作為“三維空間”生物的人類，我們只能感覺到上下、左右、前后這三個(gè)空間維度（外帶一個(gè)時(shí)間維度）。然而，有兩個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室發(fā)表在《自然》中的論文表示，他們竟然成功展現(xiàn)出了第四個(gè)空間維度。

不用擔(dān)心，這并非一個(gè)可以把你“吞掉”的第四維度。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室一個(gè)使用超冷原子，一個(gè)使用光子，分別設(shè)計(jì)出了兩個(gè)二維實(shí)驗(yàn)裝置。這兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果雖然不同，但是卻又互補(bǔ)，可以看作是四維空間內(nèi)的量子霍爾效應(yīng)。

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功意義重大，因?yàn)?strong>在高維空間進(jìn)行試驗(yàn)可能會(huì)為基礎(chǔ)科學(xué)帶來重大的影響，甚至讓工程師們找出在我們的三維空間中利用四維空間物理定律的辦法。

“我們沒有一個(gè)真正的四維空間系統(tǒng)，但是我們可以用這種低維系統(tǒng)來產(chǎn)生四維量子霍爾效應(yīng)，因?yàn)樗木S系統(tǒng)已被編入這個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之中”，其中一篇論文的作者，賓夕法尼亞州立大學(xué) Mikael Rechtsman教授說道?！耙苍S我們可以用四維空間找出新的物理方向，然后設(shè)計(jì)出可以在三維空間里利用這些高維物理的設(shè)備?！?/p>

簡單來講，空間維度的定義為：當(dāng)一切不變時(shí)，你可以移動(dòng)的方向。如果只能在一條線上進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，那么這就是一維空間。如果你向左或右轉(zhuǎn)90度，那么你就進(jìn)入了二維空間，可以在一個(gè)平面中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。如果你再向上或下轉(zhuǎn)90度，那么你就進(jìn)入了三維空間，可以在一個(gè)球體或方體在這種三維空間內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。如果我們可以體驗(yàn)到四維空間，那么又一次90度轉(zhuǎn)彎就可以進(jìn)入四維空間，比如一個(gè)超立方體。我們可以通過數(shù)學(xué)形容四維空間，但是無法真實(shí)的將它展現(xiàn)出來。

但一切的維度都是有痕跡的。一個(gè)三維的物體可以留下一個(gè)二維的影子。通過觀察這個(gè)影子，我們可以得出一些關(guān)于這個(gè)三維物體的信息。那么我們可否通過觀察一個(gè)真實(shí)的物理系統(tǒng)留在低維空間的“影子”，來得知一些關(guān)于四維物體或空間的信息呢？

這正是這兩組物理學(xué)家們所做的。他們實(shí)驗(yàn)的核心就是量子霍爾效應(yīng)：當(dāng)電子被限制在二維空間后（像是被粘在一片石墨烯或半導(dǎo)體中），如果在這張平面上垂直釋放一個(gè)磁場，這個(gè)系統(tǒng)的一些電性能就會(huì)被限制為整數(shù)的倍數(shù)。數(shù)學(xué)證明顯示，量子霍爾效應(yīng)的另一些結(jié)果應(yīng)該可以在四維空間中被測量到，但這一點(diǎn)一直無法被我們用實(shí)驗(yàn)來核實(shí)。

在這兩組物理學(xué)家中，來自歐洲的那組將銣（Rb）原子用激光困在了二維空間中，像是一個(gè)二維量子電荷泵一樣，讓他們可以模擬電荷的移動(dòng)。他們還按照銣原子內(nèi)部的行為，為每個(gè)維度編入了一個(gè)額外的參數(shù)，模擬另外的兩個(gè)維度。最終，他們成功的測量到了“第二個(gè)陳數(shù)”，代表著四維空間效應(yīng)的存在。

賓夕法尼亞州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)則使用了波導(dǎo)對光進(jìn)行控制，做出了一個(gè)由光纖組成的長方體（一盒掛面的既視感）。這些光纖是耦合的，因此光可以從一頭傳輸?shù)搅硪活^。通過抖動(dòng)光纖，他們可以模擬出電場對帶電粒子（即光纖中的光子）的影響。通過直視這盒掛面的一頭，研究人員們發(fā)現(xiàn)光會(huì)跳到另一邊或另一角，即四維量子霍爾效應(yīng)的二維物理現(xiàn)象。

雖然這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了四維量子霍爾效應(yīng)的存在，但是它們卻從不同的角度給我們提供了不同的理解。“我認(rèn)為這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)形成了完美的互補(bǔ)”，其中另一篇論文的作者，慕尼黑大學(xué)的Michael Lohse說道。簡單來說，歐洲研究人員們所觀察的是四維效應(yīng)在絕大部分物理系統(tǒng)中的結(jié)果，而美國團(tuán)隊(duì)所觀察的則是該效應(yīng)在同個(gè)系統(tǒng)中邊緣的結(jié)果。

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)最大的缺陷就是它們并非真實(shí)的四維系統(tǒng)，而是兩個(gè)可以展現(xiàn)出該效應(yīng)如果在四維空間內(nèi)出現(xiàn)，它應(yīng)該是什么樣子的精密系統(tǒng)。不過，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都表示，他們將繼續(xù)對這個(gè)效應(yīng)的研究。目前，這兩個(gè)系統(tǒng)中的原子和光子之間并不會(huì)有任何互動(dòng)。下一步，研究人員們希望在具有互動(dòng)的系統(tǒng)中觀察這個(gè)效應(yīng)。

至于此研究成果的影響，Lohse希望他的系統(tǒng)可以用來研究更高端的物理學(xué)，比如量子引力和外爾半金屬（Weyl semimetals）。Rechtsman則認(rèn)為他的系統(tǒng)可以激發(fā)其他光子設(shè)備去利用高維系統(tǒng)的效應(yīng)，或者在其他材料中找出相似的效應(yīng)。

“這則是另外的一個(gè)問題了，具有復(fù)雜細(xì)胞的固態(tài)材料是否也有這種隱藏的維度，以及我們是否可以在高維物理中了解它們的特質(zhì)”，Rechtsman說道，“這是否可以讓我們進(jìn)一步了解擁有復(fù)雜幾何體的物質(zhì)的相態(tài)？”

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