中子星暗示了另一个维度：Neutron Stars Hint at Another Dimension

中子星这种神秘的星体，是否蕴藏着宇宙中最伟大谜团的线索？

在19世纪中叶，一个奇怪的想法开始在以太中滋生：可能存在超出我们所体验的三个维度的空间维度。对于一些人——包括当时著名的科学家——这些维度是灵魂和超自然领域的，可以通过桌面降神会进入。对于当时的英国数学家和科幻小说作家 Charles Hinton 来说，这是一个可以通过思考来解决的问题，可以通过像他的“tesseract”四维立方体这样的东西来建模。

在过去的一个半世纪里，唯灵论和主流科学分道扬镳，对这些额外维度的严肃探索却有增无减。最近，物理学家们提出了一种“看”到新维度的新方法——通过深入观察正在以奇怪方式运行的坍塌的、死亡的恒星的中心。

对额外维度的协同科学探索始于 Einstein 的前老师 Hermann Minkowski，他意识到“空间本身和时间本身已经消失在最微不足道的阴影中”，并且只有它们的统一体，时空，才存在。时空意味着宇宙实际上是四维的，只是其中一个维度是时间，而不是额外的空间维度。发现了一个额外的维度。

但可能还有更多吗？

重力很弱。而且不仅仅是一点点弱。它比其他三种基本力——电磁力、强核力和弱核力——弱得多，几乎不可能提供类比。重力可能比现在强万亿倍，但它仍然是数量级上最弱的力。

自然界基本力的强度来源仍然是物理学中一个悬而未决的问题。我们不知道为什么电磁力具有它现在的强度，为什么强力如此强大，以及为什么弱力如此之弱。但重力就像酸痛的拇指一样突出。所有其他力可能比其他力更弱或更强，但它们至少在同一个数量级上。重力甚至不在同一个星球上。

人们认为，如果我们能够理解为什么重力如此特别地弱，我们也许能够用它来辨别为什么其他力如此之强。

也许答案就在一个额外的维度中。

1999年，理论物理学家 Lisa Randall 和 Raman Sundrum 提出了对宇宙的疯狂重组。在他们的模型中，我们所说的宇宙实际上是一个“brane”——我们通常概念中膜的三维扩展。

但我们的 brane 并不是整个宇宙。在他们的模型中，它嵌入在一个更大的东西中，被称为“bulk”。bulk 具有额外的空间维度，而我们的 brane 宇宙就像一片被海洋 currents 抓住的纸片一样漂浮在其中。我们无法看到 bulk、触摸 bulk、体验 bulk 或以其他方式与 bulk 交互，因为我们的整个宇宙——自然界的所有粒子和力——都被限制在 brane 上的生命。这以一种几乎可以追溯到早期寻找额外维度的方式扩展了思维——当时，在1884年，Edwin Abbot 出版了他的讽刺书籍《Flatland: A Romance of Many Dimensions》，其中几何图形居住在一个二维宇宙中，当一个球体，一个三维物体，与他们的世界相交时，这个世界会摇摆不定。

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奇怪的振动： 中子星超强的辐射 jets 可能会因为我们尚未检测到的额外维度而变窄。欧洲航天局的一架新的 X 射线望远镜可能会揭示更多信息。图片来源：ART-ur / Shutterstock.

brane-bulk 模型肯定是一个推测性的想法，但也是一个有趣的想法。就像《Flatland》中饱受围困的公民一样，如果“braneworld”的假设是真的，那么我们根本不知道宇宙真正范围有多么宏伟。

因此，值得寻找方法来调查这个字面意义上的开箱即用的想法是否具有任何价值——找到我们是否可以将头伸入第五维度。物理学家只需要某种方法来刺穿 brane 的面纱并窥视 bulk 的领域。为了尝试这一点，他们征募了重力。

人们认为，重力可以逃离我们的 brane 并延伸到 bulk 中。这就解释了为什么它如此之弱。所有其他力必须仅在三个空间维度中发挥作用，而重力可以将其自身扩展到四个维度，在此过程中将其自身分散得太薄。

