額外維

額外維與其他
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博客李淼

在物理學中，額外維並不陌生，最早可以追溯到1919 年，數學家卡魯扎在研究愛因斯坦廣義相對論時發現，如果加上第五維空間（其實是第四維，如果將時間除外），麥克斯韋理論會自動出現。這個新穎的想法直到1921年才發表。1926年，克萊因建議這個第五維應該是一個很小的圓，這個圓的周長最多比著名的普朗克長度大一個量級（普朗克長度是10 ^（-33）厘米），用目前的探測手段是絕對探測不到的（歐洲的大型強子對撞機探測的最小距離是10 ^（-18）厘米）。

（卡魯扎是一個奇人，據說能夠說寫 17種語言，傳說他和“生活大爆炸”中的謝爾登一樣，三十多歲時通過讀書學習游泳，並在第一次下水時就成功了。）

看過“自然辯證法”的人都知道，19世紀就有一些做魔術的人號稱利用了第五維空間。數學上，有了第五維，很多在三維空間做不到的事就可以做到。例如，兩個相扣的環，在三維空間必須打破一個環才能解開釦子，但如果多了一維，將其中一個環在第五維平移，就解開了。也許我們不能想像一個四維空間，那麼我們在兩維空間和三維空間中做一個類似的實驗。在一張紙上，畫一個圓，在這個圓中畫一個點，或者隨便畫一個東西。很明顯，如果我們想將這個點或其他什麼拿出這個圓，在紙面上必須打破外面的圓才能夠做到。但是如果有了第三維，這個點可以先移出紙面，然後再放回紙面，很容易就可以放在圓的外面。

我們問，假如真的存在額外維，19世紀的魔術真的可以在現實中實現嗎？很多人會以為可以。這就犯了一個常人容易犯的，在物理學中卻是很明顯的錯誤。我們都知道量子力學中的測不准原理：如果將一個物體的位置測準了，那麼這個物體的速度或動量就不會被測準。測不准原理同樣適用於額外維，恩格斯了解的魔術假想我們看到的物體，包括我們自己，在額外維中是固定在一點的，這就違背了測不准原理。假定額外維大到只有10 ^（-18）厘米（其實應該更小），那麼將一個粒子在這麼小的圓上固定，需要的能量遠大於一個質子的能量（是質子質量的一萬倍），考慮到物體都是由質子和中子組成，那麼我們需要比該物體能量大一萬倍的能量才能將這個物體在額外維中固定。為了降低能量而不違背測不准原理，所有我們日常看到的物體在額外維都是彌散的，換句話說，是在額外維中均勻分佈的。所以，即使存在額外維，理論上我們也無法將兩個扣在一起的環解開。

最近有人假託鳳凰衛視在網上寫了一個“震驚全球”的 “報導”：“美國時間 5月3日下午，哈佛大學著名物理學家，量子物理學家美女教授麗莎•藍道爾（麗莎蘭德爾）向媒體宣稱，經過 9年的精心研究和無數次的試驗，稱靈魂確實存在。“這個報導，先不談其物理內容，很容易就看出是假的。首先，藍道爾是理論家，不做實驗，而該文說藍道爾做一個核裂變的實驗，發現一個微粒離奇地消失。另外，即使第五維空間是存在的，要發現它也不應該是核物理實驗，因為核物理涉及到的能量遠遠低於大型強子對撞機的能量。這個 “報導”還提到我的名字，雖然沒有說我和該新聞有什麼關係。

至於微粒是否會通過額外維消失，以及靈魂是否和額外維有關係，通過我們在前面關於額外維的解釋，就很清楚答案了，當然是不可能。

回到藍道爾這位著名物理學家。第五維當然不是她第一個提出來的，前面我們已經說過，卡魯扎是第五維這個物理概念的鼻祖。那麼，藍道爾做了些什麼以至這麼有名？1998年，三位物理學家在超弦理論的啟發下重新研究了額外維理論。他們發現，如果我們的世界是額外維中的一個膜（三維空間加一維時間），那麼額外維不必像卡魯扎 -克萊因理論中的那麼小。如果我們要求新的理論與已有的實驗不矛盾，那麼至少要有兩個額外維，這些額外維的周長大約是一百微米，比起10 ^（-18）厘米要大得多。額外維越多，其長度就越短。為什麼我們至今沒有看到這麼大的額外維？因為所有物體包括我們自己都局限於只有三維空間的膜上。也許你會問，物體在額外維空間中有固定位置不是和前面說的測不准原理矛盾嗎？解釋是，測不准原理引起的能量是膜的能量，而不是物體的能量。藍道爾和她的合作者桑壯在99年修改了這個理論，在他們的新理論中，由於用了新的方法，額外維只有一維，但其長度變小了，只有10 ^（-18）厘米左右，我們的世界還是處於一個膜上。

生物和人類存在靈魂嗎？至少科學上沒有證明。按照很多宗教的看法，靈魂是無形的，不佔空間。那個偽報導說靈魂和額外維有關，在藍道爾 - 桑壯的理論中，所有基本粒子都局限在膜上，除了引力子。如果靈魂有形，那麼靈魂是由引力子構成了的？

純粹出於好奇，我去英文維基查了靈魂。詞源上，在古希臘那裡與生命，精神和知覺有關。除了各種宗教之外，希臘哲學家用過類似的詞彙。柏拉圖認為，靈魂是一個人的本質，決定一個人的行為。靈魂是無形的，在一個人去世後，靈魂會在後來的身體內復活。亞里斯多德認為，靈魂是一個人的本質，但不同意柏拉圖的靈魂不滅。他認為靈魂就是一個人的活動力，一個人死了，靈魂也就不存在了。亞里斯多德的定義很接近現代人對思維的定義。