誘人「膜」力-科學人雜誌
科學人剪影

誘人「膜」力

2005/10/27 霍洛韋( Marguerite Holloway )
藍道爾對於較高維度、扭曲空間以及薄膜的想法,為宇宙學和物理界捎來了新的靈感,或許終將統合自然界中的四種力。

重點提要

藍道爾對於較高維度、扭曲空間以及薄膜的想法,為宇宙學和物理界捎來了新的靈感,或許終將統合自然界中的四種力。

美國哈佛大學的物理學家莉莎.藍道爾(Lisa Randall)回憶,就在1998年的夏天,她一頭栽進了額外維度的世界裡。額外維度這種超越一般人所能理解的四維空間(三維空間再加上一維時間),在理論物理中已是老生常談:1919年,數學家卡魯扎提出了五維時空的構想,弦論要10維,而M理論則需11維。話雖如此,藍道爾卻很少碰它們。直到那年夏天,她才打算拿額外維度來對付超對稱這個一直困擾著她的難題。


藍道爾聯繫了曾經與她合作的研究夥伴,亦即當時在波士頓大學擔任博士後研究的桑壯(Raman Sundrum),詢問他要不要與額外維度和膜來一場腦力激盪。膜是較高維時空中,數個空間維度的區域或是帶狀區。舉例來說,我們存在的世界可能是在一張三維膜上。任何人都會好奇,究竟這張膜是嵌在哪些個空間維度?藍道爾解釋:「桑壯已研究過膜和額外維度,因此他會是個好合作夥伴。」


然而桑壯卻也有自己的顧慮。因為這已是他第三個博士後研究,至今卻還未有個正式的職位,因此他打算放棄物理,轉往金融業發展。但他實在太欣賞藍道爾的構想,因此決定奮力一搏,這也可能是他在物理界最後一戰了。眾所周知的RS-1及RS-2這兩篇論文,便是他們用咖啡因和冰淇淋,配上幾條讓人頭暈目眩的式子所澆灌出來的研究成果。過去五年內被引用的次數早已名列前茅。


這兩篇發表於1999年的論文,提供了重力、膜和額外維度嶄新的想法,他們認為宇宙的演化在初期和後期應該有所差異。加拿大馬吉爾大學的克萊恩談道:「對我及許多對宇宙學和粒子物理感興趣的人而言,這代表了早期宇宙中一種新的可能。」但對於現在任教於約翰霍普金斯大學的桑壯教授而言,這代表了七份等他就任的職缺。桑壯笑道:「她就是有著讓人讚歎的直覺。」


這種直覺常讓藍道爾面對她不熟悉的問題。當藍道爾在知名的紐約市史泰維山特中學求學期間,她便打算以「複數中的完全數」(即高斯整數)做為題目,來角逐當時的西屋科學獎。(所謂的完全數就像6這樣的數字,其因數為1、2和3,而加起來之後又會等於該數本身6。)她說:「這項計畫就是想找尋這類數字出現的模式,但數量其實不多。基本上,我總是在一無所知的情況下便著手進行一項大計畫。」然而,藍道爾執著於這些數字的初衷,卻成了一個絕佳的先例,為她開啟了往後在眾多晦澀的物理領域中所做的數學嘗試,例如天彩(technicolor)、荷–宇稱違逆(CP violation)、味結構(flavor structure)以及重子生成(baryogenesis)等。


雖然這並非他們的本意,但藍道爾和桑壯卻利用額外維度的觀念,幫所謂的「階級問題」開闢出另一條解決之道。這問題雖有很多面向,但基本上就是在問:為何重力相較於其他的力是如此微不足道?比起電磁力、弱作用力和強作用力硬是少了30幾個零。重力和其他三種作用力的強度差異過大,想將之整合起來簡直就是天方夜譚,雖然在宇宙大霹靂的早期它們應該是統合在一起的。



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