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访丽莎·兰道尔:为什么我们看不到额外的维度

2018-11-4 19:31:26来源:新浪科技作者:-责编:孤城评论:

北京时间11月4日消息,今天,2018腾讯WE大会在北京展览馆举行。基普·索恩(Kip Thorne)、丽莎·兰道尔(Lisa Randall)、蒲慕明等全球顶尖科学家出席会议并发表演讲。在大会举行前夕,美国国家科学院院士、哈佛大学理论物理学Lisa Randall教授接受了新浪科技的采访。

很多人关心什么是额外维度?它是否真实的存在于我们的时空中?对此,Lisa Randall表示,他们之所以去做科学研究,部分原因就是希望能通过实验来检验额外维度是否存在。

作为一个理论物理学家,她希望能够提出模型和假说,来解释为什么我们看不见额外维度。

到底能不能侦测到额外维度呢?Lisa Randall表示,这取决于我们要侦测什么样的额外维度,它的性质是什么?对于我们宇宙当中的粒子会产生什么样的影响,另外,如果说想观测的话,可以通过观察引力波是否发生变动,如果引力波发生的变动的话,就有可能存在额外维度。(赵河雨)

以下为Lisa Randall在腾讯WE大会演讲全文:

大家下午好!很高兴能够来到这里,下面我给大家介绍一下,物理学如何教会我们看到那些我们觉得看不到的东西。

我想重点谈我非常关注的两方面。

方面一:额外维度,大家应该听说过;

方面二:暗物质。

宇宙超乎我们所见的范围,有些人觉得,只要是看不见的东西就不存在,但我们知道,我们的视力是有限的,我们只能够看到可见波长的东西,这也是我们日常所见。

但也有很多原因,导致我们因为看不见,所以就错失了很多东西。也有一些事情,可能也有光,但它并不是可见的。我们通过工具、方法、技术,比如说红外线望远镜,能够看到我们无法目视的波长。

那是不是也有一些视线是根本不发光的呢?我们待会儿会讲到暗物质。还有一个原因是太小,看不见,比如说额外维度就是这一类。

也有一些人觉得,看不见是因为这个东西是我们不可及的,比如说太远或者我们没有看对方向。但最糟糕的借口是什么?是我们没有想去看,觉得不在我们的领域之内,所以我们根本不操这份心。

我们希望大家能够想一想,我们能够找寻什么,哪些事情如果我们现在不去观测就有可能错失的东西,这是一个很好的研究领域,能够把我们导向重大发现。

前面我们讲到了,比如说引力波是一种很好的观测方法,强子对撞机也是一种很有用的方法,它能够使我们了解到底粒子是如何获得质量,待会儿我还会再介绍一下,我们如何能超越大型强子对撞机,这是已经取得成就。

下面我想再简单介绍一下额外维度,以及它相关的空间。我们都熟悉的是三维世界,左右、上下、前后,这也是我们在日常所见的,即使是物理学的定律也是这样来设计的。

但是我想给大家解释一下,也可能存在我们还确实不知道、甚至超过我们能够直接观察到的,三维世界以外的更多维度的世界。我们如何思考这一点呢?我们首先不要拍照,因为你要想用投射来表示的话就会有麻烦。

当然还有其他的方式,比如说投射等等方法。假设我们真的想做的话,我们可以考虑除了投射之外的方法,比如切片,我们降一个维度,比如说我们现在想象一下,我们是二维生物,生活在一个三维的世界当中,我们将如何观察三维的世界呢。

比如说弗兰德他就讲到了这一点,你能够看到的只是切片,看到有东西穿出来穿过去。比如说你可以想象,这样的一个球体会穿越二维的世界,如果说你是生活在一个平面上,你会看到有一些像盘子一样的东西,开始小后来大然后又小,我们能够用这样的方法,联想到其实是存在一个三维物体的。

我们即使说生活在一个三维的世界当中,我们也可能会有一些来自于更外部空间的东西,我们也会看到这样的东西在我们的三维世界当中,前小后大然后又小,虽然我们不能看到它的全貌,但是还可以结合起来,另外还有一种角度,能够让我们去思考的就是,我们还是用降维的方法,假设是说三维的物体是二维的角度去观察,就可以用投射的方式。

比如说像这样的一个例子(PPT),它可以告诉我们为什么这样一个单一的投射会是有误导性的,大家可能会了解大家经常会做的一个光影的游戏,我也觉得这是一个游戏而已,如果说只是一个单点投射的话,并不会给到你三维的信息,如果说把多个投射能够结合起来,你就可以去构想出一个三维的物体。

另外,我们在三维物体的时候并不是一次性观察到的,而是多次观察然后再整合起来,这样我们可以了解到更高维度的事物,还有一个就是全息影像,如果说认为存在是对称性的时候,并不一定去观察所有的维度,可以进行一些维度的压缩,另外还可以取平均。

