【四维空间的第四维度】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

2020-05-05 - 四维空间

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。

四维空间的第四维度

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?

四维空间的第四维度

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。

四维空间的第四维度

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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