訪麗莎·蘭道爾：為什么我們看不到額外的維度

今天，2018騰訊WE大會在北京展覽館舉行?；?middot;索恩(Kip Thorne)、麗莎·蘭道爾(Lisa Randall)、蒲慕明等全球頂尖科學家出席會議并發表演講。在大會舉行前夕，美國國家科學院院士、哈佛大學理論物理學Lisa Randall教授接受了新浪科技的采訪。

很多人關心什么是額外維度?它是否真實的存在于我們的時空中?對此，Lisa Randall表示，他們之所以去做科學研究，部分原因就是希望能通過實驗來檢驗額外維度是否存在。

作為一個理論物理學家，她希望能夠提出模型和假說，來解釋為什么我們看不見額外維度。

到底能不能偵測到額外維度呢?Lisa Randall表示，這取決于我們要偵測什么樣的額外維度，它的性質是什么?對于我們宇宙當中的粒子會產生什么樣的影響，另外，如果說想觀測的話，可以通過觀察引力波是否發生變動，如果引力波發生的變動的話，就有可能存在額外維度。(趙河雨)

以下為Lisa Randall在騰訊WE大會演講全文：

大家下午好!很高興能夠來到這里，下面我給大家介紹一下，物理學如何教會我們看到那些我們覺得看不到的東西。

我想重點談我非常關注的兩方面。

方面一：額外維度，大家應該聽說過;

方面二：暗物質。

宇宙超乎我們所見的范圍，有些人覺得，只要是看不見的東西就不存在，但我們知道，我們的視力是有限的，我們只能夠看到可見波長的東西，這也是我們日常所見。

但也有很多原因，導致我們因為看不見，所以就錯失了很多東西。也有一些事情，可能也有光，但它并不是可見的。我們通過工具、方法、技術，比如說紅外線望遠鏡，能夠看到我們無法目視的波長。

那是不是也有一些視線是根本不發光的呢?我們待會兒會講到暗物質。還有一個原因是太小，看不見，比如說額外維度就是這一類。

也有一些人覺得，看不見是因為這個東西是我們不可及的，比如說太遠或者我們沒有看對方向。但最糟糕的借口是什么?是我們沒有想去看，覺得不在我們的領域之內，所以我們根本不操這份心。

我們希望大家能夠想一想，我們能夠找尋什么，哪些事情如果我們現在不去觀測就有可能錯失的東西，這是一個很好的研究領域，能夠把我們導向重大發現。

前面我們講到了，比如說引力波是一種很好的觀測方法，強子對撞機也是一種很有用的方法，它能夠使我們了解到底粒子是如何獲得質量，待會兒我還會再介紹一下，我們如何能超越大型強子對撞機，這是已經取得成就。

下面我想再簡單介紹一下額外維度，以及它相關的空間。我們都熟悉的是三維世界，左右、上下、前后，這也是我們在日常所見的，即使是物理學的定律也是這樣來設計的。

但是我想給大家解釋一下，也可能存在我們還確實不知道、甚至超過我們能夠直接觀察到的，三維世界以外的更多維度的世界。我們如何思考這一點呢?我們首先不要拍照，因為你要想用投射來表示的話就會有麻煩。

當然還有其他的方式，比如說投射等等方法。假設我們真的想做的話，我們可以考慮除了投射之外的方法，比如切片，我們降一個維度，比如說我們現在想象一下，我們是二維生物，生活在一個三維的世界當中，我們將如何觀察三維的世界呢。

比如說弗蘭德他就講到了這一點，你能夠看到的只是切片，看到有東西穿出來穿過去。比如說你可以想象，這樣的一個球體會穿越二維的世界，如果說你是生活在一個平面上，你會看到有一些像盤子一樣的東西，開始小后來大然后又小，我們能夠用這樣的方法，聯想到其實是存在一個三維物體的。

