额外维度

物理学理论

物理学中，卡鲁扎-克莱因理论（Kaluza–Klein theory也简为KK theory）是一个试图统一重力与电磁两大基本力的理论模型。此理论首先由数学家Theodor Kaluza于1921年所发表，将广义相对论延伸至一个五维时空。所得方程式可以分成好几组方程式，其中一个与爱因斯坦场方程式等价，其他组方程式则与描述电磁场的麦克斯韦方程组等价，另外还多出一个标量场——五维度规张量之分量g55，现在称之为“辐子（暂译）”（radion），为此—标量场之相应粒子。

理论内容

将五维时空分开成四维的爱因斯坦方程式以及马克士威方程组是首先由古纳尔·诺德斯特诺姆（Gunnar Nordström）于1914年所发现，出现在他的重力理论内文中，但随后就被世人遗忘。在1926年，奥斯卡·克莱因（Oskar Klein）提议了第四个空间维度卷曲成一个半径非常小的圆，所以粒子沿着这个轴移动很短的距离，就会回到起始点。粒子在回到起始点前所能行进的距离则称作是该维度的大小。这个额外维度（extra dimension）是一个紧集，而时空具有紧致维度的现象则称作是紧化。

理论发展

最近，英国牛津郡的拉瑟福德-阿普尔顿实验室(Rutherford Appleton Laboratory)的科学家计划建立极端光线基础设施（The Extreme Light Infrastructure ，ELI）超高场装置能产生强大的激光，就像太阳光集中到地球上的一点可以产生巨大的热量一样，这束光如此集中，如此强烈，甚至能撕裂真空。科学家认为，这将使他们通过分开真空中的虚粒子对，揭示这些粒子的存在，甚至可以证明是否存在额外维度（extra-dimensions ）。

ELI激光项目负责人、拉瑟福德-阿普尔顿实验室的科学家约翰-科利尔（John Collier）说：“这种激光比目前世界上最强大的激光器强大200倍。借助激光的这种强度，我们开始涉足物理界从未探索的领域。” ELI超高场激光器将在未来十年内成功研发，其成本估计将达10亿英镑（约合16亿美元）。欧盟委员会批准今年建立三个激光器的计划，作为ELI项目的一部分，将成为超高场激光器的原型。他们选址在捷克共和国、匈牙利和罗马尼亚建立激光器，每一个激光器将耗费2亿英镑（约合3.2亿美元），并计划在2015年开始运行。

超高场激光器将由10束激光组成，每一束强度都是原型激光器的二倍，产生200万亿千瓦的功率，是世界所有发电功率的10万倍，仅仅持续十亿分之一秒。大量能量产生了强大的激光束，然后存储起来，以产生几英尺宽的大型激光束，然后结合起来集中到一个小点，就像阳光透过放大镜。在这焦点上，光线的强度是如此之强，即使在太阳的中心也不会存在。这将分开组成真空的粒子和反粒子，使科学家能够侦测到它们产生的微小电荷。

通过使用激光来撕裂真空中的“幽灵粒子对”（虚粒子对），物理学家相信，他们将能够探测到它们的存在。这可能有助于解释为什么宇宙中含有的物质比我们探测到的多得多，从而揭示所谓的暗物质到底是什么的奥秘。德国物理学会会长沃尔夫冈·山德（Wolfgang Sandner）说：“我们假设真空是一种不存在任何物质的空间状态，但似乎真正的真空有时也会充满粒子。一种非常强大的激光可以把这些粒子分离，使它们存在更长的时间。要做到这一点，我们将面临许多挑战，但这仅仅是升级我们现存的技术而已，我们可以产生需要的功率。

科学家称，ELI激光器也可以应用到治疗癌症的激光新疗法。英国普利茅斯大学的理论物理学副教授托马斯·赫兹博士（Dr Thomas Heinzl）说：“ELI项目将带我们进入一个未知的物理领域，在前进的道路上必将会发现一些惊喜。”

理论价值

第五维度卷曲成圆，构成了历史上高维宇宙的第一个模型。此模型仅多出现了一个额外维度。现代几何学中，额外的第五维度可以被理解为圆群U(1)，而基本上，电磁学可以用在纤维丛上规范群U（1）的规范场论来诠释。一旦这样的几何诠释能被理解，则将U（1）换成广义的李群就显得容易而直观。这样的推广常称作是杨-米尔斯理论。若要提到两者的差异，则可说杨–米尔斯理论是在平坦时空的场合处理，而卡鲁扎-克莱因理论则是在更具一般性的弯曲时空中处理。卡鲁扎-克莱因理论的底空间不一定是四维时空，而可以是任何的（伪）黎曼流形，或者甚至是超对称流形、轨形或非交换空间。

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