还有就是你侦测不到的时候,它也许确实不存在,你考虑的是平均效果,另外我们说去描述额外维度的时候,最好是用数学或者文字而不是用图画。

在非物理学当中的额外维度是怎么样的呢?卡鲁扎1999年的时候提出了额外维度,也就是说在爱因斯坦提出《广义相对论》之后,很快他就提出了额外维度的思想。

额外维度没有理由不存在,爱因斯坦的方程可以在任意数量的维度当中都是适用的,今天我不会讲,但是我想你们可能听说到了,所谓的量子、引力,它也能够去给我们显示,还存在可能有6个维度,到底说有还是没有,有多少?还留待以后的试验去检验。

爱因斯坦他在这个方面的论文要推迟两年才出版,他认为说可能额外的维度是我们看不到的,因此它就很特殊,这是一个有趣的思想,克莱恩他提出了额外维度可能非常非常小,它被卷成了极小的体积,在这样的情况之下,我们就要考虑整个宇宙,是有一个二维的世界,非常降维、非常低的一个维度,你可以想象其中的一个维度被卷曲起来了,我们就会把它想成是一个一维的空间。

虽然说这个宇宙可能是二维的,但是如果你侦测不到你就不知道这个维度的存在,在1999年的时候,克莱恩和我就发现了还有一种新的方法去隐藏维度,也就是说根据弦理论这种重要的思想,这个重要性最近才被意识到,这种理论叫做膜理论。

在高维度空间当中存在类似于膜的物体,在弦理论当中它也发挥了重要的作用,它对于物理学的重要意义有几个方面,其中之一就是我们可以生活在一个膜世界当中,在高维度的世界当中,我们所知道所有的事情,其实都被聚集在了一张膜上,这边我们可以看到是一个二维膜的图片。

像人、引力甚至太阳、行星都聚在一张二维的膜上,但是不要去纠结于引力,也就是说我们可以有这个宇宙是更高维度的,甚至还有一些其它的力,我们认为其它的力可能会在一个三维的膜上,我们这个时候可以解释说,我们为什么只能够看到在空间当中的低维度的膜。

通过膜,我们有很多有趣的发现。这里可能会有新的方式能够隐藏额外维度,而不只是把它卷起来,那你会发现,在几何上,卷曲度如此之高,以至于你都看不到额外的维度。

另外,还有可能有新的概念,能够让我们了解我们在宇宙当中的位置,可能是我们存在一个地方,那我们自己觉得在这,但其实是更高的维度。也许我们还有办法,能够侦测到额外的温度,使得我们能够有新的方法来解释为什么引力比较弱。

这就涉及到前面我说到的那个大型强子对撞机可能做出的发现。另外,在物理学当中,还有一个所谓大家知道的等级问题,问题就在于引力为什么比其他的原力弱那么多。引力看上去可能并不弱,如果你爬山的话就会这么觉得。

可你想象一下,一个磁铁能够吸住整个地球,当然也可以吸住一个曲别针,这个时候引力要比磁力看上去弱那么多,但这个是有自然原因的。

可能不是什么大问题,弱就弱呗,但实际上,如果你把量子力学结合进来,还有场理论,这是粒子物理所用到的,结果这两个好像是矛盾的。这个时候,你的理论就模糊了,你会需要一种真正人文制造出来的抵消,才能够解释。

问题就来了,为什么引力这么弱?虽然说理论上有不同的阐述,答案可以是来自于所谓的多元宇宙,有两张膜,这个是大型强子对撞机想寻找的,到底在标准模型之下,下面是什么。

其中之一的可能性,可能有这样的弯曲的时空几何,这里面存在两张膜,一个就是我前面所描述的我们所居住的膜,另外一个是引力膜,引力集中于此。

如果我们生活在引力膜上的话会更强,但如果你移到第二张(弱膜)上的话,引力就会有一个急剧的、指数级的下降。这个办法其实可以解决爱因斯坦提出的方程,它其实用到的就是我们说的额外维度的几何,它的弯曲度实在是太高了。

所以说,它的引力,我们在离开了引力膜而进入到弱膜的时候,引力就会有一个指数级的下降。因此我们可以解释,为什么在我们所居住的地方,它的引力要比宇宙当中的其他地方低那么多。

可能这是个疯狂的想法,但这种情景可以实验,因为它是与质量相关的,而且像对撞试验,就像大型强子对撞机那样的实验,它能够产生合适的能量帮助我们搜寻结果的后果。

现在在欧洲原子研究中心就有这样的大型强子对撞机,在去做这样的研究。实话实说,他们还没有找到,他们想去找克鲁扎-克莱因粒子(K-K粒子),在额外维度当中运动并携带,他们好像携带着我们想要看到的合适的质量。

