尋找額外維度聽起來像科幻小說，幸運的是發現了引力波。這一突破的關鍵是 2017年8月觀測到的引力波事件GW170817：一對中子星盤旋在一起，在它們的死亡螺旋中攪動了時空的結構，引力波天文臺探測到了由此產生的漣漪。

與不可見的合并黑洞不同，合并的中子星會發生壯觀地爆炸，然后作為伽馬射線暴被探測到。在GW170817時間中，伽馬輻射閃光在引力波后1.7秒到達，隨后是整個電磁波譜中的輝光，最終發現了發生爆炸的遙遠星系。這種光學識別給出了完全獨立于引力波的測量，這使我們能夠就引力如何在太空中傳播做出一些非常重要的結論，它使我們能夠測量空間實際上有多少維度。

我們認為空間是三維的，添加一維時間給我們四維時空。除了通常的三維空間之外，添加額外的空間維度實際上可以解釋很多問題：可以解釋引力和其他力之間的差異，也可以解釋暗能量的本質等。但在我們了解所有超維度之前，讓我們多思考一下3+1維時空中引力、光和物質的行為。

亮度衰減

一個從遙遠光源傳播的光脈沖，我們可以想像光線在膨脹的球殼上均勻分布。如果我們看到這個脈沖，這意味著我們的眼睛或望遠鏡攔截了其中一些光線。脈沖的亮度取決于我們攔截了多少光線，因此隨著球殼的膨脹，光線變得更加分散。亮度與外殼的表面積成反比，外殼的表面積與其半徑的平方成正比，也就是說，亮度與到源的距離的平方成反比，這是著名的平方反比定律。

但是，如果我們改為生活在2維空間中，那么相同的脈沖會在一個擴大的圓而不是球體上傳播，它的亮度會與圓的周長成反比，而圓的周長與半徑成正比，所以現在已經不是平方反比定律了。

我們可以看到，脈沖亮度取決于維度的數量，通常與距離的維度數量減去1的冪成反比。因此在4維空間中亮度應該比在3維空間下降得更快。這種關系也適用于引力，在我們宇宙中，引力根據平方反比定律下降，它反映在牛頓萬有引力公式中。我們確實看到在非常強的引力場（如靠近太陽）中存在輕微偏差 ，但即使在那里，愛因斯坦的廣義相對論也用三個空間維度完美地描述了引力。

但是引力有一些東西看起來很奇怪，例如它那可憐的強度，引力比其他三種基本力弱得多，我們看到如此大的引力的唯一原因是它的作用范圍很大。許多人希望找到一種萬物理論，將自然力合并為同一個超級力，這意味著引力在小尺度上也必須像其他力一樣那么強，隨后在低能量、大尺度的區域才變得弱。這種強度的不匹配可能是因為引力與其他力確實有根本的不同，一種有趣的方法是添加一個額外的空間維度。正如上述所說，擁有的維度越多，強度下降得更快。

四維空間

讓我們了解一下這些被稱為膜的理論對象，我們可以將它們視為幾何結構，是量子場及其相應粒子可能存在的任意數量的維度。它們通常被用于弦理論，其中它們通常具有11維度。但在弦理論中，除了膜的三個空間維度之外，其他所有空間維度都是不可訪問的。它們是有限的，并且緊湊地盤繞在他們自己身上，允許我們把他們塞進三個空間維度。

但我們也可以翻轉這個想法：一個三維膜嵌入在具有四個空間維度的時空中，其中空間的額外維度是擴展的而不是緊湊的。這樣一個宇宙中的大多數東西，包括除了引力之外的所有基本力，都將被限制在三維膜中。如果把理論調整得恰到好處，我們會得到三維膜物質和力的平方反比定律，但在其他空間維度上，如果引力是在四個維度而不是三個維度上展開，那么引力的表現會非常不同，它應該變得更弱。

這也可以用來解釋神秘現象暗能量，宇宙的膨脹似乎正在加速，這通常被認為是來自真空能量的作用。但在我們假設的具有四個空間維度的宇宙中，還有另一種方法可以獲得這種加速。引力在太陽系和銀河系的尺度上很弱，但在更大的尺度上它可能會變得更弱，它在更大的尺度上遵守立方反比定律。事實上，定義我們可觀察宇宙存在的三維結構的三維膜本身，實際上可以擴展到對我們來說看起來像加速的額外第四空間維度。

引力波測試

那么，我們將如何測試這樣一個瘋狂的想法？在這里我們還是回到引力波上。如果引力場可以延伸到這個假設的額外空間維度，那么引力波應該在穿過空間時失去能量到那個額外維度。在常規三維空間中，引力似乎遵循平方反比定律，引力波的強度下降與距離的平方成正比。但如果空間有四個或更多維度，那么引力波強度下降的速度應該比在三個維度上的預期要快。

所以這個原理給了我們一個簡單的測試，只需觀察一個引力波，并計算出它的強度在它行進的距離內下降了多少。如果強度下降太多，那么就有證據表明額外空間維度可能存在。現在我們只需要引力波探測器和一種獨立測量波傳播距離的方法，幸運的是我們有開頭提到的GW170817事件。

來自這些合并中子星的電磁信號使我們能夠完全獨立于引力波信號來測量它的距離，這是黑洞合并不可能實現的。還有另一個重要因素，為了確定引力波損失了多少強度，我們需要知道它的初始強度是多少。引力波的一個超級方便的特性是，可以通過查看合并事件的其他特性來弄清楚這一點，即合并物體的質量和波的頻率以及我們獨立的距離測量。

那么，最后的結論是什么？我們發現了多少個額外的空間維度？答案是零個額外維度。引力波在3+1維時空中失去了適當的強度，沒有可觀察到的引力泄漏到額外的空間維度。順便說一下，電磁波和引力波到達時間的比較也讓我們能夠驗證引力確實以光速傳播，這排除或限制了廣義相對論的各種替代理論。

審核編輯 ：李倩