酷玩实验室作品
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我相信，只要看过《三体3：死神永生》的人，都会被作家刘慈欣在小说中描述的一种外星武器震惊不已。
那是一张看似完全无害，好像一碰就会碎掉的小纸片。
然而，就是这张轻薄的“纸”，将整个太阳系“压扁”成了一幅画！这张纸的名字叫二向箔，它的攻击手段被称为“降维打击”。
作为中国科幻界几乎唯一的顶流存在，《三体》的火爆将“降维打击”这个词推上了流行文化的风口浪尖。“降维打击”完全是一个由科幻点子生出的新造词，但它的生命力与热度持久得令人吃惊，俨然已经成为了与“降龙十八掌”、“葵花宝典”等金庸武侠神功具有同等传播效果的文化符号。今天，我们就来看看，这个根植于现代物理学维度概念的神奇武器背后，有着怎样的硬核支撑；才气逼人的网友在各种动图中造出的二向箔，又得需要多高的科技水平才有可能实现。两千多年前，古希腊哲学家亚里士多德在他描述自己宇宙观的文章《在天堂》（On the Heavens）中写了这样一句话：“a solid has magnitude in three ways and beyond these there is no other magnitude because the three are all。”
简译成中文的意思就是“物体有且只有三个维度”。这里的“三个维度”，不过就是“长、宽、高”罢了。世界是三维的。这个结论是如此自然、如此明显、如此契合日常认知。没有人会怀疑它、反驳它，因为它不是科学真理，而是最明白不过的现实。1905年，爱因斯坦在论文《关于运动物体的电动力学》（On the Electrodynamics of Moving Bodies）中首次提出了描述物体在高速运动时的物理规律的理论——狭义相对论。卫星在地球轨道上的飞行速度约为14000公里每小时，相当于光速（30万公里/秒）的0.0013%。0.0013%看起来可以忽略，但此时相对论的效应已经突显。根据计算，卫星上的时间流逝每天会比地球慢7微秒（10^-6s）。7微秒听起来真的很短，毕竟眨个眼还得0.02秒呢。但它的意义并不在于大小，而在于揭示了一个重要的事实，原来在不同的参考系下，时间的流逝速度可以是不同的！当你从乘坐的公交车上下来后，开走的车会离你越来越远。运动在你和公交车之间产生空间距离，但你不会发觉的是，运动也会导致你和公交车上的人之间产生时间差别。从你的角度看，他们在公交车上待得越久，相比于走在路上的你老得越慢。虽然由于公交车的速度远小于光速，它所带来的时间差完全可以忽略不计。但这个事实的存在在一定程度上意味着时间和空间具有同等的地位，因为它们的变化都与运动有关，而这种关联可以被一种理论统一描述，那就是狭义相对论。在相对论诞生后，时间、空间的概念被“时空”这一个词容纳取代。科学理论对人类认知的推动是巨大的。自此之后，科学家认为万事万物运转的舞台不再是单纯的三维空间，而是包括时间在内的四维时空——闵可夫斯基空间。这个名字来源于奥地利数学家闵可夫斯基，他是爱因斯坦在瑞士苏黎世联邦理工大学的数学老师。正是他提出了狭义相对论的几何解释，将只能单向流逝的一维时间和三维空间融合成一个四维连续体。1908年，闵可夫斯基在第80届德国自然科学家和医师大会上进行了一次名为《空间和时间》的演讲，他在开头时说：“从此以后，空间本身和时间本身都注定要消逝为纯粹的影子，只有两者的某种结合才能保持独立的现实。”如果说狭义相对论是首轮革命的话，物理学界很快就会迎来第二轮革命。1915年，爱因斯坦就又提出了一个比狭义相对论更具普适性的理论——广义相对论。在该理论中，时空不仅是个舞台，它还参与到了演出本身。这是一场人类对宇宙认知的革命，因为时空竟然和相互作用力产生了联系！广义相对论容纳了狭义相对论，并进一步发展了牛顿万有引力定律，将引力描述为四维时空的几何属性。在该理论中，引力本质上是时空的曲率。越重的天体将时空弯曲得越很，也就等同于引力越大。