我們即使說生活在一個三維的世界當中，我們也可能會有一些來自于更外部空間的東西，我們也會看到這樣的東西在我們的三維世界當中，前小后大然后又小，雖然我們不能看到它的全貌，但是還可以結合起來，另外還有一種角度，能夠讓我們去思考的就是，我們還是用降維的方法，假設是說三維的物體是二維的角度去觀察，就可以用投射的方式。

比如說像這樣的一個例子(PPT)，它可以告訴我們為什么這樣一個單一的投射會是有誤導性的，大家可能會了解大家經常會做的一個光影的游戲，我也覺得這是一個游戲而已，如果說只是一個單點投射的話，并不會給到你三維的信息，如果說把多個投射能夠結合起來，你就可以去構想出一個三維的物體。

另外，我們在三維物體的時候并不是一次性觀察到的，而是多次觀察然后再整合起來，這樣我們可以了解到更高維度的事物，還有一個就是全息影像，如果說認為存在是對稱性的時候，并不一定去觀察所有的維度，可以進行一些維度的壓縮，另外還可以取平均。

還有就是你偵測不到的時候，它也許確實不存在，你考慮的是平均效果，另外我們說去描述額外維度的時候，最好是用數學或者文字而不是用圖畫。

在非物理學當中的額外維度是怎么樣的呢?卡魯扎1999年的時候提出了額外維度，也就是說在愛因斯坦提出《廣義相對論》之后，很快他就提出了額外維度的思想。

額外維度沒有理由不存在，愛因斯坦的方程可以在任意數量的維度當中都是適用的，今天我不會講，但是我想你們可能聽說到了，所謂的量子、引力，它也能夠去給我們顯示，還存在可能有6個維度，到底說有還是沒有，有多少?還留待以后的試驗去檢驗。

愛因斯坦他在這個方面的論文要推遲兩年才出版，他認為說可能額外的維度是我們看不到的，因此它就很特殊，這是一個有趣的思想，克萊恩他提出了額外維度可能非常非常小，它被卷成了極小的體積，在這樣的情況之下，我們就要考慮整個宇宙，是有一個二維的世界，非常降維、非常低的一個維度，你可以想象其中的一個維度被卷曲起來了，我們就會把它想成是一個一維的空間。

雖然說這個宇宙可能是二維的，但是如果你偵測不到你就不知道這個維度的存在，在1999年的時候，克萊恩和我就發現了還有一種新的方法去隱藏維度，也就是說根據弦理論這種重要的思想，這個重要性最近才被意識到，這種理論叫做膜理論。

在高維度空間當中存在類似于膜的物體，在弦理論當中它也發揮了重要的作用，它對于物理學的重要意義有幾個方面，其中之一就是我們可以生活在一個膜世界當中，在高維度的世界當中，我們所知道所有的事情，其實都被聚集在了一張膜上，這邊我們可以看到是一個二維膜的圖片。

像人、引力甚至太陽、行星都聚在一張二維的膜上，但是不要去糾結于引力，也就是說我們可以有這個宇宙是更高維度的，甚至還有一些其它的力，我們認為其它的力可能會在一個三維的膜上，我們這個時候可以解釋說，我們為什么只能夠看到在空間當中的低維度的膜。

通過膜，我們有很多有趣的發現。這里可能會有新的方式能夠隱藏額外維度，而不只是把它卷起來，那你會發現，在幾何上，卷曲度如此之高，以至于你都看不到額外的維度。

另外，還有可能有新的概念，能夠讓我們了解我們在宇宙當中的位置，可能是我們存在一個地方，那我們自己覺得在這，但其實是更高的維度。也許我們還有辦法，能夠偵測到額外的溫度，使得我們能夠有新的方法來解釋為什么引力比較弱。

這就涉及到前面我說到的那個大型強子對撞機可能做出的發現。另外，在物理學當中，還有一個所謂大家知道的等級問題，問題就在于引力為什么比其他的原力弱那么多。引力看上去可能并不弱，如果你爬山的話就會這么覺得。

