是更高維度的全息投影。就相當(dāng)二維的影子是三維物體的投影。我們很難從一個(gè)人的影子來理解這個(gè)人的三維外形。同樣的道理，我們也很難理解更高維度的事物。

麗薩·藍(lán)道爾還強(qiáng)調(diào)，高維度沒有理由不存在，畢竟愛因斯坦的方程在任何數(shù)量的維度下都是適用的。高維度的世界類似于膜，當(dāng)然膜是弦理論的基礎(chǔ)。

麗薩·藍(lán)道爾一直強(qiáng)調(diào)自己講的未必是對(duì)的，畢竟這是最前沿的理論。

高維度膜可以解釋引力的特殊性

我們都知道自然界存在四大相互作用力，按照作用強(qiáng)度的大小依次排序?yàn)閺?qiáng)相互作用，電磁相互作用，弱相互作用以及引力。

我們知道，電磁力和引力是宏觀世界最普遍的力，但引力卻遠(yuǎn)比電磁力弱。或許你會(huì)說弱就弱唄，不足為奇。但科學(xué)家結(jié)合粒子物理學(xué)和場(chǎng)理論會(huì)發(fā)現(xiàn)情況有點(diǎn)蹊蹺。電磁力的傳播子有光子，引力作用很有可能是引力子導(dǎo)致（暫未發(fā)現(xiàn)），電磁力有電磁場(chǎng)，引力有引力場(chǎng)。為什么電磁力和引力都是通過場(chǎng)作用力，其或許都有傳播子（光子和引力子），那為什么引力強(qiáng)度遠(yuǎn)比電磁力弱，甚至在數(shù)量級(jí)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他三種作用力呢？

麗薩·藍(lán)道爾說，目前高維度的膜可以解釋這一問題。她進(jìn)一步闡釋到，我們的宇宙或許由兩種膜構(gòu)成的，一種是弱膜，一種是引力膜。引力膜和弱膜是以某種方式連接起來的，我們生活在弱膜中，而引力主要集中在引力膜中。倘若把我們?nèi)恳凭拥揭δぶ猩睿敲慈粘Ｉ钪械囊?qiáng)度就會(huì)指數(shù)級(jí)上漲。正是由于我們生活在弱膜中，引力才顯得不像電磁力那么強(qiáng)大。

高維度的膜勢(shì)必存在著該膜的運(yùn)動(dòng)粒子，我們管它們叫克魯扎-克萊因粒子（k-k粒子）。幸運(yùn)的是歐洲的大型粒子對(duì)撞機(jī)正在尋找這種粒子，如果K-K粒子存在的證據(jù)確鑿，那也就意味著高維度膜是存在的。我們就足以有信心用引力膜理論解釋我們所處的宇宙中引力之弱的問題。

麗薩·藍(lán)道爾也向公眾講述了有關(guān)驗(yàn)證暗物質(zhì)存在的最新證據(jù)

通常我們認(rèn)為暗物質(zhì)的存在是由于星系旋轉(zhuǎn)的向心力不足以維持星系的圓盤形狀。如果沒有外力作用，星系早已分崩離析。暗物質(zhì)正是這種外力產(chǎn)生的源泉，它們不會(huì)發(fā)出電磁波。但它們一定會(huì)參與引力作用，比如維持星系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，支撐宇宙的加速膨脹。如果沒有暗物質(zhì)，按照現(xiàn)有的理論，許多宇宙現(xiàn)象無法解釋。所以我們必須假定這一種物質(zhì)的存在。

暗物質(zhì)不參與電磁輻射，也就是不會(huì)發(fā)出可見光和其他形式的電磁波。幸虧它參與了引力，我們才能依靠引力現(xiàn)象間接了解它。

最近幾年來，子彈星系團(tuán)為我們提供了暗物質(zhì)存在的最新證據(jù)

兩個(gè)高速碰撞的星系組成了子彈星系團(tuán)，這也必然會(huì)導(dǎo)致其中的氣體分子炙熱起來，高溫的氣體分子會(huì)輻射出x射線，比如紅色的部分。但是藍(lán)色的部分并不輻射太多的x射線，這就證明藍(lán)色部分并沒有太多的天體。但是藍(lán)色部分卻有超乎尋常的引力透鏡效應(yīng)，也就是說經(jīng)過藍(lán)色區(qū)域的光線會(huì)由于引力的作用而變得明顯彎曲（引力透鏡）。

子彈星系團(tuán)

既然藍(lán)色部分并沒有太多的天體，為什么會(huì)表現(xiàn)出如此顯著的引力透鏡呢？唯一的答案：藍(lán)色區(qū)域充斥著大量的暗物質(zhì)，是它們的引力作用才導(dǎo)致了光線的異常彎曲。

我們現(xiàn)在比較確信的說：明物質(zhì)只占整個(gè)宇宙中的5%，暗物質(zhì)占了大約26%，其余則是暗能量。

暗物質(zhì)的存在也可以解釋：地球的五次生物大滅絕為什么是有周期性的

我們知道五次生物大滅絕的平均周期大約是6200萬年。而最近一次生物大滅絕是發(fā)生在6500萬年前的白堊紀(jì)末期，并直接導(dǎo)致恐龍的滅絕。

我們知道太陽系圍繞銀河系中心公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間大約是2.2億年，而銀河系星盤中不同區(qū)域的暗物質(zhì)分布并不一致，有的區(qū)域可能稠密，而有的區(qū)域可能稀疏。當(dāng)太陽系公轉(zhuǎn)到暗物質(zhì)稠密的地方時(shí)，會(huì)受到暗物質(zhì)的額外引力作用。

比如，地球上會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的潮汐力，繼而在生物圈中引發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)，導(dǎo)致生物大滅絕。

而我們知道太陽系中有小行星帶以及蘊(yùn)藏著無數(shù)個(gè)彗星的奧特云。有的小行星和彗星的運(yùn)動(dòng)軌跡并不固定，甚至受到“風(fēng)吹草動(dòng)”般的引力干擾就會(huì)脫離原有軌道而亂飛。

也許6500萬年前的那顆撞擊地球的小行星就是由于太陽系公轉(zhuǎn)到暗物質(zhì)密度大的區(qū)域時(shí)引發(fā)的小行星引力波動(dòng)，最終導(dǎo)致其脫離太陽的引力束縛而撞向地球。

正如麗薩·藍(lán)道爾自己說的那樣，她講的這些未必都是對(duì)的，但卻提供給人類一種新的理論理解宇宙和我們的世界。

已知圈越大，未知圈就越大，這正是一個(gè)科學(xué)家應(yīng)具備的謙卑態(tài)度。



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