科學(xué)革命，顧名思義，就是向常識挑戰(zhàn)。
      如果我們此前所有對宇宙常識的認(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�？茖W(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。如果我們將時間作為另一個維度，那么，這四個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，都會招來冷嘲熱諷。對我們這個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。如果這個理論被證明是正確的，它將對我們理解宇宙產(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、時間）的認(rèn)知，現(xiàn)在被6個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)這個理論會異常困難。然而，這個理論已經(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對讀者帶來誤導(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，我設(shè)立了四個基本主題，像一根主線貫穿全書。這四個主題將該書分成四個部分。
      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：對古埃及人來說，天氣變化是個謎。是什么引起季節(jié)的更替？為什么他們向南旅行時，天氣會變得暖和？為什么風(fēng)通常吹向一個方向？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。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)我們接近赤道時氣候會變得暖和。同理，由于地球相對于站在北極的人作逆時針自轉(zhuǎn)，因此，寒冷的極地空氣朝著赤道方向向南移動時會突然轉(zhuǎn)向。這個由地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的熱空氣團(tuán)和冷空氣團(tuán)的運(yùn)動有助于解釋為什么風(fēng)通常吹向一個方向，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，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。人們試圖將他們拼接起來總是歸于失敗。但是，如果我們在先前的四維（三維空間加一維時間）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。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。它可以贈予我們“萬物理論”這個物理學(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)”也被看作是整個空間和時間織物的振動。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。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，對整個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)真地提出了建造時間機(jī)器的可能性，它由連接過去和未來的蟲洞構(gòu)成。時間機(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)個平行宇宙中的一個。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。在每個肥皂泡上，我們可以定義我們特有的空間和時間。空間和時間只在氣泡的表面有意義；在這些氣泡以外，空間和時間毫無意義。
      盡管這個討論的諸多結(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：拯救包括我們在內(nèi)的智慧生命免于宇宙的死亡。科學(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。我們在宇宙死亡的最后幾秒，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，我們對一個最終具有實(shí)用性的問題作了推斷：如果理論證明超空間是正確的，那么我們什么時候才能駕馭超空間這股力量？這不僅是一個學(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，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。不懂和不會利用電磁力，文明就會停滯并凍結(jié)在電燈和馬達(dá)發(fā)現(xiàn)之前的時代。在20世紀(jì)40年代中期，當(dāng)核力被利用時，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)識主宰宇宙的全部自然力，所以人們可以猜想——誰（某個文明）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)算時空彎曲成圓號（或稱法國號）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。我們必須等待幾個世紀(jì)甚至幾千年，直到我們的文明發(fā)展到能掌握時空的能力，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時空（時間和空間）的認(rèn)知，所以我在書中穿插了幾個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弦來解釋。在這本書中，我擴(kuò)展了一個不同的主題和探索“不可見宇宙”，即幾何和時空的世界。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、被動的舞臺，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，我們將會看到，由2 000年前古希臘人開啟的對物質(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，他們很可能會記錄下：決定性的突破是三維或四維常識理論的失敗以及超空間理論的勝利。
      加來道雄