丽莎·兰德尔大笑起来。这听起来可能一点也不稀奇,直到你考虑到她此刻正在思考的事情。她正试图将人类从“我们生活在一个三维世界”的普遍但可能错误的假设中解放出来。她在其近期出版的书《扭曲的通道:解开宇宙隐藏维度的奥秘》(Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe's Hidden Dimensions,Ecco出版社,2005年)中警告说:“错误信息的宣传始于婴儿时期,它首先让你接触到三个空间维度。”
大约在二十年前,一群物理学家开始认真地在弦理论中寻求更深刻的真理,弦理论认为自然的根本粒子是由微小的能量振动弦组成的。问题是,这个理论只有在弦振动的维度超过三个时才有效。兰德尔,哈佛大学的理论物理学家,是第二代研究人员中的佼佼者,她们正将这一思想提升到一个更宏大的层面,设想的不仅是微小的弦,还有被称为“膜”的巨大高维空间。她认为这种方法可以彻底改变我们对引力的理解,并揭示宇宙最深层的运作机制。
然而,兰德尔却异常务实。她讨厌自己的想法被局限于学术界的围墙内,她既尊重又淡化自己在一个男性主导领域中作为女性的重要性——而且在我们的谈话中,她那宏亮而低沉的笑声不时爆发出。她觉得这个世界丰富、舒适且有趣。她只是想给它增加一点维度。
你对物理学的兴趣是从哪里开始的?
上学的时候我喜欢数学,因为所有的问题都有答案。其他的一切似乎都非常主观。英语课上的老师会说:“为什么这本书很重要?”他们会寻找三个好理由,而你可能想到的是其他的理由。我不喜欢那种任意性。后来我决定,只做数学会让我发疯。我会为了一个问题熬夜,然后我想:“我余生都不能这样生活了。”(笑)我想要一些与世界联系更紧密的东西。
说起与世界的联系——在你的工作中,你设想了额外的维度,但你仍然需要和我们其他人生活在同一个星球上。你在脑海中会一直带着其他维度的影像吗?
那是短暂的。在我的书里,我描述了在查尔斯河上散步时,我曾想:“你知道,我真的相信那里存在额外的维度。”有时我会有这样的感觉,我所看到的是那里存在事物的很小一部分。不总是如此,但可能比我意识到的更频繁。有时我会想到一个问题,然后意识到我看待世界的方式和我朋友们略有不同。
所以你凭直觉相信更高的维度确实存在?
我不明白为什么它们不存在。在物理学的历史中,每一次当我们审视熟悉的尺度和能量之外的事物时,我们都会发现我们意想不到的东西。你看原子内部,最终你会发现夸克。谁能想到呢?认为我们所看到的一切就是全部,这是一种傲慢。
如果存在三个以上的维度,这对我们认识宇宙的图景会产生什么影响?
我正在研究的是膜,即高维空间中的类似膜的物体。粒子可能被“困”在三维膜上,就像在我们的三维空间中,物体可以被固定在淋浴帘的两维表面上一样。也许电磁学只在三个维度上扩散,因为它被困在一个三维膜上。可能我们所知道的一切都只是被困在一个膜上,除了引力。
然而,当我们环顾四周时,我们非常清楚地只看到三个维度。其他维度可能隐藏在哪里?
传统的答案是额外的维度很小:如果某个东西足够小,你就不会体验到它。事情就是这样发展到20世纪90年代,当时我和拉曼·桑德拉姆(Raman Sundrum)意识到,如果时空是扭曲的,我们可以拥有一个无限的额外维度。然后,我和安德烈亚斯·卡奇(Andreas Karch)发现了一个更惊人的结果——我们可能生活在一个高维宇宙中的一个三维“口袋”里。我们所在的地方看起来只有三个空间维度,但在其他地方,可能看起来有四个甚至更多的空间维度。
而且那里可能存在一个完全不同的宇宙?
有可能。那将是一个不同的宇宙,因为,例如,束缚轨道(如地球绕太阳的路径)只在三个空间维度上起作用。而那个宇宙可能有不同的物理定律。例如,它们可能有一种我们免疫的完全不同的力。我们不会体验到那种力,而它们也不会体验到,比如说,电磁力。所以,可能我们是由夸克和电子组成的,而它们是由完全不同的物质组成的。那可能是一种完全不同的化学,不同的力——除了引力,我们认为引力是共享的。
引力有什么特别之处?
在弦理论中有两种弦,一种是有末端的开放弦,另一种是闭合的圆环弦。开放弦固定在膜表面上,因此与之相关的粒子被固定在膜上。例如,如果你有一个与电子相关的开放弦,它就在一个膜上。引力与闭合弦相关。它没有末端,也没有机制将其限制在膜上。引力可以扩散到任何地方,所以它确实很特别。它可能会稍微“泄漏”到额外的维度中。这可以解释为什么引力与其他力相比如此之弱。毕竟,一个小小的磁铁就能举起一个回形针,对抗整个地球的引力。
坦白说,其中一些想法听起来对普通人来说有点疯狂。这些想法从何而来?
人们考虑额外维度的一个原因是弦理论,即基本粒子实际上是微小能量弦的振动的假设。弦理论提供了一种将两个非常不同的世界模型——量子力学和广义相对论——结合起来的方法。基本上,量子力学适用于原子尺度,而广义相对论适用于宏观尺度。我们认为应该有一个单一的理论,可以在所有范围内都有效。弦理论可以做到这一点,但前提是宇宙有不止三个空间维度。更普遍地说,如果我们只有三个空间维度,有些事情我们就无法理解,而其中一些问题似乎可以通过存在额外维度来解决。此外,没有一个基本物理理论明确指出三个空间维度。引力理论允许任何数量的维度。所以,思考如果存在额外维度,世界会是什么样子,这是合乎逻辑的。
我们如何知道你的想法是否正确?