你能够用这样粒子,通过碰撞,产生新的粒子,然后我们就可以把它侦测出来,这一点很有意思,大家经常一讲到额外维度的时候,粒子逃逸到额外的空间当中,但实际上额外维度本身是弯曲的,这才导致了在传感器当中,粒子消失,并没有排出。

即使引力弱,也许是这些粒子太重了,在对撞机当中发现不了,有的情况确实有可能是这样,这就是为什么我和我的很多同事都非常有热情,能够看到中国正在搞大型对撞机,我们非常感谢也非常的兴奋,大家能够认真的对待我们这样的思想。

如果没有更高的能量注入的话,我们不会知道这么短的距离之下,到底发生了什么,我们直接能够探测到的最广的对撞距离,我们有更高的能量投入的话,也许就能够实现对撞,更好的科研效果。

关于额外维度我就想讲这么多,我希望能够讲两个话题,一个就是额外维度,另外一个是暗物质,后半部分的时间我想谈一下另外一个我们看不见的世界,它其实也没有那么的隐藏。

因为在这个情况之下,其实我们已经侦测到了引力波的影响,它是通过像暗物质这样的东西,这是我们宇宙的构成,它告诉我们是,大家看到大概有5%的这么一小部分是我们所知的物质,宇宙只有5%,才是由我们所知的原子所组成的。

另外,所谓暗的东西,这里包括暗物质,他们就是物质,像其他的物质一样,他们也可以有相互作用,但是他们不能够跟光相互作用,涉及到宇宙的膨胀,这部分就是暗能量。

我下面介绍一下,我们为什么这么坚信存在暗物质,作为一个研究者,我希望能够去了解它是什么,有可能是什么。它跟组成我们自己或者我们所了解的物质构成是不一样的,暗物质像别的物质一样,通过引力相互作用,但是其他的相互作用很少。

当然标准模型相互作用也很少,我们除了引力,对它的了解并不多。其实,它的存在并不足为奇,为什么说物质就只限于组成我们的那些物质呢,其实你已经每天都穿越了数以十亿计的暗物质的例子,它的引力如此之弱,没准就在这个地方存在,而我们并不知道它的存在。

再澄清一些问题,我们把它叫暗物质,但它其实并不暗,我的夹克是暗的,其实应该被称为透明物质,它是光线能够穿过的物质,但是它非常的重要,因为它把形状赋予了宇宙。它的能量是比现在我们知道的这些物质多5倍还要多。

我为什么那么相信确实存在暗物质呢?我们怎么能看到这么一个东西呢?如果不暗的话我们怎么看到呢?我们可以去用星系自转曲线来去进行侦测,这里有很多种不同的方法,比如说像星系团。

在我们的星系当中,星球会旋转,非常地快,这样的一种引力能够去吸住各种各样旋转的物质,使之不逃离出去,其实这里就包括了普通的物质加上其它的一些什么东西,其它的东西就是暗物质了。

另外,在星系团当中,也就是很多个星系共同组成,这些东西运转非常快,他们能够吸住一些物质,另外还有一个叫做引力透镜,这个大家前面也听到专家谈过,这是另外一种方法能够让我们去看到暗物质,因为暗物质会影响到光的路径,还有一些其它的方法,其实我觉得有一点是特别吸引人的,就是所谓的叫做子弹星团。

它是多个星系团在一起,它很清楚的能够看到子弹星团的合并,但是在合并的时候发现了有趣的事情,比如说在这里面构成分色这部分它会留在中间,而其它的物质,比如说像暗物质,也就是没有相互作用的东西能够穿越,也就是看到的这个蓝色的部分,其实这就是我们所预期到的物质在它们没有相互作用的时候应该会是什么样子,他们就应该直接穿越过去就好了。

另外,还有一点是非常地重要的,一个重要的后果,也就是在宇宙上面当中星系的存在,也就是有像银河系这么大的这个级别的星系存在,要是太小的直接就会被冲走了,所以我们说这样的暗物质对于我们星系的形成至关重要。

这个不仅是推测,我们知道暗物质的存在,我们用眼睛看不见,但是我们可以用引力波的影响观测到它,我们并不知道它在哪儿它是什么,这就是为什么我们要去做研究的原因,我们必须要去选有哪些侯选物质,这样我们才能够知道如何去找到它。

