額外維度大小決定宇宙命運(yùn)

示憐云

額外維度一定很小，否則宇宙會(huì)產(chǎn)生很多迷你黑洞，會(huì)使宇宙萬(wàn)物在眨眼間消失。

這可能是宇宙走向毀滅的一種方式。

首先，宇宙中一對(duì)粒子以難以想象的速度碰撞在一起。它們撞擊的巨大能量將產(chǎn)生一個(gè)微小的、短暫的黑洞，如此之小，以至于在蒸發(fā)之前它只能持續(xù)不到一秒鐘。

然后，在黑洞蒸發(fā)時(shí)所處的地方，一個(gè)有著與我們居住的宇宙完全不同的物理定律的“空間泡泡”將開(kāi)始生長(zhǎng)，并以光速不斷向外膨脹。凡是被這個(gè)泡泡所包裹的地方，任何原子都會(huì)瓦解，與之構(gòu)成的萬(wàn)事萬(wàn)物都會(huì)在瞬間消失。

這個(gè)泡泡是無(wú)形的。它開(kāi)始膨脹時(shí)，如果你站在附近，你看不到它的到來(lái)。如果它從下面朝你襲來(lái)，你的腳會(huì)在你意識(shí)到之前就消失了。

不過(guò)，要想讓上面的恐怖場(chǎng)景真的發(fā)生，有一個(gè)前提：宇宙至少得有一個(gè)額外維度。但現(xiàn)實(shí)中，宇宙并沒(méi)有走向毀滅，至少現(xiàn)在還沒(méi)有。那么，這意味著什么呢？

要想理解這個(gè)問(wèn)題，我們首先來(lái)談?wù)勵(lì)~外維度會(huì)帶來(lái)何種影響。

額外維度對(duì)宇宙的影響

每個(gè)人憑經(jīng)驗(yàn)都知道，周?chē)目臻g有3個(gè)維度，例如一個(gè)物體可以上下、前后或左右移動(dòng)。另外，我們還知道時(shí)間是1維的，因?yàn)闀r(shí)間流逝的方向只有一個(gè)。但許多物理學(xué)家都相信，我們的宇宙空間很有可能是高于3維的，這些多出來(lái)的空間維度可稱(chēng)為額外維度。把額外維度引入物理理論中，有助于解決當(dāng)前許多物理學(xué)和宇宙學(xué)問(wèn)題，包括把廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合在一起的問(wèn)題，暗能量和暗物質(zhì)的本質(zhì)問(wèn)題，等等。

我們?cè)谏钪袕膩?lái)沒(méi)有遭遇額外維度，也沒(méi)有找到關(guān)于額外維度的任何證據(jù)。物理學(xué)家認(rèn)為，額外維度應(yīng)該卷縮在很小的空間內(nèi)，太小了，目前還很難檢測(cè)到。

物理學(xué)家推測(cè)，額外維度即使很小，也會(huì)對(duì)宇宙本身產(chǎn)生影響。例如，牛頓的萬(wàn)有引力定律認(rèn)為，兩個(gè)物體的萬(wàn)有引力大小與它們之間的距離成平方反比。但如果存在額外維度的話，在非常微小的尺度上，引力與距離的平方反比定律可能不成立。因?yàn)橐赡苄孤┑竭@些額外維度上，這也許可以解釋為什么在宏觀尺度下，引力看起來(lái)比其他基本力弱得多。反過(guò)來(lái)，因?yàn)橐υ诤苄〉木嚯x內(nèi)向額外維度泄漏的量會(huì)比較少，這就會(huì)導(dǎo)致引力在很小的距離內(nèi)變得比預(yù)期的更強(qiáng)，不再遵循平方反比定律（例如，引力大小可能與距離的立方或四次方成反比）。

迷你黑洞會(huì)毀滅整個(gè)宇宙

于是，問(wèn)題就來(lái)了：如果額外維度真的存在，引力在微觀尺度下更變得強(qiáng)，這就降低制造迷你黑洞的門(mén)檻。假如不存在額外維度，那么引力在微觀尺度下應(yīng)該跟在宏觀尺度下是一樣的，那么制造一個(gè)迷你黑洞，你得需要更多的質(zhì)量或能量才行。

這就是為什么有些人曾擔(dān)心，歐洲日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在2008年開(kāi)始運(yùn)行后，產(chǎn)生的高能粒子碰撞后，也許會(huì)制造出迷你黑洞，甚至有些人擔(dān)心黑洞將地球吞噬。但到目前為止，還沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)這種情況。

