高维空间或许真的存在，科学家：它可以完美解释两大宇宙未解之谜

在我们熟悉的三维空间之外，会不会还藏着更高的维度？如果它真的存在，能否同时回答“引力为何如此微弱”和“暗物质究竟在哪里”这两个难题？ 宇宙中有四种基本力，分别是强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和引力。其中引力弱得出奇，强度远低于另外三种。 另一个谜团是暗物质：它长期找不到，有没有可能根本不在我们这个空间，而是藏在更高的维度里？一些理论确实提出过类似观点。 需要说明的是，这种想法和全息原理一样，不属于主流科学，更像一种大胆设想，不妨当作科学幻想来看。 科学家提出暗物质，并不是因为看见了它，恰恰是因为看不见它。暗物质不参与电磁相互作用，不和电磁波打交道。 它不发光，也不吸收或反射光，用任何望远镜都无法直接看到。它对外界的影响几乎全部来自引力，人们只能通过引力留下的痕迹，间接推断它的存在。 这类痕迹并不少见。星系旋转速度过快，引力透镜效应过强，宇宙微波背景辐射存在起伏，子弹星系团呈现特殊的质量分布，这些现象都指向同一个结论：有某种看不见的东西在参与引力作用。 按照现有观测数据估算，宇宙中暗物质的质量大约是可直接观测的普通物质的五倍多。 长期以来，人们默认了一个前提：暗物质和我们处在同一个空间，只是很少与我们发生相互作用。既然同处一个空间，就总有机会让它“露个面”。 基于这个前提，科学家设计了多种探测方案，希望捕捉到暗物质与普通物质之间哪怕极其微弱的一次接触，从而揭开它的真实身份。 有人在地下深处建造探测器，期待暗物质像中微子那样撞击原子核，产生可观测的信号。有人借助粒子对撞机，希望通过高能碰撞把暗物质粒子“撞”出来。 除了地面实验，天文学家也在宇宙中搜寻暗物质湮灭可能留下的信号。各条路线齐头并进，投入的人力物力相当可观。 然而直到今天，这些方法都没有发现暗物质的任何踪迹。于是有人开始怀疑：会不会是默认的前提出了问题？ 我们之所以一直找不到暗物质，是否因为它根本不在我们这个空间里？如果答案是肯定的，那么过去的探测方向从一开始就可能找错了地方。 这时自然会产生一个疑问：如果暗物质和我们不在同一个空间，那我们感受到的那部分引力又从何而来？要回答这个问题，得先看引力究竟特殊在哪里。 在四种基本力中，引力不仅是最弱的一个，也是最难以被纳入统一理论框架的一个，它的“性格”和其他三种力截然不同。 对强力、弱力和电磁力来说，空间只是背景。传递这些力的是在空间中运动的各种玻色子，它们被牢牢束缚在三维空间里。 量子力学能够很好地描述这三种力，唯独难以纳入引力。到目前为止，能够成功描述引力的仍然只有广义相对论，两大理论之间的鸿沟至今未能弥合。 在广义相对论看来，引力并不是传统意义上的力，而是时空本身的形变。物体之所以相互吸引，是因为质量让周围的时空发生了弯曲。 既然引力就是时空的弯曲，那么空间延伸到几维，引力就能传到几维。换句话说，引力天生具有跨越维度的特性，这是其他三种力都不具备的。 由此可以引出另一个猜想：引力为什么比其他三种力弱得多？不妨设想，如果存在额外维度，引力在传播时就会“分散”到这些维度之中，留在我们三维空间里的只是其中一部分，看起来自然就显得微弱。照此推论，第一个谜团似乎就有了答案，而且解释得相当顺畅。 不过，这个想法有一个明显的漏洞。引力遵循平方反比定律，即引力大小与距离的平方成反比，而这个关系只有在三维空间中才成立。 如果存在宏观尺度的额外空间维度，平方反比定律就无法成立。因此可以初步断定，宏观上不可能存在额外维度，这不仅是实验问题，更是逻辑上说不通。 但要注意，被排除的只是宏观尺度。如果额外维度只存在于微观尺度，那么在宏观上，引力依然可以保持平方反比关系，与日常观测并不矛盾。 把这一思路推向极致的，正是以难以验证而著称的弦理论。它为额外维度提供了一个相对完整的理论舞台，也让上面的设想有了落脚之处。 弦理论起初并不是为了解释额外维度而提出的。科学家最初发现，如果不把基本粒子看作没有大小的点，而是看成一维的弦，很多理论难题都能迎刃而解。 弦理论正是在这个想法上建立起来的。但把点换成弦也有代价，那就是时空必须拥有更多维度，比如在M理论中，空间维度达到了十维。 既然有这么多维度，为什么我们从未察觉？按照弦理论的解释，这些额外维度全都蜷缩在极其微小的普朗克尺度里。 可以把它想象成一根吸管：远远看去像一条一维的线，凑近了才发现它其实是卷起来的三维柱体。额外维度就类似这样的存在，尺度小到任何现有仪器都无法直接分辨。 在弦理论的框架下，构成万物的粒子，包括能量，本质上都是带有端点的线段，称为开弦。为了不让开弦在各个维度中四处乱窜，理论设想它们的端点被固定在一张“膜”上，我们所在的宇宙就可以看作这样一张膜，电磁力等相互作用也被限制其中。 而与引力相关的弦没有端点，不受膜的约束，可以在更高维的空间中穿行。 沿着这个思路，两大谜团似乎可以被一并解释。