科學(xué)革命，顧名思義，就是向常識(shí)挑戰(zhàn)。
      如果我們此前所有對(duì)宇宙常識(shí)的認(rèn)知都是正確的，那么，幾千年前科學(xué)就解決了宇宙的秘密。科學(xué)的目的就是剝?nèi)ナ挛锿獗�，揭露�?nèi)在本質(zhì)。事實(shí)上，如果外表和本質(zhì)完全相同，科學(xué)也就失去了存在的意義。
      也許，我們根深蒂固地認(rèn)為：世界是三維的。不言而喻，長度、寬度、高度，足以描述我們可見宇宙中的所有物體。嬰兒和動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)表明，我們固有的觀念——世界是三維的——是與生俱來的。如果我們將時(shí)間作為另一個(gè)維度，那么，這四個(gè)維度足以記錄宇宙中的所有事件。無論我們的儀器探測到哪兒，從原子深處到最遠(yuǎn)的星群，我們所發(fā)現(xiàn)的都是這四個(gè)維度的蹤跡。公開否認(rèn)這種看法，即可能存在其他維度或者我們的宇宙可能與其他宇宙共存，都會(huì)招來冷嘲熱諷。對(duì)我們這個(gè)世界的根深蒂固的偏見認(rèn)知，最初是由2000年前的古希臘哲學(xué)家們推測而出。今天，它將屈服于科學(xué)的進(jìn)步。
      本書涉及一場科學(xué)革命，這場革命由 “超空間理論”所引發(fā) [1] ，超空間理論認(rèn)為，有超越于人們普遍接受的四維時(shí)空以外的維度存在。世界范圍內(nèi)的物理學(xué)家，包括若干諾貝爾獎(jiǎng)得主，越來越承認(rèn)我們的宇宙可能確實(shí)存在于更高維的空間中。如果這個(gè)理論被證明是正確的，它將對(duì)我們理解宇宙產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響和哲學(xué)的革命。在科學(xué)術(shù)語上，超空間理論被稱為卡魯扎-克萊因（Kaluza-Klein）理論和超引力理論。但它最高級(jí)的表述形式是——超弦理論。這一理論甚至預(yù)言了超空間的精確維度：十維。通常的四維空間（長、寬、高、時(shí)間）的認(rèn)知，現(xiàn)在被6個(gè)更加寬廣的維度所擴(kuò)充。
      我們提醒大家，超空間理論還沒有得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。事實(shí)上，在實(shí)驗(yàn)室證實(shí)這個(gè)理論會(huì)異常困難。然而，這個(gè)理論已經(jīng)席卷了世界上的大多數(shù)物理研究實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)地改變了現(xiàn)代物理學(xué)的科學(xué)繪景。在科學(xué)文獻(xiàn)中產(chǎn)生了數(shù)量驚人的與此相關(guān)的研究論文。然而，幾乎沒有人為外行的讀者著書解釋高維空間的迷人性質(zhì)。因此，如果確實(shí)有這場革命的話,公眾也只是模糊地意識(shí)到。事實(shí)上，在大眾文化中膚淺地介紹其他維度和平行宇宙往往會(huì)對(duì)讀者帶來誤導(dǎo)。這是令人遺憾的，因?yàn)槔碚摰闹匾�性在于它能在一個(gè)驚人的簡單框架中統(tǒng)一所有已知的物理現(xiàn)象。本書首次在科學(xué)上就有關(guān)超空間的引人入勝的現(xiàn)行研究作了可信易懂的描述。
      為解釋為什么超空間理論在理論物理界產(chǎn)生了巨大的騷動(dòng)，我設(shè)立了四個(gè)基本主題，像一根主線貫穿全書。這四個(gè)主題將該書分成四個(gè)部分。