然而，宇宙本身可以產(chǎn)生更高能量的粒子。目前所發(fā)現(xiàn)的能量最高的粒子來(lái)自于超高能宇宙射線，其能量大約是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所產(chǎn)生的粒子能量的1億倍。如果這些粒子之間的碰撞產(chǎn)生了迷你黑洞，那么物理學(xué)家可以就此計(jì)算出額外維度對(duì)引力有多大影響，以及引力的強(qiáng)度在距離變得多小時(shí)開(kāi)始增強(qiáng)。

不過(guò)，迷你黑洞的壽命很短。根據(jù)英國(guó)物理學(xué)家霍金在20世紀(jì)70年代提出的理論，所有的黑洞都會(huì)向外輻射，它們會(huì)慢慢蒸發(fā)，最終消失得一干二凈。而且，黑洞質(zhì)量越小，蒸發(fā)的速度就越快。根據(jù)霍金的理論，任何由宇宙射線中粒子的碰撞而形成的迷你黑洞，幾乎都會(huì)在瞬間消失。

這對(duì)整個(gè)宇宙來(lái)說(shuō)可能是個(gè)壞消息。2015年，英國(guó)杜倫大學(xué)的幾位物理學(xué)家在理論上證明了，當(dāng)黑洞蒸發(fā)時(shí)，它們有可能將宇宙推入一種狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，物理定律是如此的不同，以至于原子都無(wú)法穩(wěn)定地存在。這樣，宇宙內(nèi)的萬(wàn)物都會(huì)在眨眼間消失。

這種災(zāi)難被稱(chēng)為真空衰變。它依賴(lài)于這樣的觀點(diǎn)：我們宇宙處在一種假真空之中。假真空是一種不穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的真空，其能量密度不是理論上最低的。因?yàn)槿f(wàn)物皆?xún)A向于向能量最低的狀態(tài)演化，所以假真空可以演化為具有最低能量密度的真空，即真真空。然而，理論還表明，宇宙如果進(jìn)入這個(gè)真真空狀態(tài)，那么原子以及它們所構(gòu)成的萬(wàn)物都無(wú)法穩(wěn)定存在。

假真空演變?yōu)檎嬲婵?，可能很長(zhǎng)時(shí)間都不會(huì)發(fā)生，或者在某個(gè)時(shí)刻突然莫名地發(fā)生了，或者被某些事件所觸發(fā)，比如黑洞的蒸發(fā)。

杜倫大學(xué)的物理學(xué)家根據(jù)理論推算后發(fā)現(xiàn)，黑洞完全蒸發(fā)后，有可能在它所在的位置產(chǎn)生一個(gè)真真空區(qū)域。一旦真真空出現(xiàn)，它周?chē)目臻g就都會(huì)紛紛加入真真空。這個(gè)真真空區(qū)域就像一個(gè)膨脹的泡泡一樣，開(kāi)始以光速向外擴(kuò)張，帶走它所包裹的萬(wàn)事萬(wàn)物。

額外維度應(yīng)該很小

但這個(gè)理論導(dǎo)致了一個(gè)悖論。宇宙中超高能宇宙射線的粒子碰撞，應(yīng)該是宇宙中一種常見(jiàn)的現(xiàn)象。如果存在額外維度，并且如果它們足夠大到足以讓超高能宇宙射線產(chǎn)生迷你黑洞，那么宇宙應(yīng)該出現(xiàn)過(guò)很多迷你黑洞，它們完全蒸發(fā)后，肯定有一些會(huì)觸發(fā)真空衰變。事實(shí)上，我們還活著，真空衰變并沒(méi)有發(fā)生。如果額外維度真的存在，那么它們必須比先前所認(rèn)為的更小，使得超高能宇宙射線的粒子碰撞很難產(chǎn)生迷你黑洞。

來(lái)自美國(guó)的兩位物理學(xué)家根據(jù)上面的思路進(jìn)行了推算，發(fā)現(xiàn)任何額外維度的尺寸都必須小于大約16納米，這一數(shù)字只有原先估計(jì)的幾百分之一。當(dāng)然，這個(gè)研究并不能令人完全信服。畢竟，宇宙是否處于假真空之中，黑洞的蒸發(fā)是否能觸發(fā)真空衰變，這些都是有待商榷的。盡管如此，該研究仍有著一定的參考價(jià)值。