宇宙有多少維度：26維？

一個怪異孤僻的人

理論物理學家克勞德·洛夫萊斯在2012年9月7日去世的時候，留下了滿屋子的鸚鵡。沒有親人，也沒有朋友的陪伴，這位美國羅格斯大學古怪的教授喜歡被這些有著彩色羽毛的「朋友們」圍繞著，並聽著古典音樂，這樣他就可以沉思有關萬物理論（即宇宙中所有4種基本作用力全部統一的理論）的問題。

這位孤獨的人與他的同事關係很一般，但是羅格斯大學物理與天文學系的人們卻對他的一個舉動而感到驚訝和佩服——他決定把自己所有的積蓄都捐給物理與天文學系，總共約有150萬美元。這些資金是用來幫助建立應用物理學領域裡的講席教授職位，不過這個領域與他自己所鑽研的領域相去甚遠。另外，他把自己收藏的超過4000張古典CD捐給了藝術學院，也把自己的遺體捐獻給了醫學院。

洛夫萊斯的去世並沒有被媒體廣泛報道，很顯然對於大眾來說他的名氣不大，即使在物理學的學術圈裡，他也不太出名。但無可爭辯的是，他是那個時候頂尖的弦理論（把基本粒子看成一維弦的振動的理論）專家，是找到弦理論高維空間的關鍵人物之一，對弦理論的發展有著不可磨滅的影響。直到現在，弦理論學家們仍受惠於他的研究。

理論產生了怪物

讓我們來回顧一下20世紀70年代所發生的事情。那時弦理論還處在幼年時期，雖然現在常把弦理論看成是「萬物理論」的候選者之一，不過那時物理學家只是想用弦模型來研究原子核里的強相互作用，也就是說，弦理論起初只是強相互作用的候選理論而已。物理學家把原子核內之間的聯繫用具有不同振動模型的能量弦來表示，就像吉他上的琴弦一樣，具有不同的振動模型，演奏出不同的旋律。

這時，年輕的學者洛夫萊斯決定走進這個研究領域，希望能做出一些突破性的研究。

洛夫萊斯於1934年出生於英國，他在16歲的時候就搞懂了廣義相對論。之後他隨著他的家人搬到了南非，在那裡他進入開普敦大學深造。1958年他回到了英國，在倫敦帝國學院開始研究生的課程，師從諾貝爾物理學獎得主阿卜杜勒·薩拉姆。

沒有讀完博士，洛夫萊斯就離開了帝國學院，去CERN（歐洲核子研究組織）供職了。那時他開始研究來自強子弦理論的令人頭疼的問題。物理學家分別使用兩端不受束縛的開弦，和結合成一個圈兒的閉弦，提出了兩種強相互作用模型，分別稱為雷琪子模型和坡密子模型。

實踐表明，任何一個物理理論模型，都必須滿足一個數學條件：要求向量在系統變換時保持其長度不變，就像指南針上的指針旋轉一樣，不管指針怎麼轉，它的長度是不變的。這種保持長度不變的性質意味著物理性質是保持不變的。否則的話，理論中可以會出現一些無法解釋的怪現象。所以說，這個數學條件是一個可靠理論必須具有的性質。

物理學家發現，在普通的4維時空內，以閉弦為基礎的坡密子模型理論無法滿足這個數學條件，而且還產生出了一個稱為快子的怪物。研究發現，這種快子運動得竟然比光還快，這樣它就可以回到過去了。根據相對論，快子就會破壞因果關係。儘管一些物理學家還詳細研究了快子的性質，但是關於快子的理論是不被學術界看成為一種真正的物理理論的。大部分物理學家認為，一個理論要是具有快子的話，唯一的可行方案是認為快子是很不穩定，產生出的影響也很難觀測到。

26維時空的誕生

經過一段時間的研究，洛夫萊斯突然找到了解決問題的方法。過去的物理學家都假設弦是處在4維時空的，而他決定改變這一假設。洛夫萊斯開始逐步提高弦所處的時空維度，直到維度是26時，他發現快子問題突然消失了，而且也滿足前面所說的數學條件。他自己也對這樣的結果感到萬分驚訝。

之前的物理學家嘗試統一自然法則時，也曾用到過那些看不見的其他維度。例如一些物理學家利用5維時空，把廣義相對論和電動力學統一了起來。愛因斯坦在1930年代到1940年代初期，也曾用過5維時空去嘗試統一理論。不過之後，愛因斯坦放棄了這種方法，轉而去用其他方法了。不過這裡的情況是，雖然也出現了其他維度，但是從5維跨越到26維，這聽起來有點離譜。

1970年12月，洛夫萊斯在普林斯頓大學研討會上宣布了他的研究成果，然而並沒有獲得積極的回應。洛夫萊斯回憶道，「我記得它很不受歡迎。我曾把26維看成一個笑話，然後它的確引起了一片笑聲。」

儘管他所發表的論文的標題看起來十分學術，不過論文還是吸引了很多人的關注。儘管在論文最後提到26維時，用了「聽起來很蠢」這樣的話，不過那些弦理論家們開始注意到這個研究的重要性了，並為之興奮。

10維的超弦理論

美國加州理工學院的物理學家約翰·施瓦茨當時也被洛夫萊斯的理論震驚，因為他完全沒有想到空間還可以有如此多的維度。之後，施瓦茨成為發展超弦理論的領軍人物之一。超弦理論是弦理論的一種，它不僅用弦來研究負責傳遞力的粒子，也用弦研究其他的基本粒子。超弦理論利用了一種被稱為超對稱的原理——一種可以把代表力的場轉變為代表粒子的場，或反過來的方式。超弦理論很自然地預言出存在一種自旋為2的不帶電荷的無質量傳遞粒子。（自旋為整數的粒子稱為玻色子，其他的玻色子自旋都不是2，例如膠子和光子自旋為1，而希格斯玻色子自旋為0。自旋為半整數的粒子稱為費米子，例如自旋為1/2的電子和夸克。）而這個粒子正好符合引力子的性質。其中，引力子被認為是傳遞引力的基本粒子。所以，物理學家都認為超弦理論能把自然中所有種類的力（引力、電磁力、強相互作用和弱相互作用）統一起來。

物理學家發現，超弦理論中所需要的時空維度應該是個常數，結果發現維度是10。與26維對比，10維時空看起來也許更合理一些。之後，美國普林斯頓高等研究院的愛德華·威滕提出的M理論——一種弦理論的拓展理論——所需要的時空維度還多了1維，是11維。

那麼，時空的其他維度都在哪裡呢？根據理論，它們要麼捲曲到很小的空間里去了，要麼對於我們來說它們是在無法觸及的地方，所以我們體驗到的只是3維空間和1維時間。

1971年，洛夫萊斯去了羅格斯大學，儘管他沒有博士學位，但還是獲得了教授職位。他餘下的學術生涯都在那裡度過。他的鸚鵡在玩著毛線團的同時，他在分析著物理理論的各種問題，而從他的CD播放機播出的弦樂四重奏與他的深思熟慮交織在一起。與愛因斯坦一樣，他沒有完成統一場論理論，但在探索之旅中，他體驗到了無與倫比的喜悅。