弯曲的旅行：揭开隐藏着的宇宙维度之谜

我们该怎样探索引力在小距离的变化？我们该寻找什么？我们知道，如果存在卷曲维度，那么引力强度在小于额外维度大小的距离上随着距离增大而降低，其降低速度大于牛顿定律的预言，因为引力不止在3个维度里分散。当物体的间距小于额外维度时，适用的则是高维引力。如果一只小虫足够小，能够沿着一个卷曲维度绕圈，它就能够体验到额外维度，不仅因为它能在其中游历，还因为引力会在其中向所有维度发散。因此，如果有人能像这只有着异常感知力的小虫一样，探测到如此小距离的引力作用，额外维度就能产生可见影响了。

这告诉我们，如果实验能探测在相当于（或小于）假设的卷曲维度大小距离上的引力，及引力强度在这个距离上与两物体间距的依赖关系，那么它就能研究引力的行为并找到额外维度的证据。但一个对小距离引力敏感的实验很难实现。引力实在是太微弱了，很容易被其他力，如电磁力所淹没。就如我们早先提到过的，在ADD提出他们观点的时候，实验已在寻找牛顿引力定律的偏差，并证实牛顿定律至少在小至1毫米的距离仍然适用。如果有人能进一步研究更小的距离，就有机会发现ADD提出的大额外维度，它们刚好在实验范围的边缘。

实验者们接受了挑战。受到ADD观点的启发，华盛顿大学的两位教授埃里克·阿德尔伯格（Eric Adelberger）与布莱恩·赫克尔（Blayne Heckel）设计了一个绝妙的实验，其目的是寻找引力在小距离对牛顿定律的偏离。其他人也在研究小距离引力，但这个是检验ADD设想的最严密实验。

他们的仪器被安置在华盛顿大学物理系的地下室里，叫做厄缶-沃什（Eöt-Wash）实验，这个名字是为了纪念匈牙利一位研究引力的著名物理学家拜伦·罗兰·凡·厄缶（Baron Roland von Eötvös）。厄缶-沃什小组的实验（如图19-2所示）由上下放置、互相吸引的两个碟片构成，其上悬挂一个圆环，圆环及上、下碟片上都穿有小孔，它们之间的摆放位置按牛顿定律设计。如果牛顿定律正确，圆环就不会扭曲，但是，如果有额外维度存在，两个碟片引力吸引的差异就会背离牛顿定律，从而导致圆环扭曲。

两个碟片之上悬挂一个圆环，圆环和碟片上的小孔是为了保证，如果引力遵守平方反比定律，圆环则不会扭曲。仪器顶部的3个小球目的是用于校准。

阿德尔伯格和赫克尔没有发现扭曲，由此他们得出结论，在他们研究的距离上没有额外维度（或其他）效应修正引力作用。他们的实验在前所未有的小尺度上测量了引力，确立了在直到1/10毫米的距离内牛顿引力定律仍然适用。这意味着，额外维度，即便是标准模型粒子被限制在膜上的那些，也达不到ADD提出的1毫米，它们至少要再小10倍。

值得注意的是，毫米大小的维度也被外太空的观察结果所禁止。根据量子力学不确定性原理，与1毫米的尺度相联的是只有10⁻³eV的能量，而与1/10毫米相联的是10⁻²eV的能量——这两者都是极微小的能量，比生成一个电子所需的能量还要小若干数量级。

如此小质量的粒子可以在我们周围的宇宙和天体（如超新星或太阳）里找到。这些粒子这么轻，如果存在的话，高温的超新星就能生成它们。我们已知道超新星的冷却速度，也了解它的冷却机制（通过放射中微子），因此，不可能有太多其他低质量的物质被放射。如果能量以其他方式泄露，冷却速度将会太快，尤其是引力子不会带走太多能量。根据这一论证，物理学家证明（不依赖于地球实验）额外维度应该小于大约1/100毫米。

但应该记住，尽管在毫米距离上排除了引力偏差是很难得的，但却并不能验证最近提出的多数额外维度模型。记住，只有具有两个大额外维度的模型才会在1毫米的尺度上产生可观察的效应，如果一个理论有不止两个大的额外维度，且能解决等级问题（或者，如果我们下一章探讨的模型适用于真实世界），牛顿定律的偏离则只有在更小的距离才会出现。

在相距不到1/10毫米的两个物体之间，引力作用会是什么样子？对此，我们并不确信，这从没有人检验过。因此，我们无从知道额外维度在1/10毫米是否会有可能，而这一尺度（如果你曾想过）根本没那么小。相对较大的额外维度，尽管并不一定大至1毫米，但仍是一种可行的选择。要测试这些模型，我们必须等待对撞机实验，这也是下节的主题。