可你想象一下，一個磁鐵能夠吸住整個地球，當然也可以吸住一個曲別針，這個時候引力要比磁力看上去弱那么多，但這個是有自然原因的。

可能不是什么大問題，弱就弱唄，但實際上，如果你把量子力學結合進來，還有場理論，這是粒子物理所用到的，結果這兩個好像是矛盾的。這個時候，你的理論就模糊了，你會需要一種真正人文制造出來的抵消，才能夠解釋。

問題就來了，為什么引力這么弱?雖然說理論上有不同的闡述，答案可以是來自于所謂的多元宇宙，有兩張膜，這個是大型強子對撞機想尋找的，到底在標準模型之下，下面是什么。

其中之一的可能性，可能有這樣的彎曲的時空幾何，這里面存在兩張膜，一個就是我前面所描述的我們所居住的膜，另外一個是引力膜，引力集中于此。

如果我們生活在引力膜上的話會更強，但如果你移到第二張(弱膜)上的話，引力就會有一個急劇的、指數級的下降。這個辦法其實可以解決愛因斯坦提出的方程，它其實用到的就是我們說的額外維度的幾何，它的彎曲度實在是太高了。

所以說，它的引力，我們在離開了引力膜而進入到弱膜的時候，引力就會有一個指數級的下降。因此我們可以解釋，為什么在我們所居住的地方，它的引力要比宇宙當中的其他地方低那么多。

可能這是個瘋狂的想法，但這種情景可以實驗，因為它是與質量相關的，而且像對撞試驗，就像大型強子對撞機那樣的實驗，它能夠產生合適的能量幫助我們搜尋結果的后果。

現在在歐洲原子研究中心就有這樣的大型強子對撞機，在去做這樣的研究。實話實說，他們還沒有找到，他們想去找克魯扎-克萊因粒子(K-K粒子)，在額外維度當中運動并攜帶，他們好像攜帶著我們想要看到的合適的質量。

你能夠用這樣粒子，通過碰撞，產生新的粒子，然后我們就可以把它偵測出來，這一點很有意思，大家經常一講到額外維度的時候，粒子逃逸到額外的空間當中，但實際上額外維度本身是彎曲的，這才導致了在傳感器當中，粒子消失，并沒有排出。

即使引力弱，也許是這些粒子太重了，在對撞機當中發現不了，有的情況確實有可能是這樣，這就是為什么我和我的很多同事都非常有熱情，能夠看到中國正在搞大型對撞機，我們非常感謝也非常的興奮，大家能夠認真的對待我們這樣的思想。

如果沒有更高的能量注入的話，我們不會知道這么短的距離之下，到底發生了什么，我們直接能夠探測到的最廣的對撞距離，我們有更高的能量投入的話，也許就能夠實現對撞，更好的科研效果。

關于額外維度我就想講這么多，我希望能夠講兩個話題，一個就是額外維度，另外一個是暗物質，后半部分的時間我想談一下另外一個我們看不見的世界，它其實也沒有那么的隱藏。

因為在這個情況之下，其實我們已經偵測到了引力波的影響，它是通過像暗物質這樣的東西，這是我們宇宙的構成，它告訴我們是，大家看到大概有5%的這么一小部分是我們所知的物質，宇宙只有5%，才是由我們所知的原子所組成的。

另外，所謂暗的東西，這里包括暗物質，他們就是物質，像其他的物質一樣，他們也可以有相互作用，但是他們不能夠跟光相互作用，涉及到宇宙的膨脹，這部分就是暗能量。

我下面介紹一下，我們為什么這么堅信存在暗物質，作為一個研究者，我希望能夠去了解它是什么，有可能是什么。它跟組成我們自己或者我們所了解的物質構成是不一樣的，暗物質像別的物質一樣，通過引力相互作用，但是其他的相互作用很少。