这边我想给大家分享一个相当强的推测型的一个研究,很有意思。

我还是不会跟大家讲这个是绝对正确的,我只会跟大家说这个是一种理论,我们怎么样去检验这种理论。我们提出暗物质可能有特意的类型,多数的暗物质是没有相互作用的,但是有一些暗物质是有的,我会提出的是,它是可以侦测的,也会影响到我们的太阳系甚至可能导致彗星撞击,其中的某一次可能导致了恐龙灭绝,我们的基本观点是什么?为什么只有普通的物质存在呢?暗物质并不是一种例子。

我们的宇宙当中有那么多的东西来组成,其中也包括我们能够看到的东西,也包括我们看不到的粒子和相互作用,也有一些部分的暗物质是带电荷的,也许我们的这些物质跟光的关系,跟暗物质跟光的关系是不一样的,所以我们才看不到它,也许暗物质跟它自己那种特定类型,我们看不到的一种光有相互作用。

在这样的情况之下,我们可能就会形成一些重要的后果,这如何启示,这就告诉我们,我们以前看到的银河系它之所以能够组成,就是因为普通的物质会有辐射,暗物质能够围绕其中,普通的物质能够去辐射,所以它可以去帮助它。

如果说暗物质它能够也有自己的光,它也有自己的辐射,也有可能会形成这样的一个,在我们所见的银河系的星盘之类的一种暗物质的盘,它就会有能够观察到的后果,因为它会影响到星球的运行。

如果我们在银河系的星盘上向下面去看的话,会有不同潜在的引力的效果,GES卫星是由欧洲的宇航局发射的,它是去测量银河系当中这些星球的运动和速度,由此去检验这个理论。

最后我想再给大家介绍一个更疯狂的理论后果,但不一定对,不过它还是有一些是能够检验出来的结果。

我们考虑太阳系,大家都了解太阳系现在有八大行星,同时也有一些别的东西围绕它,比如说小的行星、彗星等等,但是比尔代它就像是一种短期的彗星,也就是它不足两百年,还有一个叫阿瑞特云它的距离要比地球距离它的距离要远,可以说成千倍,由此有一些长期的彗星,也就是超过两百年的彗星,它们跟太阳之间的引力是比较弱的。

如果说有人踢它一下就会踢出太阳系,它不是冲向地球,但是我们也知道卫星会撞地球的,上一次大规模的灭绝就是一个像这样的物体撞击地球所导致的。

我们的想法就是能够在整个太阳系去围绕银河系去运行,比如说2.5亿年运行一圈,这个时候有可能会定期的穿越银河系的星盘,穿越银河系星盘的时候,可能暗物质比较浓,或者密度比较大,这里可能会有更大的潮汐力,会作用于所有的事情,包括星云的影响。

如果太阳系正好穿越银河系星盘的时候,更有可能导致云往外释放东西出去,这样使得这些彗星更有可能向太阳系外,而不是向地球冲过来,这样我们就可以考虑冲撞的影响是什么。

暗物质盘可能有自己的一些特别的性质,这是我们可以探究的方面。

最后我们再把这个联系谈一下,为什么这个跟物种灭绝相关呢,抱歉,显示的比例好像不太好,有点显示不出来。地球上一共有五次大灭绝,大灭绝大概有一半或者2/3的地球物种会消失。

他们不只是灭绝,而且他们的子孙后代也死掉了,这可以说是地球生命的重启,6600万年前,所谓出现了白垩纪—古近纪之交的大灭绝,这样的科学课题能够把很多不同的学科综合起来。

我们怎么样能够确定这次大灭绝是不是一个大型的物体,大概有10-15公里直径,相当于大城市这样大的物体碰撞所导致的,我也不知道北京多大,但肯定相当于一个城市这么大的物体,一秒30公里的速度撞向地球所导致的。

这个事情发生的时候会出现很多的灾难,它会创造大灭绝的条件,不仅是恐龙,还有很多其他的物种也消失了。这对我们来说非常重要,因为它使得大型哺乳动物从很小的动物,能够繁盛的发展成为地球主导的物种。

所以说,我们现在人类的繁盛其实也应该归功于这样的大碰撞,我们的想法就是,也许这样的一块大岩石,我们当然可以展示出来,也许就是这样定期彗星撞击的产物,由它导致了大灭绝。

我想再给大家展示几张照片,大家可以在地球表面上能够看到,这次大灭绝的迹象,今天没有办法,我原来去过西班牙和丹麦,当时大家可以看到,这边的岩石层是符合撞击的时间。

上面的白岩石有很多的物种,而下面灰岩石那张就没有什么物种,所以说能够显示出来撞击的影响,这个地方的风景很优美,大家也可以去看一下。

我也不知道暗星盘的概念是否正确,在我们坐而论道的时候,我们可以去探寻,我们确实借此能够更多的了解宇宙当中这些奇怪的联系。我们要想了解,我们就需要开展一些重大的项目,能够跟各个方面的科学思想结合起来,使我们能够了解真相。

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