虚弱的万有引力

深蓝色的畅想

我们怎么知道它们真实地存在呢？答案是：万有引力。

　　虚弱的万有引力

　　最近几年，一个原本被认为荒谬的假说逐渐成为最热门的物理学理论。美国加州大学伯克利分校的阿卡尼•海门德和他的同事一起建立了这个理论(很遗憾，这个理论还缺少一个吸引眼球的名字)，用来解释为什么粒子物理学的经典模型能够统一几乎所有的力，却独独除了万有引力。

　　万有引力与电磁力、核力的重大差别是力的大小。虽然日常生活中，我们感觉万有引力很强大，如果我们从高处自由下落，我们会摔伤。其实，同电磁力比起来，万有引力小得可怜。全部地球的质量产生的引力作用在一根针上，才让这根针在桌子上安静地躺着，可是我们只需要拿一小块磁铁从上方靠近针，就能将它轻松吸起。

　　正是由于万有引力太微弱，因此很难研究它与其他几种基本力的关系。在一些巨型的高能粒子对撞机上，人们通过实验已经证实，电磁力和核力其实是一种更基本的力的不同方面。可是，通过理论计算人们发现，要想在对撞机实验中检验万有引力是否也属于更基本的力，需要的能量大得惊人，恐怕自从宇宙大爆炸以来还从来没有出现过那么高的能量。

　　穿越不同宇宙的引力

　　因此，阿卡尼•海门德建议我们，换个思路来考虑一下吧！万有引力是否真的如表现出的那样微弱，还是它和其他力一样强大呢？是否万有引力与电磁力和核力不同，它并非我们这个三维空间加一维时间的世界的产物？如果万有引力是其它更高维世界中的“孩子”，我们就只能感受到这个力的一部分影响，万有引力比其他力微弱也就能够理解了。

　　利用数学，人们可以很轻松地描述多维空间，不过我们人类的大脑却无法想像超过三维的世界，因为我们的眼睛每时每刻输入的图像信号使我们的脑子“僵化”了。不过，想像低维空间倒是满轻松的，比如一根直线构成的一维世界。因此，让我们用一维世界的场景来打个比方。

　　光量子是负载着电磁力的量子微粒，假设它可以在我们想像的一维世界中运动，它只能向前或向后运动，因此完全束缚在这个世界里。在这个世界周围，也许还有其他的一维直线构成的相似世界，可是，由于光量子无法侧向移动，也就无法跳出一维世界，因此它“看”不到周围的那些一维世界，也感受不到另一个世界的影响。除非它成为有办法进入二维的平面世界，它才能“看”到另外的世界，然后在自己的那个世界的报纸上宣布：“我发现了一个新的宇宙！”但是很遗憾，光量子的性质决定了它不能超越自己的宇宙。

　　再来看看引力子在一维世界中的情形，它被假设成负载着万有引力的量子微粒。光量子无法逃离自己所处的世界，但是引力子却可以！理论上，引力子的作用可以超出它自己的宇宙，去影响旁边的宇宙，让其他宇宙也感觉到引力的存在。这是引力的特性所决定的。

　　现在回到我们的宇宙，三维空间加一维时间的世界里，从道理上说，我们不仅能感受到我们自己宇宙中的引力，我们还有可能受到其他维度的宇宙中的引力的影响，虽然那些宇宙我们无法直接看到，但是它们的引力完全能够影响我们的世界。

　　高维宇宙中的万有引力

　　如果万有引力是从高维宇宙中“泄露”出来的，那么在我们的宇宙中，它的性质与其他基本力不一样，也就很容易理解了。

　　根据通常的说法，1665年牛顿从
苹果落地现象中受到启发，产生了万有引力的概念，用来描述不同物体之间的吸引力。科学家长期以来认为万有引力是基本的力，而且性质不会变化。

　　不过，阿卡尼•海门德现在开始提问了：“我们有什么理由认为万有引力是基本的、性质没有变化的力呢？要测量万有引力，物体之间的距离不能低于毫米级，否则就太微弱了。难道万有引力不会和其他力一样，在很小的距离中也是很强大的吗？虽然我们目前还无法测量，但不能排除这个可能。”

　　“我们测量的微观世界的物体质量越小，彼此之间距离越短，电磁力的效果就越大，完全掩盖了万有引力的作用。其实，没有人知道在非常短的距离上，万有引力到底是如何运作的。”阿卡尼•海门德觉得，人们过去对万有引力的描述至少在微观距离上是没有证据支持的。

　　我们知道，在三维空间的世界里，万有引力遵循平方反比律：两个物体之间的距离减半，它们之间的引力就增加到原来的4倍；距离减少到原来的1/3，引力就增加到原来的9倍。然而，在理论上的一个四维空间中，万有引力将遵循立方反比律，每增加一个维度，遵循反比律的力也增加。

　　因此，在高维世界中，万有引力可能是很强大的，而且完全可以和电磁力、核力统一起来。只是当它“泄露”了一部分给我们的低维宇宙时，力量变弱了。

　　卷曲的维度

　　那些产生了影响我们的引力的高维宇宙在哪里呢？它们远在天边吗？从理论上讲，十分有趣，它们就在我们的身边，甚至就在我们的指尖上！

　　在我们习惯的三维世界中，三个空间维度能够无限延展。可是，在高维宇宙中，增加的维度将不得不被限制在一定的狭小空间中，让我们无法观察到。

　　还是让我们以一维宇宙来做个比方吧。回忆一下那个设想中的一维世界，世界的成员只能向前或者向后运动。不过，如果一维宇宙旁边有只微型苍蝇，它就可能会看到第二维，它也许会发现，那个一维世界其实是一根电线，苍蝇可以顺着电线截面的周长爬一圈，回到出发点，电线截面的周长就是一个新增加的维度。这只落在电线上的苍蝇属于二维世界，它可以顺着电线的延伸方向做前后运动，也可以绕着电线做圆周运动，只是这第二维非常小，是卷曲的，必须距离很近，才能看到。而对于一维宇宙的成员来说，他们无法看到那多出来的一维。我们自己的宇宙也许与这个设想图类似，也存在许多卷曲的维度，只是我们难以发现。幸好引力的奇特性质向我们泄露了高维的秘密。

　　如果人们想通过高能粒子对撞机研究万有引力的性质，可能会制造出比我们的世界多两个维度的空间，这样的高维空间会很小，比1毫米直径还要小许多，只有在这样的条件下，万有引力的效果才容易被观测到。最近，已经有相关的实验来测量短距离尺度的万有引力常数。虽然数值并没有显著的增加，但是新测量的万有引力常数确实和我们过去使用的数值有出入。如果实验能够研究的空间尺度更小，也许将证明阿卡尼•海门德的新理论。这其实也说明，“泄露”出引力的高维宇宙如果存在，尺度是非常微小的。