那些在该天体附近的物体或小行星受到的引力，在视觉效果上就是向凹陷的区域滑落。广义相对论是关于宇宙时空运转规律的高深理论，但它却给出了一种最为清晰的物理图像——引力就是凹陷的时空。如此直观，即便是普通人也能理解苹果为什么会落到地上，月亮为甚会绕着地球转，而地球又为什么会绕着太阳转。自成一派的广义相对论经常被认为是最美妙的科学理论，但一个理论的正确与否只能有一个裁决者，那就是实验。恰好，广义相对论预言了很多可以通过实验检验的东西，其中最令人匪夷所思的就是黑洞。黑洞并不是一个黑色的洞，它是宇宙中的一种密度极大的天体，是大质量恒星的最终状态。黑洞的存在使四维时空在它周围闭合（曲率无限大），引力大到连光都逃不出去。在外界开来，黑洞不发光，也不反射光。没有任何物质能从它的附近逃脱，因此漆黑一片，就连时间也停止了！科幻大片《星际穿越》里，男女主角来到一个大质量星球（密度远不如黑洞）一小时，留在飞船上的科学家却度过了漫长的十几年，这正是由于时空曲率所导致的时间流逝速度的巨大差异。人类一直在研究和寻找黑洞，直到2019年，由全球射电望远镜网络组成的事件视界望远镜（EHT）阵列公布了人类拍摄到的首张黑洞照片。它位于M87星系中心，距离太阳系约5500万光年。
而这距离广义相对论的提出以及黑洞存在的预言已经过去了一百余年。自诞生之日起，广义相对论经受住了一次又一次的实验检验。它无疑是正确的，在宇宙宏观尺度上，它甚至可以用完美来形容。但这并不能让爱因斯坦满足，因为在他看来，广义相对论只是描述了引力而已，但这个宇宙的运转可不单单是靠引力推动的。现代物理学认为自然界有四种基本相互作用力，分别是引力、电磁力、强力、弱力。引力支配着天体运行，电磁力穿梭在一切带电粒子之中；强力让原子核得以形成，弱力使元素衰变得以发生。正是这四种力，将宇宙塑造成了今天这个样子，使人类有智慧去思考它背后的秘密。不过，在爱因斯坦提出广义相对论之时，人们真正认识的力只有两种，引力和电磁力。1687年，牛顿提出了用数学语言描述的万有引力定律。虽然在今天看来，这个理论并不精确，它只是广义相对论的近似理论，但却意味着人类智慧首次触及到了宇宙星空的奥秘。近半个世纪后的1820年，丹麦物理学家奥斯特（Hans Christian Ørsted）发现电流对磁铁产生了力的作用；1831年，法拉第（Michael Faraday）发现变化的磁场可以产生电流。人类第一次意识到电和磁可能有着千丝万缕的联系。1864年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）发表了一篇关于电磁场动力学的论文，首次将电和磁作为同一种客体——电磁场，进行描述。描述它的理论是麦克斯韦方程组，被认为是物理学的首个“统一场论”。爱因斯坦继承发扬了牛顿和麦克斯韦的科学理论，他从麦克斯韦理论中的光速不变性出发，建立了狭义相对论；而在把“狭义”推广到“广义”后，终于完成了对牛顿引力理论的彻底革新。自此以后，一个执念开始在他心里生根发芽，并几乎支配了他后半生的研究轨迹。那就是把两种看似八竿子打不着的东西——电磁力和引力，统一在一起，创建一个广义引力理论。事实上，不单是爱因斯坦，同时代的其他数学家、物理学家也有同样的想法。例如德国数学家外尔（Hermann Weyl）从数学角度出发，推广作为广义相对论基础的黎曼几何学，希望将电磁理论纳入到广义相对论中。然而，外尔的理论十分复杂。虽然它在数学上是合理的，但最终被发现在物理上是不可行的。1919年4月，另一个德国数学家卡鲁扎发现，当引入第五个维度来求解广义相对论方程时，描述电磁场的麦克斯韦方程组竟然自己出现了！爱因斯坦对这个发现十分感兴趣，因为这意味着在五维时空下，电磁力和引力是统一的，它们只是同一种力在降维（从五维到四维）后的不同表现形式。在卡鲁扎的方案中，时空由四个空间维度和一个时间维度组成。这是一种无法用固有思维去想象或画出来的五维圆柱体，整个时空便处在这个圆柱体中。