      在第一部分，我強(qiáng)調(diào)的主題是：自然法則在高維空間中表達(dá)時(shí)將更加簡單而優(yōu)雅，并由此展開了超空間的早期歷史。
      為了理解為何添加更高的維度可以簡化物理問題，可以考慮下面的例子：對(duì)古埃及人來說，天氣變化是個(gè)謎。是什么引起季節(jié)的更替？為什么他們向南旅行時(shí)，天氣會(huì)變得暖和？為什么風(fēng)通常吹向一個(gè)方向？受到地勢的限制，古埃及人無法解釋天氣問題。他們認(rèn)為地球似乎是扁平的，就像二維平面。但是，現(xiàn)在假想我們用火箭將古埃及人送到外層空間，在那里，他們可以看到簡單而完整的地球正在它的軌道上環(huán)繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)。剎那間，這些問題的答案迎刃而解。
      從外層空間看地球，可以清楚地看到地球的軸偏離豎直方向約23度（“豎直方向”是指地球環(huán)繞太陽的軌道平面的垂直方向）。因?yàn)橛辛诉@種偏離，地球北半球在它的部分軌道上所接收到的太陽光會(huì)低于另一部分軌道上接收到的太陽光。因此，地球有了冬天和夏天。又因?yàn)槌嗟辣缺睒O和南極地區(qū)接受的陽光多，所以當(dāng)我們接近赤道時(shí)氣候會(huì)變得暖和。同理，由于地球相對(duì)于站在北極的人作逆時(shí)針自轉(zhuǎn)，因此，寒冷的極地空氣朝著赤道方向向南移動(dòng)時(shí)會(huì)突然轉(zhuǎn)向。這個(gè)由地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的熱空氣團(tuán)和冷空氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)有助于解釋為什么風(fēng)通常吹向一個(gè)方向，而風(fēng)的方向取決于你在地球上所站的位置。
      概括地說，一旦我們從太空眺望地球，原本模糊的天氣規(guī)律就變得易于理解了。因此，解決問題的辦法就是進(jìn)入太空，進(jìn)入第三維度。當(dāng)你在太空眺望三維地球時(shí)，在扁平世界難以理解的事情就突然變得易于理解了。
      同樣，萬有引力定律和光的定律似乎完全不同。它們服從不同的物理假設(shè)和不同的數(shù)學(xué)規(guī)律。人們?cè)噲D將他們拼接起來總是歸于失敗。但是，如果我們?cè)谙惹暗乃木S（三維空間加一維時(shí)間）中增加一維，即第五維。那么，控制光和引力的方程就像兩塊拼圖一樣融合起來。光事實(shí)上可以被理解為第五維度中的振動(dòng)。以這種方式，我們發(fā)現(xiàn)光的規(guī)律和引力的規(guī)律在第五維度中變得簡單。
      因此，許多物理學(xué)家現(xiàn)在相信，傳統(tǒng)的四維理論“太小”而不能充分地闡明描述宇宙中的那些力。在四維理論中，物理學(xué)家用笨拙的不自然的方式將這些自然力擠壓在一起。此外，這種混合雜配理論是不正確的。在超出四維之外，我們有了足夠的空間以優(yōu)雅的自我一致的方式來解釋基本力。
      在第二部分，我強(qiáng)調(diào)超空間理論可以將所有已知的自然力統(tǒng)一到一個(gè)理論中，并詳盡闡述了這一簡單思想。因此，超空間理論可能是2000年來科學(xué)研究的最高成就：所有已知物理力的統(tǒng)一。它可以贈(zèng)予我們“萬物理論”這個(gè)物理學(xué)的圣杯，愛因斯坦為此曾追求了幾十年。
