捕捉四维空间的神秘“影子”,两个最新实验证明了第四空间维度效应

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捕捉四维空间的神秘“影子”,两个最新实验证明了第四空间维度效应
麻省理工科技评论 2018年1月9日

2018年1月9日

简单来讲,空间维度的定义为:当一切不变时,你可以移动的方向。
物理
简单来讲,空间维度的定义为:当一切不变时,你可以移动的方向。

作为“三维空间”生物的人类,我们只能感觉到上下、左右、前后这三个空间维度(外带一个时间维度)。然而,有两个物理实验室发表在《自然》中的论文表示,他们竟然成功展现出了第四个空间维度。不用担心,这并非一个可以把你“吞掉”的第四维度。这两个实验室一个使用超冷原子,一个使用光子,分别设计出了两个二维实验装置。这两个不同的实验所得到的结果虽然不同,但是却又互补,可以看作是四维空间内的量子霍尔效应。

这两个实验的成功意义重大,因为在高维空间进行试验可能会为基础科学带来重大的影响,甚至让工程师们找出在我们的三维空间中利用四维空间物理定律的办法。“我们没有一个真正的四维空间系统,但是我们可以用这种低维系统来产生四维量子霍尔效应,因为四维系统已被编入这个复杂的结构之中”,其中一篇论文的作者,宾夕法尼亚州立大学 Mikael Rechtsman教授说道。“也许我们可以用四维空间找出新的物理方向,然后设计出可以在三维空间里利用这些高维物理的设备。”

简单来讲,空间维度的定义为:当一切不变时,你可以移动的方向。如果只能在一条线上进行前后运动,那么这就是一维空间。如果你向左或右转90度,那么你就进入了二维空间,可以在一个平面中进行运动。如果你再向上或下转90度,那么你就进入了三维空间,可以在一个球体或方体在这种三维空间内进行运动。如果我们可以体验到四维空间,那么又一次90度转弯就可以进入四维空间,比如一个超立方体。我们可以通过数学形容四维空间,但是无法真实的将它展现出来。

但一切的维度都是有痕迹的。一个三维的物体可以留下一个二维的影子。通过观察这个影子,我们可以得出一些关于这个三维物体的信息。那么我们可否通过观察一个真实的物理系统留在低维空间的“影子”,来得知一些关于四维物体或空间的信息呢?这正是这两组物理学家们所做的。他们实验的核心就是量子霍尔效应:当电子被限制在二维空间后(像是被粘在一片石墨烯或半导体中),如果在这张平面上垂直释放一个磁场,这个系统的一些电性能就会被限制为整数的倍数。数学证明显示,量子霍尔效应的另一些结果应该可以在四维空间中被测量到,但这一点一直无法被我们用实验来核实。

在这两组物理学家中,来自欧洲的那组将铷(Rb)原子用激光困在了二维空间中,像是一个二维量子电荷泵一样,让他们可以模拟电荷的移动。他们还按照铷原子内部的行为,为每个维度编入了一个额外的参数,模拟另外的两个维度。最终,他们成功的测量到了“第二个陈数”,代表着四维空间效应的存在。宾夕法尼亚州立大学团队的每个实验则使用了波导对光进行控制,做出了一个由光纤组成的长方体(一盒挂面的既视感)。这些光纤是耦合的,因此光可以从一头传输到另一头。通过抖动光纤,他们可以模拟出电场对带电粒子(即光纤中的光子)的影响。通过直视这盒挂面的一头,研究人员们发现光会跳到另一边或另一角,即四维量子霍尔效应的二维物理现象。

虽然这两个实验都证实了四维量子霍尔效应的存在,但是它们却从不同的角度给我们提供了不同的理解。“我认为这两个实验形成了完美的互补”,其中另一篇论文的作者,慕尼黑大学的Michael Lohse说道。简单来说,欧洲研究人员们所观察的是四维效应在绝大部分物理系统中的结果,而美国团队所观察的则是该效应在同个系统中边缘的结果。

这两个实验最大的缺陷就是它们并非真实的四维系统,而是两个可以展现出该效应如果在四维空间内出现,它应该是什么样子的精密系统。不过,这两个团队都表示,他们将继续对这个效应的研究。目前,这两个系统中的原子和光子之间并不会有任何互动。下一步,研究人员们希望在具有互动的系统中观察这个效应。至于此研究成果的影响,Lohse希望他的系统可以用来研究更高端的物理学,比如量子引力和外尔半金属(Weyl semimetals)。Rechtsman则认为他的系统可以激发其他光子设备去利用高维系统的效应,或者在其他材料中找出相似的效应。“这则是另外的一个问题了,具有复杂细胞的固态材料是否也有这种隐藏的维度,以及我们是否可以在高维物理中了解它们的特质”,Rechtsman说道,“这是否可以让我们进一步了解拥有复杂几何体的物质的相态?”

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