“当我真正开始做物理时，有那么一个时刻，一切思绪变得清晰明了，你会看见之前从未被人发现的东西。那种感觉太奇妙了。”

——丽莎·兰道尔

6600万年前，地球上横行着一种史上最恐怖的庞然巨兽——霸王龙。它们身高超过3.5米，长12.3米，重达14公吨，牢牢地占据着恐龙世界中的王者地位。然而，无论这一曾经的王者威力如何了得，在面对自然的力量时，是如此的渺小，毫无与之对抗的资格。

当时，一颗宽约10公里的天外来物直接撞击了地球表面，一举毁灭了统治陆地的恐龙，以及同时代的75％的物种。这个带来毁灭性灾难的不速之客很可能是一颗来自比海王星的轨道还遥远的奥尔特星云的彗星。但究竟为什么这颗彗星会在其稳定轨道上受到扰动，从而朝地球飞来并“谋杀”了恐龙，没有人能给出确定的答案。

○ Lisa Randall在腾讯WE大会分享关于暗物质、恐龙与第五维的故事。| 图片来源： 腾讯WE大会

在众多的“侦探”中，丽莎·兰道尔（Lisa Randall）锁定了一名最有意思的“嫌疑犯”。我们知道，地球和太阳并不是静止不动的，它们会绕着银河系的中心运动。当太阳系在通过银河系的中间平面时，它遇到了由嫌疑犯——暗物质构成的盘面，正是这些暗物质改变了太阳系边缘的天体的运行轨道，从而导致了这一灾难性的事件。

我们并不知道这个猜想是否正确，我们甚至不知道什么是暗物质。但可以肯定的是这个情节并非出自某个科幻小说，而是由世界上被引用次数最高的理论物理学家之一兰道尔深思熟虑后提出的。作为哈佛大学的终身教授，兰道尔是一位名副其实的集才华与美貌于一身的科学家。2018年11月4日，兰道尔与基普·索恩等人齐聚在腾讯WE大会，与我们分享关于额外维度和暗物质的故事。

暗物质

那么，究竟什么是暗物质？一个最简短的答案是：不知道。世界上有许多的科学家都在通过空间高能粒子探测器、深埋于地底下的探测器，以及粒子对撞机来寻找暗物质的踪迹，目前还没有发现任何蛛丝马迹。普通的光学手段是无法找到它们的，因为它们不发光、不反射、也不吸收光。

○宇宙的成分：暗物质约为26.8%，暗能量约为68.3%，而我们熟悉的普通物质（比如行星、恒星等）只占4.9%。| 图片来源：ESA/Planck

如果我们没有发现它们，又是如何确定它们存在的呢？因为有许多天文观测只有在暗物质存在的情况下才可以被解释。例如，从星系自转曲线中我们会发现，在星系外围的恒星和气体的运动速度太快了，如果没有暗物质提供额外的引力，那么星系早就分崩离析。又比如，当遥远的光线经过离我们较近的星系团时，根据爱因斯坦提出的广义相对论，光线会发生弯曲。从光线弯曲的程度我们可以推算出星系团的质量，许多观测结果表明星系团内只有存在大量的暗物质才能解释弯曲的程度。

○ 当两个星系团碰撞产生一个更大的星系团时，星系团中的气体会加热并释放出大量的X射线辐射（粉红色）。科学运用引力透镜的方法，间接地探测到了星系团中的暗物质（蓝色），它们会毫无阻碍的穿过星系团，没有任何的碰撞或者自相互作用。| 图片来源：NASA/CXC/CFA/M.Markevitch et al.

在宇宙的演化历史中，暗物质对大尺度结构的形成也至关重要。因此，我们有许多理由认为暗物质是存在的，只是我们还需要有足够的耐心去寻找，揭开它们的真正面目。

○ 围绕着银河系的暗物质晕（Dark Matter Halo），提供了额外的引力来源。| 图片来源：ESA

回到我们一开始提出的问题，暗物质真的谋杀了恐龙吗？天文学家相信，银河系被一个巨大的、光滑且弥散的暗物质晕（halo）所环绕。引发恐龙灭绝的那种暗物质的分布于宇宙中大部分暗物质非常不同。这种类型的暗物质会让暗物质晕保持完整，它们与众不同的相互作用会让它们凝结成一个正好处于银河系中间平面的盘状物。形成的薄薄的暗物质盘可能密度非常高，以至于当太阳系通过时，会导致太阳的轨道穿过我们的星系时会上下振荡，因此暗物质盘的引力影响会特别的强。

○ 太阳在通过银河系平面时，会进行周期性的上下运动。| 图片来源：GARY PIKOVSKY

强大的引力足以改变在太阳系边缘的彗星，而太阳的引力太弱无法将彗星稳固在轨道上。脱离轨道的彗星要么被逐出太阳系，要么冲进太阳系内，这就有很大的机会撞击到地球，导致了地球上的大灭绝。

