額外維度大小決定宇宙命運

示憐云

額外維度一定很小，否則宇宙會產(chǎn)生很多迷你黑洞，會使宇宙萬物在眨眼間消失。

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)時所處的地方，一個有著與我們居住的宇宙完全不同的物理定律的“空間泡泡”將開始生長，并以光速不斷向外膨脹。凡是被這個泡泡所包裹的地方，任何原子都會瓦解，與之構(gòu)成的萬事萬物都會在瞬間消失。

這個泡泡是無形的。它開始膨脹時，如果你站在附近，你看不到它的到來。如果它從下面朝你襲來，你的腳會在你意識到之前就消失了。

不過，要想讓上面的恐怖場景真的發(fā)生，有一個前提：宇宙至少得有一個額外維度。但現(xiàn)實中，宇宙并沒有走向毀滅，至少現(xiàn)在還沒有。那么，這意味著什么呢？

要想理解這個問題，我們首先來談?wù)勵~外維度會帶來何種影響。

額外維度對宇宙的影響

每個人憑經(jīng)驗都知道，周圍的空間有3個維度，例如一個物體可以上下、前后或左右移動。另外，我們還知道時間是1維的，因為時間流逝的方向只有一個。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，這些多出來的空間維度可稱為額外維度。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)問題，包括把廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合在一起的問題，暗能量和暗物質(zhì)的本質(zhì)問題，等等。

我們在生活中從來沒有遭遇額外維度，也沒有找到關(guān)于額外維度的任何證據(jù)。物理學(xué)家認為，額外維度應(yīng)該卷縮在很小的空間內(nèi)，太小了，目前還很難檢測到。

物理學(xué)家推測，額外維度即使很小，也會對宇宙本身產(chǎn)生影響。例如，牛頓的萬有引力定律認為，兩個物體的萬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。因為引力可能泄漏到這些額外維度上，這也許可以解釋為什么在宏觀尺度下，引力看起來比其他基本力弱得多。反過來，因為引力在很小的距離內(nèi)向額外維度泄漏的量會比較少，這就會導(dǎo)致引力在很小的距離內(nèi)變得比預(yù)期的更強，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）。

迷你黑洞會毀滅整個宇宙

于是，問題就來了：如果額外維度真的存在，引力在微觀尺度下更變得強，這就降低制造迷你黑洞的門檻。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)瓦附近的大型強子對撞機在2008年開始運行后，產(chǎn)生的高能粒子碰撞后，也許會制造出迷你黑洞，甚至有些人擔(dān)心黑洞將地球吞噬。但到目前為止，還沒有出現(xiàn)過這種情況。

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自于超高能宇宙射線，其能量大約是大型強子對撞機所產(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)家可以就此計算出額外維度對引力有多大影響，以及引力的強度在距離變得多小時開始增強。

不過，迷你黑洞的壽命很短。根據(jù)英國物理學(xué)家霍金在20世紀(jì)70年代提出的理論，所有的黑洞都會向外輻射，它們會慢慢蒸發(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，幾乎都會在瞬間消失。

這對整個宇宙來說可能是個壞消息。2015年，英國杜倫大學(xué)的幾位物理學(xué)家在理論上證明了，當(dāng)黑洞蒸發(fā)時，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，以至于原子都無法穩(wěn)定地存在。這樣，宇宙內(nèi)的萬物都會在眨眼間消失。

這種災(zāi)難被稱為真空衰變。它依賴于這樣的觀點：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。因為萬物皆傾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，宇宙如果進入這個真真空狀態(tài)，那么原子以及它們所構(gòu)成的萬物都無法穩(wěn)定存在。

假真空演變?yōu)檎嬲婵?，可能很長時間都不會發(fā)生，或者在某個時刻突然莫名地發(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)生一個真真空區(qū)域。一旦真真空出現(xiàn)，它周圍的空間就都會紛紛加入真真空。這個真真空區(qū)域就像一個膨脹的泡泡一樣，開始以光速向外擴張，帶走它所包裹的萬事萬物。

額外維度應(yīng)該很小

但這個理論導(dǎo)致了一個悖論。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)過很多迷你黑洞，它們完全蒸發(fā)后，肯定有一些會觸發(fā)真空衰變。事實上，我們還活著，真空衰變并沒有發(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。

來自美國的兩位物理學(xué)家根據(jù)上面的思路進行了推算，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)字只有原先估計的幾百分之一。當(dāng)然，這個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值。