不得不说，这是一种极具突破性的思想，因为这完全超越常识（日常经验），将理论时空观拓展到了更高的维度。你无法用直觉想象，只能从那一行行的数学语言（公式）中去体会其中的奥秘。然而，面对这样一个大胆的想法，除了爱因斯坦等少数几人，同期的物理学界并没有表现出很大的热情。除了因为他们无法理解时空为什么会有五个维度外，还在于当时的他们都在研究一种很新的东西——量子力学。量子力学和爱因斯坦的相对论算是同时代的产物，但二者的发展脉络却有极大的不同。在一定程度上，可以认为相对论是由爱因斯坦单枪匹马建立起来的关于宇宙大尺度规律的成熟的理论（当然，在此过程中也少不了其他科学家的功劳）。所谓一出场即巅峰！量子力学则是一大批人花费了几十年的时间搭建起来的，关于微观世界的直到目前仍不成熟的理论。而且最重要的是，爱因斯坦并不认可当时的量子力学。虽然爱因斯坦有很多“信徒”，但量子力学的迅猛发展必然也会引起追寻爱因斯坦的人的重视。1926年，瑞典物理学家克莱因（Oskar Klein）对卡鲁扎的五维理论进行了量子解释，试图将相对论和量子理论进行融合。为此，他假设新引入的第五个维度卷曲成了特别小的、量子尺度的圆圈。无法直接感受到它的存在，从而导致五维的圆柱体时空成了四维时空的样子。为了方便理解，可以类比想象将一张纸（二维）紧紧卷成一个直径很小的圆柱体——从远处看，你根本不会注意到它是一个圆柱体，它看起来就像一条线（一维）。这个第五维圆圈有多小呢？克莱因估计其半径只有为10^-30厘米的量级，是质子直径的10^19分之一。比物理学上最小的空间尺度单位——普朗克长度（1.6×10^-33厘米），大不了多少。卡鲁扎和克莱因的尝试后来被称为卡鲁扎-克莱因理论。不过，物理学是一门实验科学。由于无法被实验证实或证伪，即使有爱因斯坦的站台和支持，同时代的绝大多数科学家也不会将精力投入到这样一个纯理论模型中。如今看来，卡鲁扎-克莱因理论具有极其深远的影响，它为后世的物理学家探索“大统一理论”指明了方向——升维。可就像卡鲁扎的生平很少被人关注一样，“增加时空维度”这样一个革命性的思想同样被除了爱因斯坦等少数几人外的主流物理学家们束之高阁。直到在刘慈欣的脑海中注入“宇宙是十一维”的那个理论出现前二十年，卡鲁扎的思想才又被人们重新拾起，但那已是后话。因为另一套堪比相对论的伟大理论将在未来的半个世纪内，拔地而起！1928年，以英国物理学家狄拉克命名的狄拉克方程横空出世，它划时代地融合了量子力学和狭义相对论，从量子场的角度成功描述了所有自旋为1/2的基本粒子（如电子）。这类粒子也被成为费米子（自旋为半整数1/2、3/2……），正是它们组成了宇宙万物。1930年代之后，在以波尔、海森堡、薛定谔、狄拉克等人为首的量子物理学家的研究推动下，量子力学已经发展到了一个全新的的阶段，并得到了学界的广泛认可。（左起波尔、海森堡、泡利、狄拉克、海森堡、薛定谔）在这种情况下，致力于在经典（非量子）框架下统一引力和电磁力的科学家越来越少，连五维时空的提出者卡鲁扎都已经“弃物（理）从数（学）”，爱因斯坦变得越来越孤立。当时，整个物理学正在被“量子”的春风重新塑造，而狄拉克的成果让人们意识到：原来微观世界的量子力学是可以和宏观世界的经典理论融合统一的。于是，如何将以往的理论进行“量子化”改造，成了摆在物理学家面前的更紧迫的课题。这时，在宏观情况下极致成熟的、描述电磁场的经典电动力学（麦克斯韦理论），自然就成了首个目标。同样还是狄拉克迈出了第一步。为了将电磁场量子化，他将其描述为一系列“谐振子”的集合，并引入了粒子的产生和湮灭的概念。而后，一批又一批的物理学家前赴后继。1940年代末期，费曼（Richard Feynman）、施温格（Julian Schwinger）、朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）各自在自己的工作中，成功将经典的电动力学量子化，构建了量子场论的首个分支——量子电动力学QED。