當然標準模型相互作用也很少，我們除了引力，對它的了解并不多。其實，它的存在并不足為奇，為什么說物質就只限于組成我們的那些物質呢，其實你已經每天都穿越了數以十億計的暗物質的例子，它的引力如此之弱，沒準就在這個地方存在，而我們并不知道它的存在。

再澄清一些問題，我們把它叫暗物質，但它其實并不暗，我的夾克是暗的，其實應該被稱為透明物質，它是光線能夠穿過的物質，但是它非常的重要，因為它把形狀賦予了宇宙。它的能量是比現在我們知道的這些物質多5倍還要多。

我為什么那么相信確實存在暗物質呢?我們怎么能看到這么一個東西呢?如果不暗的話我們怎么看到呢?我們可以去用星系自轉曲線來去進行偵測，這里有很多種不同的方法，比如說像星系團。

在我們的星系當中，星球會旋轉，非常地快，這樣的一種引力能夠去吸住各種各樣旋轉的物質，使之不逃離出去，其實這里就包括了普通的物質加上其它的一些什么東西，其它的東西就是暗物質了。

另外，在星系團當中，也就是很多個星系共同組成，這些東西運轉非常快，他們能夠吸住一些物質，另外還有一個叫做引力透鏡，這個大家前面也聽到專家談過，這是另外一種方法能夠讓我們去看到暗物質，因為暗物質會影響到光的路徑，還有一些其它的方法，其實我覺得有一點是特別吸引人的，就是所謂的叫做子彈星團。

它是多個星系團在一起，它很清楚的能夠看到子彈星團的合并，但是在合并的時候發現了有趣的事情，比如說在這里面構成分色這部分它會留在中間，而其它的物質，比如說像暗物質，也就是沒有相互作用的東西能夠穿越，也就是看到的這個藍色的部分，其實這就是我們所預期到的物質在它們沒有相互作用的時候應該會是什么樣子，他們就應該直接穿越過去就好了。

另外，還有一點是非常地重要的，一個重要的后果，也就是在宇宙上面當中星系的存在，也就是有像銀河系這么大的這個級別的星系存在，要是太小的直接就會被沖走了，所以我們說這樣的暗物質對于我們星系的形成至關重要。

這個不僅是推測，我們知道暗物質的存在，我們用眼睛看不見，但是我們可以用引力波的影響觀測到它，我們并不知道它在哪兒它是什么，這就是為什么我們要去做研究的原因，我們必須要去選有哪些侯選物質，這樣我們才能夠知道如何去找到它。

這邊我想給大家分享一個相當強的推測型的一個研究，很有意思。

我還是不會跟大家講這個是絕對正確的，我只會跟大家說這個是一種理論，我們怎么樣去檢驗這種理論。我們提出暗物質可能有特意的類型，多數的暗物質是沒有相互作用的，但是有一些暗物質是有的，我會提出的是，它是可以偵測的，也會影響到我們的太陽系甚至可能導致彗星撞擊，其中的某一次可能導致了恐龍滅絕，我們的基本觀點是什么?為什么只有普通的物質存在呢?暗物質并不是一種例子。

我們的宇宙當中有那么多的東西來組成，其中也包括我們能夠看到的東西，也包括我們看不到的粒子和相互作用，也有一些部分的暗物質是帶電荷的，也許我們的這些物質跟光的關系，跟暗物質跟光的關系是不一樣的，所以我們才看不到它，也許暗物質跟它自己那種特定類型，我們看不到的一種光有相互作用。

在這樣的情況之下，我們可能就會形成一些重要的后果，這如何啟示，這就告訴我們，我們以前看到的銀河系它之所以能夠組成，就是因為普通的物質會有輻射，暗物質能夠圍繞其中，普通的物質能夠去輻射，所以它可以去幫助它。