      在過去半個(gè)世紀(jì)，科學(xué)家們一直困惑為什么宇宙的四種力——宇宙引力、電磁力、強(qiáng)核力、弱核力——存在巨大的差別。20世紀(jì)偉大的思想家們所進(jìn)行的將所有已知力統(tǒng)一起來的嘗試均以失敗告終。然而，超空間理論給出了解決這個(gè)問題的可能性，它以一種優(yōu)雅的方式解釋四種自然力，并同時(shí)解釋了看似隨機(jī)的亞原子粒子的組合。在超空間理論中，“物質(zhì)”也被看作是整個(gè)空間和時(shí)間織物的振動(dòng)。因而可以得出一種迷人的可能性，即我們所看到的周圍的一切，從樹木、山脈到星星本身，不過是超空間中的振動(dòng)。如果這是真的，那么它給了我們一種漂亮而簡單的幾何方法，對(duì)整個(gè)宇宙提供了一種條理清晰、令人信服的描述。
在第三部分，我們探討了在極端情況下，空間可以被拉伸乃至被撕裂的可能性。換句話說，超空間可以提供一種穿越時(shí)空的手段。雖然我們強(qiáng)調(diào)這在目前尚處于猜測階段，但物理學(xué)家們正在認(rèn)真地分析“蟲洞”的性質(zhì)�！跋x洞”是連接互相遠(yuǎn)離的各部分時(shí)空的隧道。例如，加利福尼亞理工學(xué)院的物理學(xué)家已認(rèn)真地提出了建造時(shí)間機(jī)器的可能性，它由連接過去和未來的蟲洞構(gòu)成。時(shí)間機(jī)器現(xiàn)在已不再是猜測和幻想，而成為了科學(xué)研究的合法領(lǐng)域。
      宇宙學(xué)家甚至提出了一種驚人的可能性——我們的宇宙只是無數(shù)個(gè)平行宇宙中的一個(gè)。這些宇宙可以被比作懸浮在空氣中的肥皂泡的巨大集合。通常情況下，這些氣泡宇宙之間并不會(huì)相互接觸。但是，通過分析愛因斯坦的方程，宇宙學(xué)家已經(jīng)證明可能存在蟲洞或管的網(wǎng)絡(luò)連接這些平行宇宙。在每個(gè)肥皂泡上，我們可以定義我們特有的空間和時(shí)間�？臻g和時(shí)間只在氣泡的表面有意義；在這些氣泡以外，空間和時(shí)間毫無意義。
      盡管這個(gè)討論的諸多結(jié)果尚處于純理論階段，但超空間旅行有可能為我們提供最實(shí)際的應(yīng)用：拯救包括我們?cè)趦?nèi)的智慧生命免于宇宙的死亡�？茖W(xué)家們普遍認(rèn)為，宇宙及隨它演化了幾十億年的所有生命終將死亡。例如，根據(jù)時(shí)下流行的大爆炸（Big Bang）理論，150億年至200億年前發(fā)生的大爆炸造成了宇宙膨脹，被拋出的恒星和星系以巨大的速度遠(yuǎn)離我們。然而，如果宇宙在某一天停止擴(kuò)張，開始收縮，它將最終毀滅于一場叫做大坍縮（Big Crunch）的火災(zāi)。宇宙中的所有智慧生命將被巨大的熱量蒸發(fā)。然而，一些物理學(xué)家已經(jīng)推測，超空間理論可能為智慧生命提供一種逃亡的希望，也是唯一的希望。我們?cè)谟钪嫠劳龅淖詈髱酌�，智慧生命可以通過躲進(jìn)超空間而逃脫這場大坍縮給我們帶來的災(zāi)難。
      在第四部分，我們對(duì)一個(gè)最終具有實(shí)用性的問題作了推斷：如果理論證明超空間是正確的，那么我們什么時(shí)候才能駕馭超空間這股力量？這不僅是一個(gè)學(xué)術(shù)問題。因?yàn)樵谶^去，僅僅掌握了四種基本力中的一種就不可逆轉(zhuǎn)地改變了人類歷史的進(jìn)程。使我們擺脫了古代的無知和骯臟，從工業(yè)社會(huì)走到現(xiàn)代文明。在某種意義上說，人類如果漸次掌握了這四種基本力，我們就能用新的眼光看到人類歷史的巨大勝利。隨著這些力被逐個(gè)發(fā)現(xiàn)并掌握，文明史將逐次經(jīng)歷著意義深遠(yuǎn)的變化。