QED是经典电动力学的相对论性量子场论。从本质上讲，它描述了光与物质（带电粒子）如何相互作用，是第一个实现量子力学与狭义相对论完全融合的理论。而在发展QED的过程中，科学家逐渐意识到，原来宇宙中不仅只有引力和电磁力，还有另外两种仅在微观世界起作用的力——弱力和强力。弱力真的很弱，其相对强度只相当于电磁力的千分之一。但强度弱并不意味着威力弱，不信你看广岛、长崎、切尔诺贝利。无论是核爆还是核泄漏，其最大的恐怖之处在于放射性辐射，放射性辐射对人类及其他生物的危害自不必说，而其破坏性的根源正来自于弱力。1896年，物理学家贝克勒尔和玛丽居里发现，和天然铀盐矿石放在一起的相机底片在阴暗环境下竟然发生了曝光。这是人类首次发现放射性衰变现象，也就是俗称的辐射。后来，英国物理学家卢瑟福和他的学生发现，有些衰变会导致一种元素转变为另一种元素，意味着衰变产生的射线竟然出自原子核内部！经过紧锣密鼓地研究，科学家发现衰变产生的射线主要有三种类型，分别是α、β、γ射线，本质上分别是带正电的氦原子核、带负电的电子、不带电的光子。随之而来的问题是：这些粒子为什么会从原子核内射出？什么力量造成了这种现象？1933年，意大利物理学家费米（Enrico Fermi）提出了尝试解答这些问题的首个理论——四费米子相互作用，或称费米相互作用理论。该理论在一定程度上解释了β射线产生的原因，但遗憾的是，它并不是问题的真正答案。幸好，QED的成功起到了模范和引导作用，在发展弱力理论的过程中，人们“照猫画虎”地沿着量子场论的框架推进。但即便是这样，为了那个答案，科学家一找又是三十年。1959年，格拉肖（Sheldon Glashow）、萨拉姆（Abdus Salam）和沃德（John Clive Ward）提出了电磁力和弱力相互融合的理论架构，弱力的秘密呼之欲出。除了一个棘手的根本性问题：不同于传递电磁力的0质量光子，传递弱力的W、Z玻色子需要有质量，但格拉肖等人的理论无法满足这一要求！倘若这个问题无法被解决，无论多么精彩的理论也无法自圆其说，最终仍将改变不了被扔进垃圾桶的命运。几乎在同时段的50年代末、60年代初，以英国物理学家希格斯为首的多名物理学家提出了为基本粒子赋予质量的希格斯机制。这个机制是如此的巧妙与神奇，人们甚至为它背后的粒子赋予了上帝粒子的称号！随后的1967年，美国物理学家温伯格（Steven Weinberg）巧妙地利用希格斯机制解决了理论中W、Z玻色子的质量起源问题，使融合电磁力和弱力的理论——电弱统一理论EWT，彻底完成。自此，弱力的奥秘不仅被完全解开，描述它的理论更是从不同的方向继承了爱因斯坦的遗志（统一电磁力和引力）：在四维时空下统一了电磁力和弱力！电弱统一理论表明，电磁力和弱力本质上是同一种力，在246GeV的电弱能量标度以上，它们会合二为一。从人类的角度来看，246GeV实在是太小了，大约只相当于10^-14度电的能量。但从微观粒子的角度看，那就不一般了！想要达到这种能量，它们的速度已经和宇宙中的最高速度——光速，相差无几。但话说回来，宇宙已经膨胀了百亿年，整个环境中的背景能量很低，这两种力如今已经“退化”成看起来八竿子打不着的样子。1950年代，随着气泡室和火花室的发明，实验粒子物理学发现了大量且数量不断增加的粒子，也就是后来所说的强子（包括介子和重子）。为了将这些粒子分类并找出它们背后的规律，物理学家提出了多种模型。其中美国物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）在1964年提出的夸克模型脱颖而出并被实验验证，成为了当代物理学大厦的重要基石之一。在该模型中，夸克是组成强子的最基本的粒子。它共有三代六味（flavor，就是种类的意思），分别是上（u）、下（d）；粲（c）、奇（s）；顶（t）、底（b）夸克。介子是由一个夸克和一个反夸克组成的短寿命不稳定粒子。重子是由三个夸克组成的“正常稳定的日常物质”，例如原子核内的质子和中子。其中质子由2个上夸克，一个1夸克组成；中子则由1个上夸克，2个下夸克组成。