【作者介紹】

加來道雄，美籍日裔物理學(xué)家，畢業(yè)于美國哈佛大學(xué)，獲加利福尼亞大學(xué)伯克利分校哲學(xué)博士學(xué)位，后任紐約市立大學(xué)城市學(xué)院理論物理學(xué)教授。主要著作有《超越愛因斯坦》（與特雷納合著）、《量子場論》《超弦導(dǎo)論》。

【相關(guān)知識】

為了更好地理解課文，我們需要了解一些相關(guān)的理論物理學(xué)知識：

１、統(tǒng)一場論：

根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)知識，將我們的宇宙結(jié)合起來的力有四種：引力、電磁力、強核力和弱核力。物理學(xué)家運用量子力學(xué)，已經(jīng)把后三種力統(tǒng)一起來（美籍華裔物理學(xué)家楊振寧和他的學(xué)生米爾斯提出楊—米爾斯場理論，解決了這一問題，被稱為“標(biāo)準(zhǔn)模型”。但是這一理論因為計算繁復(fù)無比而讓人頭疼），但是引力仍然游離在外。愛因斯坦畢終生之力想尋求四種力的統(tǒng)一，建立一個大一統(tǒng)的理論，最終也沒有實現(xiàn)。

２、高維空間：

現(xiàn)代理論物理學(xué)認(rèn)為，統(tǒng)一四種力的前景，在于高維空間（如十維或更高）理論的確立。比如對于古人來講，風(fēng)暴是怎樣產(chǎn)生的，風(fēng)暴會襲擊什么地方，什么時候襲來，什么時候結(jié)束，他們是一無所知的，因為他們生活在平坦的大地上，只能靠肉眼從近似于二維平面的角度來觀察，即使有簡單的預(yù)報，也都是靠經(jīng)驗來推測的。現(xiàn)在有了氣象衛(wèi)星，從太空這樣三維角度觀察地球，在地面上看來神秘莫測的風(fēng)暴被看得一清二楚，可以精準(zhǔn)地預(yù)報風(fēng)暴的動向。同樣，理論物理學(xué)家認(rèn)為，傳統(tǒng)的四維（空間三維加上時間）理論太“小”，不能解釋宇宙中的四種力。當(dāng)他們超越四維而在更高維（如十維或更高）中尋求統(tǒng)一這四種力時，就能得到一種簡單、漂亮的解決模型（科學(xué)家認(rèn)為宇宙應(yīng)該是簡單、和諧的）。

高維空間理論認(rèn)為，宇宙大爆炸后１０-４３秒，十維宇宙分解成四維宇宙和六維宇宙，四維宇宙暴脹，經(jīng)過近１５０億年，演變成今天我們生活的宇宙。大爆炸后１０-３５秒，大統(tǒng)一力分開。但是高維空間理論很難在實驗室中得到證實，因為要模擬當(dāng)時的環(huán)境，需要的能量太大，根本無法做到，所以現(xiàn)在高維空間理論只能是“理論”。

【與課文相關(guān)的章節(jié)（加來道雄）】

面向第五維

由于家境貧寒，我的父母擔(dān)憂我將不能把自己的實驗和教育繼續(xù)下去。幸運的是，我為我的各種科學(xué)計劃爭取助學(xué)金的行動引起了原子科學(xué)家泰勒（EdwardTeller）的注意。他的妻子慷慨地安排我接受四年的獎學(xué)金去哈佛大學(xué)學(xué)習(xí)，允許我在那里實現(xiàn)自己的夢想。

具有諷刺意味的是，盡管我在哈佛開始了自己在理論物理方面的正規(guī)教育，但也正是在這里我對更高維數(shù)的興趣消失殆盡。像別的物理工作者一樣，我開始嚴(yán)格而又全面地學(xué)習(xí)與每一種自然力所對應(yīng)的高等數(shù)學(xué)，這些自然力彼此之間是完全孤立的。我仍然記得給我的電動力學(xué)老師解題，然后我又問他如果空間在更高的維數(shù)中彎曲，那么答案可能會是怎樣。他以一種奇異的方式看著我，好像我有點瘋狂似的。像比我先來的人一樣，我不久就學(xué)會把孩提時代關(guān)于更高維數(shù)空間的念頭擱置一邊。我被告知：超維空間不是一個合適的嚴(yán)肅研究課題。

