科學家發現第四維度存在的直接證據

作為「三維空間」生物的人類，我們只能感覺到上下、左右、前後這三個空間維度（外帶一個時間維度）。然而，有兩個物理實驗室發表在《自然》中的論文表示，他們竟然成功展現出了第四個空間維度。

不用擔心，這並非一個可以把你「吞掉」的第四維度。這兩個實驗室一個使用超冷原子，一個使用光子，分別設計出了兩個二維實驗裝置。這兩個不同的實驗所得到的結果雖然不同，但是卻又互補，可以看作是四維空間內的量子霍爾效應。

這兩個實驗的成功意義重大，因為在高維空間進行試驗可能會為基礎科學帶來重大的影響，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。

「我們沒有一個真正的四維空間系統，但是我們可以用這種低維繫統來產生四維量子霍爾效應，因為四維繫統已被編入這個複雜的結構之中」，其中一篇論文的作者，賓夕法尼亞州立大學MikaelRechtsman教授說道。「也許我們可以用四維空間找出新的物理方向，然後設計出可以在三維空間里利用這些高維物理的設備。」

簡單來講，空間維度的定義為：當一切不變時，你可以移動的方向。如果只能在一條線上進行前後運動，那麼這就是一維空間。如果你向左或右轉90度，那麼你就進入了二維空間，可以在一個平面中進行運動。如果你再向上或下轉90度，那麼你就進入了三維空間，可以在一個球體或方體在這種三維空間內進行運動。如果我們可以體驗到四維空間，那麼又一次90度轉彎就可以進入四維空間，比如一個超立方體。我們可以通過數學形容四維空間，但是無法真實的將它展現出來。

但一切的維度都是有痕迹的。一個三維的物體可以留下一個二維的影子。通過觀察這個影子，我們可以得出一些關於這個三維物體的信息。那麼我們可否通過觀察一個真實的物理系統留在低維空間的「影子」，來得知一些關於四維物體或空間的信息呢？

這正是這兩組物理學家們所做的。他們實驗的核心就是量子霍爾效應：當電子被限制在二維空間后（像是被粘在一片石墨烯或半導體中），如果在這張平面上垂直釋放一個磁場，這個系統的一些電性能就會被限制為整數的倍數。數學證明顯示，量子霍爾效應的另一些結果應該可以在四維空間中被測量到，但這一點一直無法被我們用實驗來核實。

在這兩組物理學家中，來自歐洲的那組將銣（Rb）原子用激光困在了二維空間中，像是一個二維量子電荷泵一樣，讓他們可以模擬電荷的移動。他們還按照銣原子內部的行為，為每個維度編入了一個額外的參數，模擬另外的兩個維度。最終，他們成功的測量到了「第二個陳數」，代表著四維空間效應的存在。

賓夕法尼亞州立大學團隊的每個實驗則使用了波導對光進行控制，做出了一個由光纖組成的長方體（一盒挂面的既視感）。這些光纖是耦合的，因此光可以從一頭傳輸到另一頭。通過抖動光纖，他們可以模擬出電場對帶電粒子（即光纖中的光子）的影響。通過直視這盒挂面的一頭，研究人員們發現光會跳到另一邊或另一角，即四維量子霍爾效應的二維物理現象。

雖然這兩個實驗都證實了四維量子霍爾效應的存在，但是它們卻從不同的角度給我們提供了不同的理解。「我認為這兩個實驗形成了完美的互補」，其中另一篇論文的作者，慕尼黑大學的MichaelLohse說道。簡單來說，歐洲研究人員們所觀察的是四維效應在絕大部分物理系統中的結果，而美國團隊所觀察的則是該效應在同個系統中邊緣的結果。

這兩個實驗最大的缺陷就是它們並非真實的四維繫統，而是兩個可以展現出該效應如果在四維空間內出現，它應該是什麼樣子的精密系統。不過，這兩個團隊都表示，他們將繼續對這個效應的研究。目前，這兩個系統中的原子和光子之間並不會有任何互動。下一步，研究人員們希望在具有互動的系統中觀察這個效應。

至於此研究成果的影響，Lohse希望他的系統可以用來研究更高端的物理學，比如量子引力和外爾半金屬（Weylsemimetals）。Rechtsman則認為他的系統可以激發其他光子設備去利用高維繫統的效應，或者在其他材料中找出相似的效應。

「這則是另外的一個問題了，具有複雜細胞的固態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」，Rechtsman說道，「這是否可以讓我們進一步了解擁有複雜幾何體的物質的相態？」

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