前言
科学革命，顾名思义，就是向常识挑战。
如果我们此前所有对宇宙常识的认知都是正确的，那么，几千年前科学就解决了宇宙的秘密。科学的目的就是剥去事物外表，揭露内在本质。事实上，如果外表和本质完全相同，科学也就失去了存在的意义。
也许，我们根深蒂固地认为：世界是三维的。不言而喻，长度、宽度、高度，足以描述我们可见宇宙中的所有物体。婴儿和动物的实验表明，我们固有的观念——世界是三维的——是与生俱来的。如果我们将时间作为另一个维度，那么，这四个维度足以记录宇宙中的所有事件。无论我们的仪器探测到哪儿，从原子深处到远的星群，我们所发现的都是这四个维度的踪迹。公开否认这种看法，即可能存在其他维度或者我们的宇宙可能与其他宇宙共存，都会招来冷嘲热讽。对我们这个世界的根深蒂固的偏见认知，初是由2 000年前的古希腊哲学家们推测而出。今天，它将屈服于科学的进步。
本书涉及一场科学革命，这场革命由 “超空间理论”所引发 [1] ，超空间理论认为，有超越于人们普遍接受的四维时空以外的维度存在。世界范围内的物理学家，包括若干诺贝尔奖得主，越来越承认我们的宇宙可能确实存在于更高维的空间中。如果这个理论被证明是正确的，它将对我们理解宇宙产生深远的影响和哲学的革命。在科学术语上，超空间理论被称为卡鲁扎-克莱因（Kaluza-Klein）理论和超引力理论。但它的表述形式是——超弦理论。这一理论甚至预言了超空间的精确维度：十维。通常的四维空间（长、宽、高、时间）的认知，现在被6个更加宽广的维度所扩充。
我们提醒大家，超空间理论还没有得到实验证实。事实上，在实验室证实这个理论会异常困难。然而，这个理论已经席卷了世界上的大多数物理研究实验室，已经不可逆转地改变了现代物理学的科学绘景。在科学文献中产生了数量惊人的与此相关的研究论文。然而，几乎没有人为外行的读者著书解释高维空间的迷人性质。因此，如果确实有这场革命的话,公众也只是模糊地意识到。事实上，在大众文化中肤浅地介绍其他维度和平行宇宙往往会对读者带来误导。这是令人遗憾的，因为理论的重要性在于它能在一个惊人的简单框架中统一所有已知的物理现象。本书首次在科学上就有关超空间的引人入胜的现行研究作了可信易懂的描述。
为解释为什么超空间理论在理论物理界产生了巨大的骚动，我设立了四个基本主题，像一根主线贯穿全书。这四个主题将该书分成四个部分。
在部分，我强调的主题是：自然法则在高维空间中表达时将更加简单而优雅，并由此展开了超空间的早期历史。
为了理解为何添加更高的维度可以简化物理问题，可以考虑下面的例子：对古埃及人来说，天气变化是个谜。是什么引起季节的更替？为什么他们向南旅行时，天气会变得暖和？为什么风通常吹向一个方向？受到地势的限制，古埃及人无法解释天气问题。他们认为地球似乎是扁平的，就像二维平面。但是，现在假想我们用火箭将古埃及人送到外层空间，在那里，他们可以看到简单而完整的地球正在它的轨道上环绕太阳转动。刹那间，这些问题的答案迎刃而解。
从外层空间看地球，可以清楚地看到地球的轴偏离竖直方向约23度（“竖直方向”是指地球环绕太阳的轨道平面的垂直方向）。因为有了这种偏离，地球北半球在它的部分轨道上所接收到的太阳光会低于另一部分轨道上接收到的太阳光。因此，地球有了冬天和夏天。又因为赤道比北极和南极地区接受的阳光多，所以当我们接近赤道时气候会变得暖和。同理，由于地球相对于站在北极的人作逆时针自转，因此，寒冷的极地空气朝着赤道方向向南移动时会突然转向。这个由地球自转运动引起的热空气团和冷空气团的运动有助于解释为什么风通常吹向一个方向，而风的方向取决于你在地球上所站的位置。