夸克之所以能结合在一起，就是由于强力的作用。强力是四种基本力中最强的，其相对强度是电磁力的100倍，弱力的十万倍。而且，由于强力太强了，以至于它在使夸克结合后的剩余相互作用还能将（多个）质子和（多个）中子呆在一起，形成原子核。事实上，在1970年代强力被提出之前，物理学家根本不知道原子核是如何结合在一起的。1971年，为了解释实验得到的统计数据（SLAC关于电子和原子核的深度非弹性散射实验），盖尔曼和德国物理学家弗里奇（Harald Fritzsch）类比电荷，引入了“色荷”的概念。夸克不仅带电，还带色。类似于带电荷的粒子会受到电磁力（场）的作用，带色荷的粒子会受到强力的作用。事实证明，色荷的引入是成功的。理论与实验结果完美匹配。1973年，盖尔曼和弗里奇将描述强力的理论命名为量子色动力学QCD。至此，宇宙中四种基本相互作用力中的三种（电磁、弱、强），都已经有了量子化的理论描述（QED、EWT、QCD）。这些理论同为基本粒子赋予质量的希格斯机制一道，组成了人类历史上最伟大的理论成就——粒子物理标准模型（Standard Model）。引力太微弱了，微弱到只是弱力的1/10^33，强力的1/10^38！它是人类最早认识并给出理论描述的力，如今却反而成了人类最难以理解的力。爱因斯坦早在一百多年前就给出了引力在宏观层面的作用理论——广义相对论。但它就像它的缔造者一样，一直将量子理论拒于千里之外。广义相对论和量子力学不相容。没有人知道为什么。一百多年过去了，依然不知道。无法给出量子化的引力理论，就意味着无法将引力同其他三种力纳入同一个框架下进行描述，也就无法完成爱因斯坦追逐半生的梦——统一所有力。受时代认识所限的爱因斯坦不知道弱力和强力的存在，且一直不接受如今已被大量实验验证的量子理论，这意味着他在经典层面统一引力和电磁力的努力是片面的，也注定是徒劳的。1960年代，电磁力和弱力在更高的能量尺度下完成统一。这距离爱因斯坦的“统一大梦”已经过去了四十年，而他本人也已在1955年去世。1970年代，量子色动力学的提出标志着物理学家们群力完成了粒子物理标准模型，这足以证明人类智慧的无限可能。而这群最聪明的人，终于把目光再次放到了引力身上。20世纪70年代中期，一些物理学家突然发现，原来在半个世纪前，就有个叫卡鲁扎的人提出了5维时空的引力理论！如此天才般的想法给今人带来了极大的启发。是啊！四维时空下是无法将引力量子化，但谁说时空一定只有4维啊！很快，一种将爱因斯坦的广义相对论和超对称结合的高维理论——超引力理论，被物理学家提了出来。广义相对论描述了我们眼中的四维时空，但它本身并没有对时空的可能维度做限制，即我们可以为任意维度的引力场写出相同的方程。但奇怪的是，物理学家导出的超引力理论却对时空维数做出了限制，最大应该是11维。有限制并不是坏事，这意味着物理学家们可以不用想无头苍蝇般随意假设时空维数。如今，只关注11维就够了。物理学家希望找到合适的模型将11维超引力压缩，从而构建出现实的四维时空，并顺便将宇宙中的四种基本力统一。但事与愿违。随着研究的推进，超引力理论的问题和缺陷逐步出现（例如不能容纳现实中的费米子），人们对11维超引力的兴趣终于还是消散了。直到近二十年后，另一个男人将11维时空彻底推上了“神坛 ”，不过起源还要从1969年讲起。那时的人们还没有完全认识强力，量子色动力学更是还未被提出。为了在未来的物理学史中占有一席之地，很多物理学家提出了描述强力的各种各样的理论。其中就包括南部阳一郎（Yoichiro Nambu）、尼尔森（Holger Bech Nielsen）、苏士侃（Leonard Susskind）提出的将核力表示为振动的一维弦的模型。然而，这种基于弦的假设做出了许多直接与实验结果相矛盾的预测。随着1973 年量子色动力学成为万众瞩目的焦点后，“弦”自然失去了强力理论候选者的地位。1974 年，三名物理学家（John H. Schwarz、Joël Scherk、Tamiaki Yoneya）发现，具有某类振动模式的弦与引力子的特性完全匹配！