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據(jù)我們所知，我們?nèi)祟愔荒茉谌齻€(gè)空間維度（外加一個(gè)時(shí)間維度）來感知這個(gè)世界，也就是上下，左右和前后。而最近，在兩個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家最終找到了展現(xiàn)第四空間維度的方法。兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)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(xué)的秘密。 不過，科學(xué)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(xué)家小組設(shè)計(jì)了特殊的二維系統(tǒng)，一個(gè)采用超冷原子，另一個(gè)采用輕粒子。兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(xué)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?yàn)楦呔S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(xué)，設(shè)計(jì)出能夠利用高維物理學(xué)優(yōu)勢(shì)的低維裝置。” 我們生存的世界有三個(gè)空間維度，或者說你可以移動(dòng)的方向。在一維空間，你只能沿著一條線前進(jìn)和后退。讓這條線彎成一個(gè)直角，你便增加了第二個(gè)維度，也就是形成一個(gè)平面，可以前后和上下移動(dòng)。再讓這個(gè)面彎成一個(gè)直角，也就是形成一個(gè)立方體，你就進(jìn)入了三維空間，可以上下、左右和前后移動(dòng)。  如果存在第四維度，你可以將立方體再?gòu)澇梢粋€(gè)直角，形成某種超立方體。第四空間維度可以用數(shù)學(xué)描述，但無法在物理層面實(shí)現(xiàn)。 但請(qǐng)想想看，一個(gè)三維結(jié)構(gòu)會(huì)投下一個(gè)二維陰影，通過觀察這個(gè)影子，我們可以獲取這個(gè)三維結(jié)構(gòu)的一些信息?；蛟S，我們可以通過觀察現(xiàn)實(shí)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(xiàng)新實(shí)驗(yàn)的核心都是量子霍爾效應(yīng)：當(dāng)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(dǎo)體的某些層中），而后讓一個(gè)磁場(chǎng)垂直穿過這個(gè)二維空間，該系統(tǒng)的某些電性質(zhì)會(huì)被限制為確定數(shù)值的倍數(shù)。從數(shù)學(xué)角度，這個(gè)量子霍爾效應(yīng)的其它結(jié)果可以在一個(gè)四維空間系統(tǒng)中測(cè)量，但我們沒有四維空間去驗(yàn)證這種物理學(xué)。  根據(jù)刊登在《自然》雜志上的研究論文，兩支團(tuán)隊(duì)都用特別設(shè)計(jì)的系統(tǒng)解決這個(gè)問題。其中一支小組由歐洲物理學(xué)家組成。他們?cè)诙S空間，用激光約束銣原子。這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置就像一個(gè)裝滿原子的蛋格，邊界被激光控制。這會(huì)形成一種二維量子“電荷泵”，允許他們模仿電荷的移動(dòng)（原子不帶電）。一個(gè)立基于銣原子內(nèi)部行為的額外參數(shù)沿每個(gè)維度進(jìn)行編碼，扮演另外兩個(gè)空間維度的角色。他們能夠利用這個(gè)系統(tǒng)測(cè)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(tuán)隊(duì)利用穿過一系列波導(dǎo)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(gè)光纜陣列，排列在一個(gè)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(gè)Lite Brite彩燈盒。光纜耦合在一起，光線可以在兩端之間移動(dòng)。通過擺動(dòng)背景中的光纜，他們能夠模仿電場(chǎng)對(duì)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(duì)邊和對(duì)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)加深了科學(xué)家對(duì)這種四維效應(yīng)的認(rèn)知。德國(guó)慕尼黑大學(xué)的邁克爾·羅赫瑟指出：“我認(rèn)為這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)相輔相成。簡(jiǎn)單地說，第一支科學(xué)家小組觀察到一個(gè)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)的一大局限在于，科學(xué)家并未打造出一個(gè)真正的四維系統(tǒng)，而是兩個(gè)精心設(shè)計(jì)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(jìn)一步了解這種效應(yīng)。羅赫瑟和勒切斯曼在接受Gizmodo采訪時(shí)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?yàn)榱孔右屯鉅柊虢饘俚任锢韺W(xué)研究提供支持。勒切斯曼認(rèn)為他的系統(tǒng)能夠孕育出利用高維系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)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(gè)問題就是，具有復(fù)雜晶胞的真實(shí)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(xué)特性，我們對(duì)擁有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的物質(zhì)的相能否有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)？”  科學(xué)家展示第四空間維度效應(yīng) |
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