人类对自然现象的好奇心驱动着我们探索时间和空间（时空）的奥秘。时空是物质存在的形式。可是时空本身到底以什么形式展现，如何确切地描述却是古今中外物理学家、数学家以及哲学家们煞费苦心研讨的问题。自从有了科学以来，研究时空性质几乎成了永久的课题。

 

本书作者丽莎·兰道尔现任教于美国哈佛大学。她曾是普林斯顿大学物理系的第一位终身女性教授，也是哈佛大学、麻省理工学院的第一位理论物理终身女性教授。她从事高能理论物理研究工作20多年来，获得多项开创性的重要成果，是当前最有影响的理论物理学家之一。她和拉曼·桑卓姆10年前提出的额外维度模型，同另一个大额外维度理论一起，具有划时代的意义。现在，她仍然活跃在科学前沿，研究基本粒子理论和宇宙论。

 

作为对额外维度理论的最新进展作出开创性贡献的物理学家之一，本书作者相信额外维度的存在。可这些扭曲的额外维度不论有多大，都是我们肉眼看不见的！那么我们如何从实验上确认它们的存在呢？幸运的是，这种理论很可能在我们目前及未来的实验中留下蛛丝马迹。现在国际上最大的科学实验装置，设在日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）已经投入运行。LHC使高能质子对撞，发生高能反应。能量转变成质量，产生新的粒子。一种称作卡鲁扎——克莱因的粒子就是额外维度理论的预言，是LHC实验中希望发现的。如果LHC中的高能反应有幸达到强引力的范畴，那么还可能产生出高维黑洞！同许多高能物理学家一起，丽莎·兰道尔也积极投身于LHC物理的研究，她近来关于卡鲁扎——克莱因粒子及高维黑洞现象的理论预言都对LHC实验具有指导意义。高能物理领域热切期待着革命性的新发现！这种额外维度理论甚至对早期宇宙论、暴涨，以及暗物质的来源都会提供新意。

 

从目前的观测看来，我们生活在一个均匀的，各向同性的三维空间加上一维时间，即四维时空中。还没有实验证据揭示三维空间外的“额外维度”的存在。然而，自上个世纪初以来就有理论物理学家提出额外维度存在的可能性。这些额外维度不像我们周围三维空间那样延伸，而是紧缩到小得看不见。无独有偶，有希望统一引力与量子力学的弦理论恰恰要求额外维度的存在。这个观点引起物理学家及数学家的极大兴趣，甚至被认为是物理学中的一次革命！传统的弦理论认为，我们生活的三维空间只不过是一个更高维空间的一部分，但额外维度微小到永远无法观测的程度，接近所谓的“普朗克长度”，约10～33厘米。如果是这样，额外维度的存在与否似乎对我们的可观测世界没有什么效应，因此其存在很难由实验来证实或证伪。

 

但是，理论物理学研究的最新结果改变了物理学家对额外维度的认识。其实，额外维度可以很大，有的甚至可以延伸到无穷大！它们可以不是平直的，是变形的，扭曲的。这种观点源于爱因斯坦广义相对论中的一个概念。物质能量对时间空间的制约关系导致了这些不平常性质的出现。更引起物理学家重视的是，这些新的理论有其他方面的意义和应用。比如，与我们周围的核力和电磁力相比，引力如此之微弱。这种扭曲空间的新理论可以解释这个长期以来的困惑：在严重扭曲的空间里，引力可以在某些区域里很强，而在其他区域里很弱。进而，这种扭曲的额外维度理论还可以帮助理解弱核力可以稳定存在的事实。

 

作者在本书结束篇提出了一个让读者感到惊讶的问题：究竟什么是维度？“确定一个点所需要的独立坐标数就是维度”，不是吗？其实答案要比想象的复杂得多！物理现象都是由物质间的相互作用所决定。如果存在很强的相互作用，那么情况会变得模糊。近10年来理论物理学的最新进展表明，一个四维的强相互作用理论可以等效于一个高维的引力理论，既所谓的对偶性。在这种情况下，维度的概念不再明确。其实，弦理论家早就发现了另外一个对偶性，称作T对偶。在弦理论里，卷曲空间的极小体积和极大体积产生的物理结果是一样的。这使维度的含义再次模糊起来。这些属性实在太玄妙了！本书作者以及许多顶尖物理学家都认为，时间和空间一定还有更为基本的描述。

 

本书以艾克和阿西娜兄妹俩的对话开始引入维度。每一章都会插入他们的梦幻、经历和故事来引入主题，别有风趣。本书语言幽默，文图并貌。书中多处以有趣的例子，图画，故事来描述和比喻深刻的理论：从婴儿床里爬行可达到的维度，到不粘锅中的准晶体的高维结构，又以喷壶浇花时水的流量比喻力的强度，用漏斗的型状来比喻扭曲的额外维度等等，即生动又确切，极具可读性。该书的中译本翻译严谨，语言通俗，适合于对现代前沿科学有兴趣的广大国内读者。

 

时空的性质的确是高能物理及宇宙论中最重要的研究论题。那么额外维度真的存在吗？这样引人入胜的想法到底会不会得到实验观测的肯定呢？读者还是从这本妙趣横生的书中寻味吧！

 

（本文为《弯曲的旅行》推荐序，作者为美国威斯康星大学知名物理学家）

 

《科学时报》 (2011-07-21 B2 科学 文化)