主题：【文摘】趣谈物理学的革命和统一 -- 夏翁

随着毛泽东主席去世的日渐久远，“人民”这个词也日渐失去其神圣性。当今最时髦的相近词语是“网民”：万维网(World Wide Web)上的人民。这是科技发展对当今人类生活影响最大的事物之一，大概为数不多的网民知道该项技术的最初产地是位于瑞士日内瓦市的欧洲核子研究中心（CERN）。现在该中心以物理学家为主的一小撮网民找到了新的刺激：在多维世界里冲浪。这里的“多维”似乎比上述“万维”少了许多，但是它的意义却极不平凡，可能引起科学里的又一次革命。

近代科学革命的起因之一是十六，七世纪意大利的伽利略（1564-1642）对古希腊亚里士多德的某些论断的怀疑。亚里士多德认为重的物体下落得快，轻的物体下落得慢。伽利略说把一个重物体和一个轻物体绑在一起，称之为重轻合体，重轻合体下落得快慢何如？根据亚里士多德上述论断，重轻合体下落得应不快不慢（轻的物体会拖累重的物体）。但从另一方面讲，考虑到重轻合体比上述重的物体更重，它应下落得比上述重的物体还快。为了解决此矛盾，伽利略区分了速度和加速度，通过建立数学模型和实验最后证明了物体下落得快慢和它的轻重没有关系。伽利略去世后一年，诞生在英国的牛顿（1643-1727）用他自己发明的微积分把前人，特别是伽利略的成果，定量化为三个定律而完成了近代科学的革命。

这项革命到今天的成果之一是：上帝被物理学家囚禁在10^-33 (一亿亿亿亿分之一) 毫米的尺度内，出来放风的时间不能超过10^-43 秒。这是一位名叫普郎克的德国物理学家在1900年通过提出量子论而设计的监狱。有人怀疑这是普郎克在为他的德国同胞哲学家尼采打抱不平：尼采曾说过上帝死了，有人听到上帝回嘴说尼采死了，而尼采在1900年真的死了。在此之后，上帝本人可谓是是大丈夫能伸能屈，还没有人出来证实听到上帝再抱怨过什么。但是上帝众多的不懂科学或不愿意懂科学的善男信女，在被逼无奈的情况下终于团结了起来，形成了强大的反革命阵线。在上世纪九十年代初，他们成功地逼迫美国国会封杀了物理学家已经下了三十多亿美金赌注的超级超导对撞机。面对强大的反革命白色恐怖，众多失去武器的实验物理战士纷纷逃离科学前沿，行走于华尔街，大公司等生活环境舒适的场所。

但是战斗在理论物理前沿的科学革命战士有几只秃笔就足够壮胆，特别是他们作为网民也可以拉帮结派迎接反攻。最近听到他们中有些人不断地拿着亚里士多德的某些论断说事，让人感觉到一场新的革命就要到来。顺手在万维网上捞了几把，果然抓到了几只冒烟的枪。从理论物理学的形象大使霍金博士不久前在中国的两场煽风点火，也可以印证本人不是喊狼来了的唯一多事者。这次受到挑战的亚里士多德论断是：我们的物理空间只有三个维度。挑战者认为：不一定。

挑战权威是成名的一条捷径，在各个领域都有胆大包天之徒。在亚里士多德物理空间只有三个维度的论断的两千多年的擂台上，当然也不乏挑战者。远的这里没有时间详加考证，近代比较知名的有德国数学家黎曼(Bernhard Reimann, 1826-1866)，他首先指出了在数学上构造多维空间的可能性与合理性。英国数学家克利弗（William Clifford，1845-1879）虽然英年早逝，但在他的“On the space theory of matter” 中指出物理空间可能大于三个维度。发明了检眼镜的德国物理生理学家赫姆霍兹（Herman von Helmholtz，1821-1894）在挑战麦克斯韦电磁理论的过程中也公开谈论过多于三个维度的物理空间，其学生赫兹（Heinrich Rudolph Hertz，1857-1894）接受挑战而发现了麦克斯韦预言已久的电磁波。

但是最成功地激发大众对多维空间的兴趣和想象力的则非英国数学家韩顿（Charles Howard Hinton，1853-1907）莫属。通过他丰富的想象力和严格的数学方法把四维空间的物体在纸面（二维）上几何图形化，由此导致了几部以几何空间维数为主题的科学幻想小说。这位娶了数学逻辑创始人布尔（George Boole）大女儿的怪杰又同时与名为Maud Wheldon的女士结婚。为了逃避法律惩罚，他不得不逃到远东的日本。这大概也算是西方世界的额外维空间了。受到韩顿激励而面世的一部著名科幻小说为埃博特（Edwin Abbott Abbott， 1838-1926）的“平面帝国”（“Flatland”）。1877年伦敦的斯莱德（Henry Slade， 1835-1905）案件使多名著名科学家卷入多维空间的讨论。其中包括汤姆逊（J. J. Thompson）等。H.G. Wells的“时间机器”（1895）等都对多维空间有过生动的描述。

爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）1905年创立的狭义相对论把三维的空间和一维的时间通过洛仑兹变换联系起来。经爱因斯坦的老师之一闽可夫斯基（Hermann Minkowski）1909年的建议，所有的物理事件都应在三维空间和一维时间组成的平坦四维时空中描述。所以这种平坦四维时空又称为闽可夫斯基空间。芬兰物理学家诺斯托姆（Gunnar Nordstrom， 1881-1923）1914 年首先提出高维时空统一引力与电磁力的尝试，由于第一次世界大战而没能引起人们的注意。

爱因斯坦的广义相对论 （1915），把弯曲的黎曼空间引入物理学。德国物理学家卡鲁查(Theodor Kaluza，1885-1954) 1919年提出了5维时空统一引力与电磁力的尝试。瑞典物理学家克莱茵（Oskar Klein，1894-1977） 1926年建议第5维空间收缩在普郎克尺度10^-35 米内。由于不能包容当时神秘的弱力，巨大的强力，多维空间的讨论以后就被埋在故纸堆中。后面两种力加上电磁力在量子场论下被规范原理统一，谱写了二十世纪物理学的主旋律。同时二十世纪的天体物理学认为宇宙是起源于一次大爆炸。为了对这种爆炸的来龙去脉给出个合理的说法，亚里士多德关于我们的物理空间只有三个维度论断受到挑战。增加的时空维数被用来兼并统一所有的物理理论，展开我们所安身立命的宇宙演化过程。

欲知详情，请读者先随我简短地回顾一下科学史，特别是物理学史以及人们对宇宙的认识历程。接着看一看挑战者们如何闪转腾挪施展本领；最后由读者自己判断挑战者的命运。万一看得走火入魔加入了挑战者的行列，则正中本人下怀。

• 推荐动画短片“Flatland”