地球上曾经经历了五次的大灭绝事件。每一次的灭绝即带来了毁灭，也带来了新的生机。我们无法回答类似”如果恐龙一直存在，那么今天地球的统治者还会是人类吗？“这样的问题。如果兰道尔是对的，那么我们或许真应该感谢暗物质，使我们今天有机会生存在这颗”暗淡蓝点“之上，追问宇宙的奥秘，寻找看不见的那些世界。

额外维度

暗物质并非唯一无法看见事物。如果某样东西太过于小，那么我们也看不见。例如我们看不到分子、原子、夸克、电子，但是越来越精密的仪器使我们能够探索这些尺度下的世界。那如果在更小的尺度呢？比如在普朗克长度下，我们能否看见由弦构成的世界？或者是看到我们一直想要寻找的额外维度？

○人类可以一个宽泛的尺度上（白色区域）探测宇宙，但是现代物理学理论所考虑的许多尺度已经超出这个范围之外（灰色）。| 图片来源：Tynan DeBold/Quanta Magazine

我们非常熟悉自己所身处的三维世界，上下、左右、前后，但宇宙真的只有三维吗？似乎没有任何理由能够否定额外维度的存在。假设存在更高的维度，我们可以想象那样的世界吗？现在让我们降一个维度，想象一下我们是二维生物，被领进一个三维的世界。如果我们观察一个三维球体垂直地穿过二维世界，我们会看到什么？我们看到的是大小不等的切片穿过，先是慢慢放大，然后再逐渐缩小。

○二维世界的生物体看到三维球体会放大再缩小。| 图片来源：Pany/NPI

通过这个类比，我们可以想象如果一个四维的超球体穿过我们的三维宇宙，我们可以推断超球体在我们的宇宙中看起来应该是一系列变大又缩小的三维球体。除了切片以外，想象额外维度的方法还包括了投影、全息影像等。

当然，研究高维的最好方法其实是通过数学，而非图像。在爱因斯坦提出广义相对论后，Theodor Kaluza在1919年的时候，为了统一引力和电磁力，将时空的维度从四维扩展到了五维。爱因斯坦显然被这个想法迷住了，但他困惑的是这额外的维度在哪里？它与其它三维有何不同？

○ 在时空的每一点都有个额外的卷曲的维度。| 图片来源：WGBH/NOVA

直到1926年，瑞典的物理学家Oskar Klein才给出了答案。他认为或许是因为空间的第四个维度太小了。这很好理解，只要想象一根吸管。从远处看，吸管就是一维的线，但只要观察的足够近就会发现它其实是根管子。Klein 认为这一额外的维度会卷曲成看不见的小圆圈，尺度为10-33厘米。这个尺度太小了，以至于目前任何实验都无法直接探索它的存在。

到了1999年，兰道尔发现了一种新的方法可以隐藏额外维度，这种理论是在弦理论的基础上发展出来的，被称为膜理论。该理论假定，引力会延伸至额外维度中，而人类、行星、恒星以及所有我们能感受到的东西，都会聚集在一张膜上。膜理论告诉我们，极小的额外维度并不是唯一的选择，它也有可能延伸至无穷大，却依然能够隐藏自己。

如果说我们生活在其中一张悬浮在高维时空的膜上，那么是否会有还有其他的膜会悬浮其中？答案是肯定的，但我们并不知道会有几个或几种膜。当超过一个膜的时候就进入了多重宇宙。

膜理论可以解决物理学中的一个重大问题：为什么相比于其它三种基本力（电磁力、强核力、弱核力），引力是如此的弱？这个问题被称为等级问题。当然，如果你是个登山爱好者，你可能会认为地球的引力并不微弱啊！但是试想一下，这是因为整个地球都在作用于你。而尽管地球的引力努力地将一枚小小的曲别针往下拉，可是一块小小的磁铁轻而易举就能抵抗地球的引力，将曲别针吸起。在物理学的标准模型中，这是一个未解之谜，而额外的维度提供了一个可能的解释。

○引力膜和弱膜。| 图片来源：Pany/NPI

上图中我们看到了在弯曲的时空几何中存在两张膜，其中一张膜上的引力很弱（弱膜），另一张膜上的引力很强（引力膜）。如果我们居住在除引力膜以外的其他地方，引力都会很弱。所有，如果我们居住在弱膜上，那么等级问题就是一件很自然的事情。

○ KK粒子的费曼图。| 图片来源：Pany/NPI

虽然听起来是个疯狂的想法，但其实这个理论在高能对撞机中是可被验证的。大型强子对撞机（LHC）可以产生适当的能量去寻找该理论的结果。在额外维度中，存在着一种被称为KK(Kaluza-Klein)的粒子。这是一种能在额外维度中传播并携带动量的粒子，在我们看来它们是重粒子，其特征质量谱由额外维度的大小和形状决定。虽然我们目前还没有在LHC中找到KK粒子的踪迹，但也不能排除它。

未来，如果中国的下一代对撞机建成，那么就有更大的优势去寻找这些奇异粒子。而兰道尔也将继续探索高维空间、暗物质等等那些隐藏在宇宙深处的世界。