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現(xiàn)代物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一是所謂的“層級(jí)問(wèn)題（hierarchy problem）”。這個(gè)問(wèn)題主要涉及為什么引力這么弱，以及不同基本作用力之間，尤其是引力和其他基本作用力之間的強(qiáng)度差異為何如此巨大（引力只有其他作用力的幾十億分之一）。

這個(gè)謎團(tuán)至今無(wú)解。但有物理學(xué)家認(rèn)為，謎底可能與引力擁有一些其他基本作用力沒(méi)有的特性有關(guān)。比如它可以向高維空間滲透。

有科學(xué)家認(rèn)為，引力之所以那么弱，是因?yàn)槠渌谢咀饔昧Χ急幌拗圃谒木S時(shí)空中，而引力卻可以擴(kuò)散到額外的維度。這導(dǎo)致引力的強(qiáng)度被極大地稀釋?zhuān)灾劣谠谌粘５乃木S時(shí)空里，我們體驗(yàn)到的引力極其微弱。

額外維度的概念是1919年德國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家西奧多·卡魯扎（Theodor Kaluza）首次提出的。他認(rèn)為，宇宙中除了四維時(shí)空，還存在著更多的維度。這些額外維度若是存在，可以解開(kāi)物理學(xué)中某些懸而未決的謎。

盡管目前還沒(méi)有任何證據(jù)表明存在額外的維度，但這種引人入勝的可能性卻一直被津津樂(lè)道。

額外的維度究竟在哪里？我們能感受到的只有四維時(shí)空。唯一可能的解釋是，這些額外的維度在極小的尺度上蜷曲了起來(lái)。雖然無(wú)法感知，但我們的每一個(gè)細(xì)小動(dòng)作，都會(huì)沿著蜷曲的維度運(yùn)動(dòng)數(shù)萬(wàn)億次。

弦理論學(xué)家一直利用額外的維度來(lái)支撐他們的觀點(diǎn)。但是解釋引力之所以那么弱，卻并不需要涉及那么復(fù)雜的理論框架。

引力若真是因?yàn)樵谛孤┒憩F(xiàn)得這么弱，額外維度的尺度必須在十分之一毫米左右。這一尺度堪稱(chēng)巨大。但即便如此，我們卻仍未能察覺(jué)這些維度。唯一可能的原因是，只有引力才能感知它們的存在。

但我們并不需要進(jìn)入這些維度就能窺探它們。想像將一張紙卷成極細(xì)的圓筒，然后讓無(wú)質(zhì)量的粒子——比如光子沿著筒壁運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)粒子不但會(huì)向前行進(jìn)，還會(huì)沿著筒壁作圓周運(yùn)動(dòng)。

假如我們從足夠遠(yuǎn)的地方觀測(cè)這根管子，我們就無(wú)法看到卷起來(lái)的那個(gè)維度。我們只會(huì)看到光子沿著管子作縱向運(yùn)動(dòng)。

然而光子畢竟也在卷曲的維度上運(yùn)動(dòng)，因此總體上它的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)比單純直線前進(jìn)慢。只要運(yùn)動(dòng)速度低于光速，粒子就一定擁有質(zhì)量，所以進(jìn)入額外維度的粒子，即便是無(wú)質(zhì)量的光子也會(huì)擁有質(zhì)量。

理論學(xué)家懷疑引力是由無(wú)質(zhì)量的所謂引力子傳遞的。引力子的傳播速度在正常情況下等于光速。但是假如它們進(jìn)入了額外維度，就會(huì)擁有質(zhì)量。在量子力學(xué)里，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際上存在無(wú)限多種不同質(zhì)量的引力子。

所以要發(fā)現(xiàn)額外的維度，首先要能通過(guò)高能粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)擁有質(zhì)量的引力子。

然而時(shí)至今日，人們一直沒(méi)能發(fā)現(xiàn)引力子，當(dāng)然更未能發(fā)現(xiàn)任何額外的維度。

這一結(jié)果也迫使物理學(xué)家對(duì)理論進(jìn)行修改。比如為了符合觀測(cè)結(jié)果，額外維度被設(shè)定為極其微小。

但這樣我們就又解釋不了引力為何如此微弱了。

不過(guò)按照物理學(xué)家麗莎·蘭德?tīng)枺↙isa Randall）和拉曼·桑德拉姆（Raman Sundrum）的觀點(diǎn)，額外的維度可以擁有曲率，而非傳統(tǒng)認(rèn)知中的平直狀態(tài)。這樣它們就能夠維持足夠大的尺度，為引力的微弱提供解釋?zhuān)c此同時(shí)也給我們理解粒子對(duì)撞機(jī)為何至今未能發(fā)現(xiàn)引力子留出了余地。

參考

Does the universe have extra dimensions hiding in plain sight?

https://www.space.com/astronomy/does-the-universe-have-extra-dimensions-hiding-in-plain-sight