中子星的異常表現(xiàn)可能意味著空間中存在新的維度。

在1884年的科幻小說《平面國》中，二維生物被一個(gè)三維球體震撼。有趣的是，現(xiàn)在的人類物理學(xué)家們也在思考一個(gè)相關(guān)問題：宇宙中是否存在更多的維度？

對(duì)額外維度的系統(tǒng)性科學(xué)探索始于愛因斯坦的老師赫爾曼·閔可夫斯基，他意識(shí)到只有空間和時(shí)間的結(jié)合體——時(shí)空——才真實(shí)存在。這意味著宇宙實(shí)際上是四維的，不過其中一個(gè)維度是時(shí)間，而不是額外的空間維度。但空間會(huì)不會(huì)真的還有更多維度呢？

20世紀(jì)中葉開始，科學(xué)家們猜測宇宙可能比我們想象的更復(fù)雜。這種猜測源自一個(gè)出人意料的現(xiàn)象：引力的極端微弱。

引力和其他作用力相比，弱得不可思議。雖然其他作用力強(qiáng)度之間也有差異，但引力的強(qiáng)度只有其他力的萬億萬億分之一。這就好比拿一個(gè)原子和整個(gè)太陽系相比，根本不在一個(gè)量級(jí)上。

此外物理學(xué)中還有一個(gè)不解之謎：那就是基本作用力的強(qiáng)度為什么會(huì)是現(xiàn)在這樣的一個(gè)不多不少的恒定值？

科學(xué)家相信，如果能弄清楚為什么引力特別弱，那么就有可能弄清楚其他作用力強(qiáng)度的來源。而答案或許就在額外的維度里。

1999年，麗莎·蘭道爾教授提出了一個(gè)大膽的猜想：也許引力并沒有我們想象的那么弱，它只是泄漏到了其它維度。就像《平面國》里的居民只能感知二維世界一樣，我們可能也被困在一個(gè)“膜”宇宙中，而引力卻可以向更高的維度逃逸。

通常認(rèn)為，時(shí)空存在三個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度。但在一些理論中，我們所在的宇宙隸屬于一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)被稱為“體”。“體”宇宙包含額外的維度，可以分解為無數(shù)個(gè)四維時(shí)空的“膜”——我們的宇宙便是其中之一。

如果“膜”宇宙假說為真，那么我們完全無法想象宇宙究竟有多宏偉。

然而我們無法直接看見和體驗(yàn)“體”宇宙，因?yàn)槲覀冇钪嬷械囊磺校急幌拗圃凇澳ぁ眱?nèi)。而引力可能是例外，它能夠突破“膜”的限制，在“體”宇宙中傳播。而這可能也是它表現(xiàn)得那么弱的原因——它向“體”宇宙的滲透，導(dǎo)致它被稀釋了。

理論上，額外的維度可以通過提供額外的能量源——物理學(xué)家稱之為“暗輻射”——以及額外的壓力源——稱為“暗壓力”——來顯現(xiàn)。“暗輻射”好比一種看不見的光，可以攜帶和傳輸能量；而“暗壓力”則是對(duì)抗通常引力內(nèi)拉作用的額外支撐。這兩者都是“修改引力論”中的新增項(xiàng)，是愛因斯坦廣義相對(duì)論中所沒有的。

我們無法在日常環(huán)境中驗(yàn)證這一理論。于是科學(xué)家們在宇宙中，找到了一個(gè)理想的天然實(shí)驗(yàn)室——中子星。

中子星是宇宙中大質(zhì)量恒星死亡后留下的內(nèi)核。它們的體積通常只有城市般大，質(zhì)量卻可以相當(dāng)于整個(gè)太陽。中子星的密度高得不可思議：一立方厘米中子星物質(zhì)的質(zhì)量可以高達(dá)數(shù)億噸。它們的表面引力如此之強(qiáng)，以至于在某些中子星上，光可以被迫圍繞它們運(yùn)行。

重要的一點(diǎn)是，理論上在這樣的極端環(huán)境里，任何微小的引力異常都會(huì)被放大。而且，如果來自額外維度的“暗輻射”和“暗壓力”真的能夠改變引力機(jī)制，那么它們就有可能影響中子星的緊湊程度、散熱效率，甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

事實(shí)上，有些中子星的表現(xiàn)也確實(shí)出奇地怪異。

2019年，LIGO引力波探測器發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與黑洞合并的神秘天體：它的質(zhì)量比理論上中子星可以達(dá)到的最高值還高，卻又比最小的黑洞還小。雖然目前尚不能排除其他可能，但是計(jì)算結(jié)果已經(jīng)表明，可以用存在額外的維度來解釋這一現(xiàn)象。如果存在額外維度，那么引力的運(yùn)作方式會(huì)因“膜”和“體”宇宙的相互作用而被改變，進(jìn)而導(dǎo)致中子星獲得額外的、無法解釋的質(zhì)量。

天文學(xué)家在觀測由中子星組成的雙星系統(tǒng)時(shí)，還發(fā)現(xiàn)了幾乎規(guī)律但又略顯異常的亮度波動(dòng)。這可能是中子星與其周圍物質(zhì)之間的復(fù)雜引力相互作用引起的。但也有理論學(xué)家指出，“膜”和“體”宇宙的相互作用，也會(huì)改變引力的運(yùn)作方式，進(jìn)而產(chǎn)生這種特殊的節(jié)奏。

其實(shí)不僅僅是引力，其他基本作用力可能也會(huì)通過中子星向我們暗示存在額外的維度。

中子星磁場強(qiáng)度可達(dá)地球的千萬億倍，可以撕碎任何靠近的物質(zhì)。隨著中子星自轉(zhuǎn)，這個(gè)超強(qiáng)磁場會(huì)產(chǎn)生電場，形成輻射束，從其軸線上噴射出去。

如果真的存在“膜”宇宙和“體宇宙”，那么這時(shí)磁場與電場的相互作用就會(huì)被削弱，它們的強(qiáng)度會(huì)減弱，進(jìn)而輻射束也會(huì)比傳統(tǒng)理論的預(yù)測窄。而這是可以通過觀測加以證實(shí)的。

中子星的超強(qiáng)輻射噴流可能因?yàn)橛钪嬷写嬖谖覀兩形刺綔y到的額外維度而變得比理論預(yù)測窄。

參考
Neutron Stars Hint at Another Dimension
https://nautil.us/neutron-stars-hint-at-another-dimension-1202180/
Braneworld Neutron Stars: Constraining Brane Tension with Observational Data
https://arxiv.org/pdf/2501.10730
Quasiperiodic oscillations in a strong gravitational field around neutron stars testing braneworld models
https://arxiv.org/pdf/0812.0720
Braneworld effects in plasma magnetosphere of a slowly rotating magnetized neutron starhttps://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0218271819501281
Quasi-periodic oscillations in low-mass X-ray binaries and constraints on the equation of state of neutron star matter
https://academic.oup.com/mnras/article/308/3/718/973461