概括地说，一旦我们从太空眺望地球，原本模糊的天气规律就变得易于理解了。因此，解决问题的办法就是进入太空，进入第三维度。当你在太空眺望三维地球时，在扁平世界难以理解的事情就突然变得易于理解了。
同样，万有引力定律和光的定律似乎完全不同。它们服从不同的物理假设和不同的数学规律。人们试图将他们拼接起来总是归于失败。但是，如果我们在先前的四维（三维空间加一维时间）中增加一维，即第五维。那么，控制光和引力的方程就像两块拼图一样融合起来。光事实上可以被理解为第五维度中的振动。以这种方式，我们发现光的规律和引力的规律在第五维度中变得简单。
因此，许多物理学家现在相信，传统的四维理论“太小”而不能充分地阐明描述宇宙中的那些力。在四维理论中，物理学家用笨拙的不自然的方式将这些自然力挤压在一起。此外，这种混合杂配理论是不正确的。在超出四维之外，我们有了足够的空间以优雅的自我一致的方式来解释基本力。
在第二部分，我强调超空间理论可以将所有已知的自然力统一到一个理论中，并详尽阐述了这一简单思想。因此，超空间理论可能是2 000年来科学研究的成就：所有已知物理力的统一。它可以赠予我们“万物理论”这个物理学的圣杯，爱因斯坦为此曾追求了几十年。
在过去半个世纪，科学家们一直困惑为什么宇宙的四种力——宇宙引力、电磁力、强核力、弱核力——存在巨大的差别。20世纪伟大的思想家们所进行的将所有已知力统一起来的尝试均以失败告终。然而，超空间理论给出了解决这个问题的可能性，它以一种优雅的方式解释四种自然力，并同时解释了看似随机的亚原子粒子的组合。在超空间理论中，“物质”也被看作是整个空间和时间织物的振动。因而可以得出一种迷人的可能性，即我们所看到的周围的一切，从树木、山脉到星星本身，不过是超空间中的振动。如果这是真的，那么它给了我们一种漂亮而简单的几何方法，对整个宇宙提供了一种条理清晰、令人信服的描述。
在第三部分，我们探讨了在情况下，空间可以被拉伸乃至被撕裂的可能性。换句话说，超空间可以提供一种穿越时空的手段。虽然我们强调这在目前尚处于猜测阶段，但物理学家们正在认真地分析“虫洞”的性质。“虫洞”是连接互相远离的各部分时空的隧道。例如，加利福尼亚理工学院的物理学家已认真地提出了建造时间机器的可能性，它由连接过去和未来的虫洞构成。时间机器现在已不再是猜测和幻想，而成为了科学研究的合法领域。
宇宙学家甚至提出了一种惊人的可能性——我们的宇宙只是无数个平行宇宙中的一个。这些宇宙可以被比作悬浮在空气中的肥皂泡的巨大集合。通常情况下，这些气泡宇宙之间并不会相互接触。但是，通过分析爱因斯坦的方程，宇宙学家已经证明可能存在虫洞或管的网络连接这些平行宇宙。在每个肥皂泡上，我们可以定义我们特有的空间和时间。空间和时间只在气泡的表面有意义；在这些气泡以外，空间和时间毫无意义。
尽管这个讨论的诸多结果尚处于纯理论阶段，但超空间旅行有可能为我们提供实际的应用：拯救包括我们在内的智慧生命免于宇宙的死亡。科学家们普遍认为，宇宙及随它演化了几十亿年的所有生命终将死亡。例如，根据时下流行的大爆炸（Big Bang）理论，150亿年至200亿年前发生的大爆炸造成了宇宙膨胀，被抛出的恒星和星系以巨大的速度远离我们。然而，如果宇宙在某一天停止扩张，开始收缩，它将终毁灭于一场叫做大坍缩（Big Crunch）的火灾。宇宙中的所有智慧生命将被巨大的热量蒸发。然而，一些物理学家已经推测，超空间理论可能为智慧生命提供一种逃亡的希望，也是的希望。我们在宇宙死亡的后几秒，智慧生命可以通过躲进超空间而逃脱这场大坍缩给我们带来的灾难。