后者类似于传播电磁力的光子、传播弱力的W、Z玻色子，是物理学家提出的传播引力的假想粒子。这一发现让沉睡在主流物理学界数十年之久的目标重新被唤起——将引力量子化，这也是超引力在70年代中期成为研究热潮的直接原因。一小撮人开始研究弦理论，并提出了很多种模型。在早期的模型中，弦有两种，分别是开弦和闭弦。前者有两个不同的端点，可以简单理解为一根线；后者则没有端点，可以简单理解为一个环。在最早的弦论中，时空有26维。如果说刘慈欣笔下的11维还能有人胡乱想象一下的话，这个26维对人类的大脑来说就彻底是一团浆糊了。因为那时的理论存在很多问题，其中就包括一类超光速粒子的存在——快子。爱因斯坦的相对论明确将光速定为了宇宙最快速度，你超光速？老祖宗不答应啊！除此以外，弦论中只会产生玻色子，没有费米子。这不仅和现实不符，经历了重重考验的粒子物理标准模型也不会答应。还有一个最重要的问题，使一时被人们寄予有希望成为量子引力理论的弦论再次成了整个理论物理学界的边缘领域，那就是无穷大。所谓无穷大，指的是理论中会出现类似于一个数除以0的项，这种无意义的结果被称为量子异常。当然啦，物理学家不怕理论出错，因为他们总能找到办法去修改理论。1977年，通过数学处理，人们找到了将理论中的玻色子转换出费米子的方法（超对称），而且还避免了快子的出现。如此自洽的结果标志着一个更高级的理论——超弦，诞生了。而关于无穷大难题的转折点则出现在1984年。那年，美国物理学家格林（Michael Boris Green）和施瓦茨（John Henry Schwarz）发表了一篇具有里程碑意义的论文。他们提出的Green-Schwarz机制可以将无穷大彻底抵消，量子异常现象消失啦！一轮研究热潮在物理学界出现。1984——1994年间，数以百计的物理学家开始研究超弦理论，认为它是统一包括引力在内的所有基本相互作用力，建立真正的统一理论的最有前途的方向。超弦理论描述了比基本粒子更基本的弦如何在时空中移动。通过将量子力学的思想应用于弦，可以推断出弦的不同振动模式。在那期间，人们惊喜地发现：粒子物理标准模型中所有的（六十多个）基本粒子都可以由振动的弦产生。弦的不同振动状态产生不同种类的粒子。每个粒子的质量，以及它相互作用的方式，同样由弦振动的方式决定。第一次超弦革命期间，共有五种独立的超弦理论（I 型、 II 型（IIA、IIB）和杂化型（SO(32)、E_8 × E_8））被提出。成果着实丰富，但换个角度来看，理论多并非是好事。因为万物之理（Theory of Everything）只能有一个，那么多候选者意味着那个真正支配着整个宇宙的理论还没有被发现，或者说还没被确定。不过很快，一个几乎支配整个超弦领域未来发展的大触，登场啦。爱德华威腾（Edward Witten），美国物理学家。历史学学士，做了近一年政治新闻媒体工作后，转行研究物理。1995年，威腾在南加州大学举行的弦论会议上报告了一个惊人的发现：五种不同的10维超弦理论可能都属于一个11维的理论，威腾称之为M理论。1996年，威腾和他人合作，阐明了这个还未完全成型的M理论的数学结构，同时期引发的新一轮研究热潮被称为第二次超弦革命。一些物理学家猜测M理论是关于“膜”的理论。弦理论用一维的弦替换零维的点粒子扩展了粒子物理学。如今，一维的弦又被二维或更高维度的膜所取代。不过，威腾表示：“我之所以称之为M理论，就是因为它是不明确的。在对其全貌没有理解的情况下，任何人可以根据自己的喜好将它解读为“魔法”（magic）、“神秘”（mystery）或“膜”（membrane）。“M”的真正含义，就留给后人去解答吧……”M理论有11个时空维度，但为什么我们只能感知到四维时空？为了合理地回答这个问题，并使理论和现实相恰，物理学家们沿用了当年卡鲁扎-克莱因理论，的处理方案，那就是将除了四维时空外的其余七个维度蜷缩起来。从纯理论的角度来看，M理论无疑是成功的。