我從來就不滿足于對物理學(xué)的這種支離破碎的處理，思緒常要飄回到茶園中鯉魚的身上。雖然我們常用的電磁場方程在１９世紀(jì)就被麥克斯韋發(fā)現(xiàn)，他的這一工作十分完美，但方程好像相當(dāng)隨意。我覺得物理學(xué)家們（像鯉魚那樣）發(fā)明的這些“力”，實際上掩蓋了我們對物體怎樣能夠不彼此接觸而運動這一問題的無知。

通過學(xué)習(xí)，我知道１９世紀(jì)有一場大爭論，就是光怎樣在真空中傳播。（事實上，從恒星上發(fā)出的光可以通過外部空無一物的空間毫不費力地傳播好幾萬億千米。）實驗也毫無疑問證明了光是一種波。但是，如果光是波的話，那就需要一些使它發(fā)生“波動”的媒質(zhì)。聲波需要空氣，水波需要水，而在真空中卻沒有可以使光波動的東西，人們對此深感疑惑。沒有使光波動的媒質(zhì)，它怎能成為波呢？于是，物理學(xué)家們就捏造出一種所謂的以太物質(zhì)，這種物質(zhì)作為光的媒質(zhì)而充滿整個真空的空間。然而，實驗卻無可辯駁證明了“以太”并不存在。令人驚奇的是，直到如今，物理學(xué)家對這一難題仍然沒有作出真正的回答，但數(shù)十年來，我們卻對這樣的思想習(xí)以為常：即使沒有什么媒質(zhì)，光照樣可以在真空中傳播。──作者注。

后來，當(dāng)我成為加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)研究生后，我非常意外地發(fā)現(xiàn)有一個變通的辦法，盡管這個辦法會引起人們的爭論，但是它可以解釋光怎么能在真空中傳播。這個變通的理論十分古怪，因此當(dāng)我偶然間發(fā)現(xiàn)它之后十分震驚。這種震驚與許多美國人乍聞肯尼迪（JohnKennedy）總統(tǒng)被槍殺的感覺頗為相似。他們能永遠(yuǎn)記住他們聽到這一驚聞的那一刻正在干什么，正在和誰說話。當(dāng)我們第一次偶然遇到卡魯查-克萊因（Kaluza·Klein）理論時，我們這些物理學(xué)家也深感震驚。因為這一理論被認(rèn)為是一種不成熟的推測，因而從不在研究生課程上講述。于是，留給年輕物理工作者們的只是在有關(guān)讀物中偶然地去發(fā)現(xiàn)它。

這個變通的理論給光作了一個最為簡單的解釋：它實際上是一種第五維（或如神秘主義者通常所說的那個第四維）上的振動。如果光能通過真空傳播，那是因為真空本身在振動，因為“真空”實際上存在于四維的空間和一維的時間之中。加上第五維之后，引力和光就能以驚人簡單的方式統(tǒng)一起來。回顧我童年時代在茶園的體驗，我突然意識到這就是我夢寐以求的數(shù)學(xué)理論。

然而，老的卡魯查-克萊因理論有許多困難和技術(shù)問題，這就使得它半個多世紀(jì)來一直被束之高閣。可是，過去１０年中這一切都發(fā)生了變化。這一理論的更高層次的翻版，如超引力理論，特別是超弦理論，已經(jīng)最終消除了該理論的不自洽性。突然之間，更高維數(shù)的理論正在世界各地的實驗室中被競相檢驗。世界上許多頭面物理學(xué)家現(xiàn)在相信，在普通的四維時空之外存在有更高的維數(shù)。這一思想事實上已經(jīng)成為科學(xué)研究的熱點。的確，許多理論物理學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為更高的維數(shù)是導(dǎo)致某種無所不包理論的關(guān)鍵步驟，這個理論──超維空間理論──將把許多自然規(guī)律統(tǒng)一起來。

如果這被證明是正確的，那么未來的科學(xué)史家們可能會很好地記下：２０世紀(jì)科學(xué)一大觀念性革命就是懂得了超維空間可能是解開自然和宇宙奧秘的關(guān)鍵。

這種富于啟發(fā)性的概念導(dǎo)致這方面的科學(xué)研究紛至沓來：世界各國主要研究所的理論物理學(xué)家們寫出了好幾千篇探索超維空間性質(zhì)的學(xué)術(shù)論文�！逗宋锢怼泛汀段锢砜靾蟆愤@兩種重要的科學(xué)雜志中登載著大量這方面理論分析的文章。已經(jīng)舉辦了兩百多次國際物理學(xué)會議來探索高維數(shù)的重要性。