在第四部分，我们对一个终具有实用性的问题作了推断：如果理论证明超空间是正确的，那么我们什么时候才能驾驭超空间这股力量？这不仅是一个学术问题。因为在过去，仅仅掌握了四种基本力中的一种就不可逆转地改变了人类历史的进程。使我们摆脱了古代的无知和肮脏，从工业社会走到现代文明。在某种意义上说，人类如果渐次掌握了这四种基本力，我们就能用新的眼光看到人类历史的巨大胜利。随着这些力被逐个发现并掌握，文明史将逐次经历着意义深远的变化。
例如，当艾萨克·牛顿写下经典的引力定律时，他发展了力学理论。这给了我们控制机器的定律，反过来又大大加快了工业革命。工业革命引发了各种政治力量，并终推翻了欧洲的封建王朝。在19世纪60年代中期，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）写下了电磁力的基本定律，他开创了电气时代。它给了我们发电机、收音机、电视、雷达、家用电器、电话、微波、消费电器、电子计算机、激光，和许多其他的电子奇迹。不懂和不会利用电磁力，文明就会停滞并冻结在电灯和马达发现之前的时代。在20世纪40年代中期，当核力被利用时，随着该星球上破坏性的武器原子弹和氢弹的成功研制，世界又一次被颠倒过来。因为我们还未能认识主宰宇宙的全部自然力，所以人们可以猜想——谁（某个文明）掌握了超空间理论，谁就能成为宇宙的主人。
由于超空间理论是界定明晰的数学方程，我们可以计算时空弯曲成圆号（或称法国号）或创造出连接宇宙遥远的地方的虫洞所需的精确能量。不幸的是，计算结果令人失望，需求的能量远远超过我们星球所能利用的所有能量。事实上，这个能量是我们的原子加速器能量的一万亿倍。我们必须等待几个世纪甚至几千年，直到我们的文明发展到能掌握时空的能力，或者是联系上已掌握了超空间的先进文明。因此这本书的结尾探索了一个有趣的、具有猜测性的科学问题：我们需要什么技术水平才能成为超空间的主人。
因为超空间理论远超出了通常概念下我们对时空（时间和空间）的认知，所以我在书中穿插了几个纯粹假想的故事以帮助大家理解。我使用这种教学技巧是受到了诺贝尔奖得主伊西多尔·拉比（Isidore I. Rabi）与他的物理学听众讨论问题的启发。拉比感叹美国科学教育的糟糕状态，斥责物理学界忽略为公众特别是为青年普及科学进展的事实。实际上，他告诫道：科幻作家比所有的物理学家做了更多的科学普及工作。
我在此前出版的《超越爱因斯坦：探索宇宙理论》（合著者詹尼弗·特雷纳）一书中，研究了描述亚原子粒子性质的超弦理论。并详细讨论了“可见宇宙”，以及物质的复杂性如何用微小的振动弦来解释。在这本书中，我扩展了一个不同的主题和探索“不可见宇宙”，即几何和时空的世界。这本书的重点并非讲述亚原子粒子的性质，而是它们可能生活的高维世界。在阅读本书的过程中，读者会看到更高维度空间并非夸克发挥它们永恒作用的空洞的、被动的舞台，高维空间实际上已成为大自然这出戏中的主角。
在讨论超空间理论的迷人的历史中，我们将会看到，由2 000年前古希腊人开启的对物质终极本质的探索是一部漫长而曲折的历史。当未来的科学史学家书写这段漫长历史的后一篇时，他们很可能会记录下：决定性的突破是三维或四维常识理论的失败以及超空间理论的胜利。
加来道雄