它整合了超弦理论，并将二十年前的11维超引力召回，让人们相信它极有可能就是期待已久的量子引力理论，甚至是统一四种基本力的万物之理。但同时，它又是个令物理学家不知所措的理论，因为它和卡鲁扎-克莱因理论类似，无法给出可被实验验证的理论预言。物理学是一门实验科学，没有实验检验，看起来多么厉害的理论也只能算得上数学游戏。事实上，M理论和超弦理论发展到现在，其所需的数学工具之复杂深奥远非一般的物理学家所能掌握，这也导致研究它的人大多是数学家的原因。而威腾本人更是世界上首位获得菲尔兹奖章（数学家的诺贝尔奖）的物理学家。大卫格罗斯、威腾（中）、霍金在印度孟买的弦论会议（2001年）不过话说回来，倘若M理论得到了实验证实，威腾将成为比肩牛顿、爱因斯坦的新一代物理学之神。但想要将人送上神的宝座，就远不是一个几十公里长的对撞机能完成的任务了！无论是一百多年前的广义相对论，还是之后的粒子物理标准模型，它们之所以能进入教科书，成为理论物理学研究生的基础课程，完全是因为它们已经通过了实验的考验。1915年，爱因斯坦发表的广义相对论预测太阳边缘的星光会受到引力的作用偏转1.75弧秒。为了验证这个结果，1919年，英国天文学家爱丁顿（Arthur Eddington）和戴森（Frank Watson Dyson）分别率队前往西非的普林西比岛和巴西的索布拉尔镇，观测5月29日的日全食并测量星光的偏转。探测结果我不说大家应该也能猜到，爱因斯坦“一战封神”。广义相对论取代牛顿万有引力，成了最精确的引力理论。除了星光偏转，广义相对论同样预言了黑洞和引力波的存在。而物理理论的威力在于，无论被预言的东西藏得有多深，终归逃不了被实验发现的命运。2016年2月，8年时间建设（1994——2002），5年时间大修（2010——2015），投资总额达6.2亿美元的美国激光干涉仪引力波天文台LIGO发表了一篇论文，正式宣布发现了一百年预言的引力波。该信号来自于两个约30个太阳质量的黑洞合并，距地球约13亿光年。对于粒子物理标准模型来说，想要验证它，必须要用到另一种资巨大的装置——对撞机。自粒子物理成为一个专门的领域以来，为了研究它，人类历史上共建设了30多台对撞机。从最初周长只有3米的正负电子对撞机AdA（意大利；1961—1964），到如今27公里长的大型强子对撞机LHC（欧洲主导，全球合作；2010—今）。实验和理论相辅相成，共同塑造了标准模型这一伟大的科学成就。1974年11月，美国斯坦福直线加速器中心 (SLAC) 的直线对撞机（长3.2公里）发现了由正反粲夸克组成的J /ψ介子。它的发现被称为粒子物理学的“十一月革命”，标志着对标准模型展开实验验证的开端。1979年，德国的PETRA对撞机（周长2.3公里）发现了传播强力的中间玻色子——胶子，有力地支撑了QCD的正确性。1983年，欧洲核子研究中心CERN的超级质子同步加速器SPS（周长6.9公里）发现了传播弱力的中间玻色子——W/Z粒子，电弱统一理论验证完成。1995年，美国的Tevatron对撞机（周长6.28公里）宣布发现了顶夸克，标志着标准模型只剩下最后一个粒子还未出现，那就是上帝粒子——希格斯粒子。2013年，建设周期长达10年，耗资超百亿美元的LHC（周长27公里）宣布发现了理论预言的希格斯粒子，标准模型得以圆满。物理学的最高追求早在一百多年前就被爱因斯坦指定，那就是“统一”。这不仅是人类政治、军事上的目标，同样也是科学家孜孜探索的圣杯。宇宙从一个奇点（理论假设）爆炸膨胀，进而形成了我们生活的世界，头顶的星空，而所有故事的发展脉络都遵循着唯一一个设定，那就是统一支配所有力的万物之理。它让宇宙成了今天这个样子，让地球上产生了人这个物种，去思考宇宙背后的规律。以及，《三体》里神话般的武器。·什么力量或机制导致了那些额外维度的消失（蜷缩）？·我们能利用这种机制吗？如果可以的话需要满足什么条件？只有当这些问题都是肯定后明确的答案后，我们才能像追求可控核聚变那样，去开发支配整个宇宙时空的能力。