膜的新奇世界：我们只是张全息图？

图1 M理论像一个拼图玩具。容易辨认围绕着拼图边缘的小片并将其嵌在一起，但是我们对在中央会发生什么知道很少，在那里我们不能作这样的近似，使其总有一个量是很小的。

我们的发现旅程在将来会走向何方呢？我们在寻找制约宇宙和其中一切的完备统一理论上能取得成功吗？事实上，我们也许已把万物理论认同于M理论。尽我们所知，这种理论不拥有单一的表述。相反，我们发现了一个表观上不同的理论的网络，所有这些理论似乎是同样的内在的基本理论在不同极限下的近似，正如牛顿引力论是爱因斯坦广义相对论在弱引力场极限的一种近似一样。M理论像是拼图玩具：最容易辨认围绕着拼图边缘的小片并将其嵌在一起，这正是M理论中某些量很小的极限。我们现在对这些边缘了解得相当好，但是在M理论拼图的中央仍有缝隙空洞，我们不知道在空洞处究竟是怎么回事（图1）。在我们没有把这空洞填满之前，实在不能宣称已经找到了万物理论。

在M理论的中心是什么呢？我们将会像在那些未探险的土地的老地图上一样发现龙（或者某些同样奇怪的东西）吗？我们过去的经验提示，只要我们将我们观测的范围延伸到更小尺度，我们就很可能发现意外的新现象。在20世纪初我们理解在经典物理尺度下的自然行为。经典物理在从上至恒星际距离下到大约1%毫米的范围内成立。经典物理假定，物体是具有诸如弹性和黏滞性性质的连续媒体。但是物体不是光滑的而是颗粒性的证据开始出现：物体是由微小的称作原子的构件组成的。原子这个词源自希腊，意为“不可分的”，但是人们很快发现原子不是不可分的；它们由质子和中子构成的核和围绕它公转的电子组成。

[十一维超引力]

20世纪的最初30年原子物理的研究使我们理解小到百万分之一毫米的尺度。然后我们发现质子和中子由更小的称为夸克的粒子组成。

我们当代关于核子和高能物理的研究又将我们带到比上述的还小10亿倍的尺度。我们似乎可以无限继续下去，发现在越来越小的尺度下的结构。然而，这个序列存在一个极限，如同俄罗斯套娃，一个娃娃内部套有更小的娃娃。

最终，人们达到最小的娃娃它再也不能被拆开了。物理学中最小的娃娃是所谓的普朗克长度。为了探测更短的距离需要这么高能的粒子，这些粒子处于黑洞之中。我们不能准确知道M理论中的基本普朗克长度是多少，但是它可能小到一毫米除以一亿亿亿亿。我们不准备建造一个可探测那么小距离的粒子加速器。该加速器肯定会比太阳系还要大，这种规划在当前的财政气候下多半不会得到批准。

然而，最近有了一个激动人心的新进展，表明我们更容易（也更便宜）地至少发现M理论中的某些龙。在M理论的数学模型网络中，时空具有十维或十一维。人们直到最近还认为6个或7个额外维全都被卷曲得非常微小。它们就像人的头发（图2）。

图2 一根头发被肉眼看起来像一根线；它仅有的维呈现为长度。类似地，时空让我们看起来显得是四维的，但是当用能量非常高的粒子去探测时，就呈现为十维或十一维的。

如果你透过放大镜来看头发，就能看到它的粗细，但用肉眼就只能看到一根线，只有长度而没有其他维。时空可能是类似的，它在人体、原子甚至核物理的尺度下显得是四维的，并且几乎是平坦的。另一方面，如果我们用极高能粒子探测非常短的距离，我们应该看到时空是十维或者十一维的。

如果所有附加的维都非常小，观察到它们则是非常困难的。然而，最近有人提议一个或者更多的额外维也许较大，或者甚至是无限的。这个思想具有巨大的优势（至少对于像我这样的实证主义者而言），下一代粒子加速器或者引力的短距离的敏感测量也许可以检验这种思想。这类观测要么可以证伪此理论，要么在实验上证实了其他维的存在。

电力被局限于膜上，而且减小的速率恰好让电子具有围绕原子核公转的稳定轨道。

大的额外维是在我们寻求终极模型或者理论中的激动人心的新进展。它们意味着我们生活在一个膜世界中，一个在高维时空中的四维面或膜。

图3 膜世界

物质或者像电力这样非引力的力将会被限制在膜上。这样，任何不涉及引力的东西的行为就和在四维中一样。特別是，一个原子的核和围绕它公转的电子之间的电力随距离减小，其下降率刚好使原子稳定，电子不会落入核中（图3）。

本文摘自 史蒂芬·霍金《果壳中的宇宙》第7章。