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據(jù)我們所知，我們?nèi)祟愔荒茉谌齻€空間維度（外加一個時間維度）來感知這個世界，也就是上下，左右和前后。而最近，在兩個物理實驗室里，科學家最終找到了展現(xiàn)第四空間維度的方法。兩項實驗對基礎(chǔ)科學研究具有重要意義，甚至能夠讓工程師在我們的低維世界窺探高維物理學的秘密。 不過，科學家并非創(chuàng)造出你可以消失其中的第四維度或者其它任何類似的東西。兩支物理學家小組設(shè)計了特殊的二維系統(tǒng)，一個采用超冷原子，另一個采用輕粒子。兩項實驗產(chǎn)生的結(jié)果不同，但卻相輔相成，看起來就像是發(fā)生在四維空間的所謂“量子霍爾效應(yīng)”。  其中一篇研究論文的作者、賓夕法尼亞州立大學教授米克爾·勒切斯曼表示：“物理上，我們沒有四維空間系統(tǒng)，但我們可以利用低維系統(tǒng)窺探4D量子霍爾效應(yīng)，因為高維系統(tǒng)的復(fù)雜性可以被編碼。也許，我們能夠發(fā)現(xiàn)更高維度的新物理學，設(shè)計出能夠利用高維物理學優(yōu)勢的低維裝置。” 我們生存的世界有三個空間維度，或者說你可以移動的方向。在一維空間，你只能沿著一條線前進和后退。讓這條線彎成一個直角，你便增加了第二個維度，也就是形成一個平面，可以前后和上下移動。再讓這個面彎成一個直角，也就是形成一個立方體，你就進入了三維空間，可以上下、左右和前后移動。  如果存在第四維度，你可以將立方體再彎成一個直角，形成某種超立方體。第四空間維度可以用數(shù)學描述，但無法在物理層面實現(xiàn)。 但請想想看，一個三維結(jié)構(gòu)會投下一個二維陰影，通過觀察這個影子，我們可以獲取這個三維結(jié)構(gòu)的一些信息?；蛟S，我們可以通過觀察現(xiàn)實世界的某些物理系統(tǒng)，根據(jù)低維結(jié)構(gòu)投下的影子，來推斷第四維度的特性。 每一項新實驗的核心都是量子霍爾效應(yīng)：當電子被約束在二維空間，就好像它們被粘在一張紙上（例如石墨烯中或者半導體的某些層中），而后讓一個磁場垂直穿過這個二維空間，該系統(tǒng)的某些電性質(zhì)會被限制為確定數(shù)值的倍數(shù)。從數(shù)學角度，這個量子霍爾效應(yīng)的其它結(jié)果可以在一個四維空間系統(tǒng)中測量，但我們沒有四維空間去驗證這種物理學。  根據(jù)刊登在《自然》雜志上的研究論文，兩支團隊都用特別設(shè)計的系統(tǒng)解決這個問題。其中一支小組由歐洲物理學家組成。他們在二維空間，用激光約束銣原子。這個實驗裝置就像一個裝滿原子的蛋格，邊界被激光控制。這會形成一種二維量子“電荷泵”，允許他們模仿電荷的移動（原子不帶電）。一個立基于銣原子內(nèi)部行為的額外參數(shù)沿每個維度進行編碼，扮演另外兩個空間維度的角色。他們能夠利用這個系統(tǒng)測量“第二陳數(shù)”。第二陳數(shù)預(yù)示著第四維度效應(yīng)的存在。 勒切斯曼的團隊利用穿過一系列波導的光線，或者說能夠控制光波外形的特殊玻璃。他們的裝置是一個光纜陣列，排列在一個直角棱鏡中，看起來像一盒意大利面。如果從正面觀察，則好似一個Lite Brite彩燈盒。光纜耦合在一起，光線可以在兩端之間移動。通過擺動背景中的光纜，他們能夠模仿電場對帶電粒子（由光子代表）的影響，就像在Lite Brite上觀察的一樣。研究人員看到光線跳到裝置對邊和對角。這是一種與四維量子霍爾效應(yīng)有關(guān)的物理效應(yīng)。  這兩項實驗加深了科學家對這種四維效應(yīng)的認知。德國慕尼黑大學的邁克爾·羅赫瑟指出：“我認為這兩項實驗相輔相成。簡單地說，第一支科學家小組觀察到一個物理系統(tǒng)內(nèi)部的四維效應(yīng)，第二支研究小組則觀察到系統(tǒng)邊緣的四維效應(yīng)?！?/div> 不過，兩項實驗的一大局限在于，科學家并未打造出一個真正的四維系統(tǒng)，而是兩個精心設(shè)計的低維系統(tǒng)，演示四維系統(tǒng)出現(xiàn)的效應(yīng)。兩支研究小組都有更多的工作要做，以進一步了解這種效應(yīng)。羅赫瑟和勒切斯曼在接受Gizmodo采訪時表示，在他們的系統(tǒng)中，原子和光子之間并不發(fā)生交互作用。他們希望看到這種效應(yīng)在交互系統(tǒng)中的表現(xiàn)。 羅赫瑟希望他的系統(tǒng)能夠為量子引力和外爾半金屬等物理學研究提供支持。勒切斯曼認為他的系統(tǒng)能夠孕育出利用高維系統(tǒng)優(yōu)勢的光子器件。在其它材料身上，他們也可能發(fā)現(xiàn)類似效應(yīng)。勒切斯曼說：“還有一個問題就是，具有復(fù)雜晶胞的真實固態(tài)材料是否擁有這些隱藏的維度。如果能夠在更高維度揭示此前無法得知的物理學特性，我們對擁有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的物質(zhì)的相能否有一個全新的認識？”  科學家展示第四空間維度效應(yīng) |
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