但遗憾的是，我们对完成这项事业没有预期，因为我们根本没有能力去开展实验来探索这些问题！以被物理学家寄予万物之理候选者厚望的超弦或是M理论为例，理论中的“弦”或“膜”非常非常小，比基本粒子还要小的多得多。物理学中存在一个被称为“普朗克尺度”的概念，它是可被测量的最短距离，因为任何更高能量的对撞都不会再将物质分裂成更小的碎片，反而只会产生吞噬一切的量子黑洞。从物理上来说，比普朗克长度更短的长度是没有意义的，时空也不复存在。而弦（膜）的特征长度正是在普朗克长度的数量级，大约是10^-35米。与之相比，半径约为8.3×10^-16米的质子完全就是庞然巨物！这近20个数量级的尺寸差距，比细胞（10^-5米）和地球（10^7米）之间的对比还要强烈的多。弦（膜）那么小，我们怎么才能看到它们？还沿用老套路用对撞机吗？原理上可以，但实际上是天方夜谭。因为想要“探测”到如此小的物理时空，地球空间的尺度已经不能满足将基本粒子撞碎的能量需求。即便对撞机能绕地球赤道建一圈，也无法触碰到普朗克尺度的分毫。或许环太阳系、环银河系对撞机才能告诉我们万物之理真正的答案，但如果人类有能力建设这种尺度的对撞机，或许早就解开了万物之理的秘密。到那时，有能力扔下二向箔的或许不是外星文明，我们的出现才是真正的“降维打击”。话说回来，由于无法验证超弦/M理论的物理正确性，很少有人将重心放到对它们的研究上。据统计，全世界只有三四千人研究涉及过这个领域，而专门研究它的更是少之又少。高维时空是个纯理论的假设，这类概念能被普罗大众认知并引发广泛讨论，刘慈欣功不可没。虽然对于物理专业的研究者来说，维度的概念再平常不过，但谁也没想到还能被科幻作家玩出花（画）来。或许，我们从来不缺能促进文化产业野蛮生长的肥沃土壤，缺少的只是一个想法，一次灵光闪现。大刘靠着这些根植于基础物理的前沿概念，营造出了个大气磅礴的三体宇宙。围绕这个顶级IP，每年的相关产值高达多少亿元，养活了多少家公司。或许，许多不关心科学的普通人自此爱上了科学，许多仍对未来懵懂的孩子自此埋下了未来从事科学研究的种子。而这，正是找不到实际应用的基础科学，除了科学探索本身外的，又一项功绩。
首发于微信公众号：酷玩实验室（ID：coollabs）
[1]How Can We Test, Prove, or Find Evidence for String Theory? https://owlcation.com/stem/How-Can-We-Test-for-String-Theory[2]Wuensch D. The fifth dimension: Theodor Kaluza's ground‐breaking idea[J]. Annalen der Physik, 2003, 12(9): 519-542.[3]The Neutron Lifetime, https://indico.cern.ch/event/253826/contributions/567387/attachments/443245/614828/few_n_lifetime.pdf[4]Historyof string theory, https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_string_theory#cite_note-54[5]M-theory, https://en.wikipedia.org/wiki/M-theory[6]The very early universe, http://www.earlyearthcentral.com/early_universe_page.html[7]Experimental verification of the standard model of particle physics, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8141838/