如果說暗物質它能夠也有自己的光，它也有自己的輻射，也有可能會形成這樣的一個，在我們所見的銀河系的星盤之類的一種暗物質的盤，它就會有能夠觀察到的后果，因為它會影響到星球的運行。

如果我們在銀河系的星盤上向下面去看的話，會有不同潛在的引力的效果，GES衛星是由歐洲的宇航局發射的，它是去測量銀河系當中這些星球的運動和速度，由此去檢驗這個理論。

最后我想再給大家介紹一個更瘋狂的理論后果，但不一定對，不過它還是有一些是能夠檢驗出來的結果。

我們考慮太陽系，大家都了解太陽系現在有八大行星，同時也有一些別的東西圍繞它，比如說小的行星、彗星等等，但是比爾代它就像是一種短期的彗星，也就是它不足兩百年，還有一個叫阿瑞特云它的距離要比地球距離它的距離要遠，可以說成千倍，由此有一些長期的彗星，也就是超過兩百年的彗星，它們跟太陽之間的引力是比較弱的。

如果說有人踢它一下就會踢出太陽系，它不是沖向地球，但是我們也知道衛星會撞地球的，上一次大規模的滅絕就是一個像這樣的物體撞擊地球所導致的。

我們的想法就是能夠在整個太陽系去圍繞銀河系去運行，比如說2.5億年運行一圈，這個時候有可能會定期的穿越銀河系的星盤，穿越銀河系星盤的時候，可能暗物質比較濃，或者密度比較大，這里可能會有更大的潮汐力，會作用于所有的事情，包括星云的影響。

如果太陽系正好穿越銀河系星盤的時候，更有可能導致云往外釋放東西出去，這樣使得這些彗星更有可能向太陽系外，而不是向地球沖過來，這樣我們就可以考慮沖撞的影響是什么。

暗物質盤可能有自己的一些特別的性質，這是我們可以探究的方面。

最后我們再把這個聯系談一下，為什么這個跟物種滅絕相關呢，抱歉，顯示的比例好像不太好，有點顯示不出來。地球上一共有五次大滅絕，大滅絕大概有一半或者2/3的地球物種會消失。

他們不只是滅絕，而且他們的子孫后代也死掉了，這可以說是地球生命的重啟，6600萬年前，所謂出現了白堊紀—古近紀之交的大滅絕，這樣的科學課題能夠把很多不同的學科綜合起來。

我們怎么樣能夠確定這次大滅絕是不是一個大型的物體，大概有10-15公里直徑，相當于大城市這樣大的物體碰撞所導致的，我也不知道北京多大，但肯定相當于一個城市這么大的物體，一秒30公里的速度撞向地球所導致的。

這個事情發生的時候會出現很多的災難，它會創造大滅絕的條件，不僅是恐龍，還有很多其他的物種也消失了。這對我們來說非常重要，因為它使得大型哺乳動物從很小的動物，能夠繁盛的發展成為地球主導的物種。

所以說，我們現在人類的繁盛其實也應該歸功于這樣的大碰撞，我們的想法就是，也許這樣的一塊大巖石，我們當然可以展示出來，也許就是這樣定期彗星撞擊的產物，由它導致了大滅絕。

我想再給大家展示幾張照片，大家可以在地球表面上能夠看到，這次大滅絕的跡象，今天沒有辦法，我原來去過西班牙和丹麥，當時大家可以看到，這邊的巖石層是符合撞擊的時間。

上面的白巖石有很多的物種，而下面灰巖石那張就沒有什么物種，所以說能夠顯示出來撞擊的影響，這個地方的風景很優美，大家也可以去看一下。

我也不知道暗星盤的概念是否正確，在我們坐而論道的時候，我們可以去探尋，我們確實借此能夠更多的了解宇宙當中這些奇怪的聯系。我們要想了解，我們就需要開展一些重大的項目，能夠跟各個方面的科學思想結合起來，使我們能夠了解真相。