实验物理学家将寻找所谓的卡鲁扎-克莱因粒子(Kaluza-Klein particles),这些粒子与隐藏的维度有关。在大型强子对撞机(一个位于法国-瑞士边境,将于2007年投入运行的粒子加速器)上,可能有足够的能量产生这些粒子。在我们的理论中,卡鲁扎-克莱因粒子会在探测器中衰变——你会找到衰变产物,然后就能重构出原本的粒子。这将为额外的维度提供非常强有力的证据。也许在五年内我们就能知道答案。
这些实验成本高昂。你担心公众是否愿意支持如此纯粹的理论研究吗?
我对此非常担心。如果我们现在不做,我们可能就永远不会做了。我们已经建立了技术;我们正处于一个关键点,如果我们不继续下去,就会失去这些专业知识,不得不重新开始。是的,这很昂贵,但我相信最终是值得的。它对我们是谁,我们怎么想,我们如何看待世界都产生了影响。这些是能让人们对科学产生热情的因素,因此公众会更加了解科学。
你工作中最令人惊叹的事情之一是,其中很大一部分直接源于你的想象,而不是在实验室里翻箱倒柜得出的。这似乎非常像“粉笔和黑板”式的研究。
没错,就是黑板。这些是人们似乎很在意的事情,我们有满是方程的黑板,我们经常互相交流,我们不是把自己关在办公室里,不理会外界。但有时我们确实会独自思考。一旦你真正集中精力,如果被打断了,你就必须回到原点,重新建立起来。就像弗雷德·弗林斯通(Fred Flintstone)和他保龄球一样:你不想在别人进入那种状态时打扰他们。但另一方面,有时我们只是在纸上谈论和书写,有时我们在黑板前互相交流想法。我们的工作包含所有这些。是阅读别人所做的研究,试图弄清楚某件事,卡住,挣脱,尝试寻找不同的解决问题的方法。
你并不完全符合人们印象中那位头发花白、穿着粗花呢的教授的形象。作为一个年轻女性在男性主导的领域工作,是否肩负着特殊的责任?
要是我还年轻就好了!(笑)我曾以为我能一路接受采访而不必谈论这件事。但是,是的,我认为是有的。我可能更谨慎,可能花更多时间在这方面。另外,在写我的书时,我觉得它必须写得好,因为该领域里的女性不多,我认为它会受到额外的审视。所以确实有额外的责任;反过来说,如果它能吸引更多元化的群体进入物理学领域,也可能带来额外的回报。
在你自己的研究领域之外,你认为当今科学界最活跃的领域是哪里?
神经科学令人兴奋。理解思维如何工作,连接如何建立,记忆如何运作,我们如何处理信息,信息如何存储——这一切都令人着迷。然而,在实验方面,我们能做的事情仍然相当有限。我甚至不知道意识是什么。我希望有人能定义意识。
许多人会说物理学还有很长的路要走。你现在感到兴奋的事情,一旦有人提出了更好的理论,是否就会显得过时,这会让你 bothered 吗?
没错,我们还没有找到所有答案,但我们已经找到了一些,并且还在不断发现。我们不知道一切,这并不意味着我们一无所知。有人问我:“既然得不到最终答案,何苦要去做呢?”我回答说:“如果有人给我一份甜点,我知道它不是最好的甜点,我仍然会很乐意吃它,然后等待下一份。”
物理学最终能否解决最大的问题——例如,为什么宇宙会存在?
科学不是宗教。我们无法回答“为什么”的问题。但是,当我们把我们对宇宙的所有了解结合起来时,它们非常契合。通货膨胀理论(目前的大爆炸模型)可以通过观测宇宙微波背景来检验,这对我来说是了不起的。这并不意味着我们不能做得更进一步。我想问:我们是否生活在一个三维时空“口袋”里?我们正在探讨这个宇宙是如何开始的,但也许我们应该问一个更大的、十维宇宙是如何开始的,以及我们是如何从那里来到这里的。
这听起来像是你提出的让科学和宗教不发生冲突的公式。
很多科学家都采取斯蒂芬·杰伊·古尔德(Stephen Jay Gould)的观点:宗教提出关于道德的问题,而科学只问关于自然世界的问题。但当人们试图用宗教来解释自然世界时,科学会反击,而宗教不得不适应这些结果。信仰可以是永恒的,但信仰也可以是灵活的。就我个人而言,如果我发现我的信仰是错误的,我会改变主意。我认为这是很好的生活方式。
那么,你的科学是否为不可检验的信仰留有空间?你相信上帝吗?
那里有空间,而且可以朝任何一个方向发展。信仰与我作为一名科学家所做的事情无关。如果你能信仰上帝,那就好了,因为这样你就能看到更多事物的意义。但即使你不能,也不意味着就没有意义。也不意味着就没有善良。我认为做好事本身就是一种美德。
我认为人们可以接受我们所拥有的世界。所以,我可能不相信上帝。我认为如果人们不信教就被视为不道德,这是一个问题。这完全是错误的。这可能会让我招惹一些敌人,但从某些方面来说,他们可能甚至更道德。如果你出于宗教原因做某事,你是为了在来世或今世获得回报。这不如出于纯粹慷慨的理由做某事。














