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。