物理学家可以使用可以放在桌面上的实验来尝试窥视 bulk 的额外维度——当然，这些设置与19世纪唯灵论者的聚会截然不同。这些精致的设备测试地球的重力强度，因为微观物体在微小的距离上移动。然后，他们比较这些粒子的运动，以查看是否存在与 Einstein 的广义相对论预测的引力现象的任何偏差。到目前为止，尚未从这些实验中出现额外维度的证据。

因此，其他物理学家已经将目光从桌面转向星空以寻求答案。具体来说，是中子星。这些是巨型恒星的超密集剩余核心。这种巨大的密度使它们成为在极端条件下研究重力的绝佳实验室，在这种条件下，它可能会打破我们历史模型。

如果我们对重力的现有知识是错误的，并且我们的宇宙实际上是漂浮在 bulk 中的 brane，那么它可能会在中子星的行为中出现非常细微的差异。这是因为 brane-bulk 相互作用可能会改变重力的运作方式，非常轻微——但足以让我们在那些极端环境中检测到它。

特别是，额外的维度可以通过提供额外的能量来源来使自身为人所知，物理学家称之为“暗辐射”，以及额外的压力来源，称为“暗压力”。暗辐射的作用类似于一种不可见的光，可以携带和传输能量；暗压力是对通常的向内重力拉力的额外支撑来源。这两者都以修改后的重力方程中的项出现，这些添加在我们的通常的广义相对论概念中是不存在的，而广义相对论是我们目前对引力的最佳处理方式。

这使我们回到了中子星。中子星可能是迄今为止已知的整个宇宙中最奇特的物体——甚至可以与黑洞媲美。它们最好被描述为城市大小的原子，由超致密的核物质组成，这些核物质被压缩成更难以理解的密度。一茶匙中子星的内脏会超过吉萨大金字塔的重量。它们的重力如此之强，以至于可以迫使光线围绕它们运行。如果来自额外维度的暗辐射和暗压力的双重幽灵实际上正在改变重力的运作方式，那么它可能会影响中子星的紧凑程度、它们辐射热量的效率，甚至影响其内部成分的排列。这将有所帮助，因为一些中子星似乎在以奇怪的、意想不到的方式运行。

2019年，位于路易斯安那州和华盛顿的一对公里长的激光干涉仪 LIGO 探测器测量了从黑洞与……其他物体的合并中发出的引力波。黑洞的质量约为 23 个太阳质量。它的伴星质量只有 2.6 个太阳质量。这太小了，不可能是黑洞……但也太大了，不可能是中子星。这使得物理学家们正在寻找对另一个神秘物体的质量的解释。

最近的计算表明，bulk 形式的额外维度有可能解释该伴星的额外重量。这不是一个十拿九稳的案例，但这是一个有趣的暗示。

其他最近对双星中子星系统的观测显示了亮度的奇怪波动，这些波动几乎是，但并不完全，完全规则。虽然研究人员认为中子星与其周围物质之间复杂的引力相互作用会导致这些几乎周期性的波动，但他们一直无法确定确切的原因。一些理论家提出，正是 brane-bulk 相互作用以某种方式改变了重力，足以产生这种另类的节奏。

甚至除了重力之外，其他力也可能给出这个额外维度的暗示。中子星可以拥有已知宇宙中最强的磁场，其强度是地球磁场的数百万亿倍。这些磁场非常强大，足以从字面上撕裂任何过于靠近的东西。随着中子星的旋转，旋转的超强磁场会产生一个电场，该电场呈螺旋状进入一束辐射，该辐射从恒星的轴向外喷射出来。物理学家发现，braneworld 会削弱磁场和电场的相互作用，从而降低它们的强度，从而导致更窄的辐射束。虽然这个特殊的假设尚未经过测试，但欧洲航天局的一架新的 X 射线望远镜可能很快就会对此进行测试。

这种效应无法在实验室中重现，因为即使是比这些磁场弱数十亿倍的磁场的尝试也会使我们所有的设备融化。因此，物理学家将继续将目光投向星空，以寻找进入额外维度的窗口。