      例如，當(dāng)艾薩克.牛頓寫下經(jīng)典的引力定律時(shí)，他發(fā)展了力學(xué)理論。這給了我們控制機(jī)器的定律，反過來又大大加快了工業(yè)革命。工業(yè)革命引發(fā)了各種政治力量，并最終推翻了歐洲的封建王朝。在19世紀(jì)60年代中期，詹姆斯.克拉克.麥克斯韋（James Clerk Maxwell）寫下了電磁力的基本定律，他開創(chuàng)了電氣時(shí)代。它給了我們發(fā)電機(jī)、收音機(jī)、電視、雷達(dá)、家用電器、電話、微波、消費(fèi)電器、電子計(jì)算機(jī)、激光，和許多其他的電子奇跡。不懂和不會(huì)利用電磁力，文明就會(huì)停滯并凍結(jié)在電燈和馬達(dá)發(fā)現(xiàn)之前的時(shí)代。在20世紀(jì)40年代中期，當(dāng)核力被利用時(shí)，隨著該星球上最具破壞性的武器原子彈和氫彈的成功研制，世界又一次被顛倒過來。因?yàn)槲覀冞�未能認(rèn)識(shí)主宰宇宙的全部自然力，所以人們可以猜想——誰（某個(gè)文明）掌握了超空間理論，誰就能成為宇宙的主人。
      由于超空間理論是界定明晰的數(shù)學(xué)方程，我們可以計(jì)算時(shí)空彎曲成圓號(hào)（或稱法國號(hào)）或創(chuàng)造出連接宇宙遙遠(yuǎn)的地方的蟲洞所需的精確能量。不幸的是，計(jì)算結(jié)果令人失望，需求的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們星球所能利用的所有能量。事實(shí)上，這個(gè)能量是我們最大的原子加速器能量的一萬億倍。我們必須等待幾個(gè)世紀(jì)甚至幾千年，直到我們的文明發(fā)展到能掌握時(shí)空的能力，或者是聯(lián)系上已掌握了超空間的先進(jìn)文明。因此這本書的結(jié)尾探索了一個(gè)有趣的、具有猜測性的科學(xué)問題：我們需要什么技術(shù)水平才能成為超空間的主人。
      因?yàn)槌�空間理論遠(yuǎn)超出了通常概念下我們對(duì)時(shí)空（時(shí)間和空間）的認(rèn)知，所以我在書中穿插了幾個(gè)純粹假想的故事以幫助大家理解。我使用這種教學(xué)技巧是受到了諾貝爾獎(jiǎng)得主伊西多爾.拉比（Isidore I. Rabi）與他的物理學(xué)聽眾討論問題的啟發(fā)。拉比感嘆美國科學(xué)教育的糟糕狀態(tài)，斥責(zé)物理學(xué)界忽略為公眾特別是為青年普及科學(xué)進(jìn)展的事實(shí)。實(shí)際上，他告誡道：科幻作家比所有的物理學(xué)家做了更多的科學(xué)普及工作。
      我在此前出版的《超越愛因斯坦：探索宇宙理論》（合著者詹尼弗.特雷納）一書中，研究了描述亞原子粒子性質(zhì)的超弦理論。并詳細(xì)討論了“可見宇宙”，以及物質(zhì)的復(fù)雜性如何用微小的振動(dòng)弦來解釋。在這本書中，我擴(kuò)展了一個(gè)不同的主題和探索“不可見宇宙”，即幾何和時(shí)空的世界。這本書的重點(diǎn)并非講述亞原子粒子的性質(zhì)，而是它們可能生活的高維世界。在閱讀本書的過程中，讀者會(huì)看到更高維度空間并非夸克發(fā)揮它們永恒作用的空洞的、被動(dòng)的舞臺(tái)，高維空間實(shí)際上已成為大自然這出戲中的主角。
      在討論超空間理論的迷人的歷史中，我們將會(huì)看到，由2 000年前古希臘人開啟的對(duì)物質(zhì)終極本質(zhì)的探索是一部漫長而曲折的歷史。當(dāng)未來的科學(xué)史學(xué)家書寫這段漫長歷史的最后一篇時(shí)，他們很可能會(huì)記錄下：決定性的突破是三維或四維常識(shí)理論的失敗以及超空間理論的勝利。
      加來道雄