人類如何感受四維空間？科學家成功用實驗展示四維空間效應
據我們所知，我們人類只能在三個空間維度（外加一個時間維度）來感知這個世界，也就是上下，左右和前後。而最近，在兩個物理實驗室里，科學家最終找到了展現第四空間維度的方法。兩項實驗對基礎科學研究具有重要意義，甚至能夠讓工程師在我們的低維世界窺探高維物理學的秘密。
不過，科學家並非創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。兩支物理學家小組設計了特殊的二維繫統，一個採用超冷原子，另一個採用輕粒子。兩項實驗產生的結果不同，但卻相輔相成，看起來就像是發生在四維空間的所謂「量子霍爾效應」。
其中一篇研究論文的作者、賓夕法尼亞州立大學教授米克爾·勒切斯曼表示：「物理上，我們沒有四維空間系統，但我們可以利用低維繫統窺探4D量子霍爾效應，因為高維繫統的複雜性可以被編碼。也許，我們能夠發現更高維度的新物理學，設計出能夠利用高維物理學優勢的低維裝置。」
我們生存的世界有三個空間維度，或者說你可以移動的方向。在一維空間，你只能沿著一條線前進和後退。讓這條線彎成一個直角，你便增加了第二個維度，也就是形成一個平面，可以前後和上下移動。再讓這個面彎成一個直角，也就是形成一個立方體，你就進入了三維空間，可以上下、左右和前後移動。
如果存在第四維度，你可以將立方體再彎成一個直角，形成某種超立方體。第四空間維度可以用數學描述，但無法在物理層面實現。
但請想想看，一個三維結構會投下一個二維陰影，通過觀察這個影子，我們可以獲取這個三維結構的一些信息。或許，我們可以通過觀察現實世界的某些物理系統，根據低維結構投下的影子，來推斷第四維度的特性。
每一項新實驗的核心都是量子霍爾效應：當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體的某些層中），而後讓一個磁場垂直穿過這個二維空間，該系統的某些電性質會被限制為確定數值的倍數。從數學角度，這個量子霍爾效應的其它結果可以在一個四維空間系統中測量，但我們沒有四維空間去驗證這種物理學。
根據刊登在《自然》雜誌上的研究論文，兩支團隊都用特別設計的系統解決這個問題。其中一支小組由歐洲物理學家組成。他們在二維空間，用激光約束銣原子。這個實驗裝置就像一個裝滿原子的蛋格，邊界被激光控制。這會形成一種二維量子「電荷泵」，允許他們模仿電荷的移動（原子不帶電）。一個立基於銣原子內部行為的額外參數沿每個維度進行編碼，扮演另外兩個空間維度的角色。他們能夠利用這個系統測量「第二陳數」。第二陳數預示著第四維度效應的存在。
勒切斯曼的團隊利用穿過一系列波導的光線，或者說能夠控制光波外形的特殊玻璃。他們的裝置是一個光纜陣列，排列在一個直角稜鏡中，看起來像一盒義大利面。如果從正面觀察，則好似一個Lite Brite彩燈盒。光纜耦合在一起，光線可以在兩端之間移動。通過擺動背景中的光纜，他們能夠模仿電場對帶電粒子（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邊和對角。這是一種與四維量子霍爾效應有關的物理效應。
這兩項實驗加深了科學家對這種四維效應的認知。德國慕尼黑大學的邁克爾·羅赫瑟指出：「我認為這兩項實驗相輔相成。簡單地說，第一支科學家小組觀察到一個物理系統內部的四維效應，第二支研究小組則觀察到系統邊緣的四維效應。」
不過，兩項實驗的一大局限在於，科學家並未打造出一個真正的四維繫統，而是兩個精心設計的低維繫統，演示四維繫統出現的效應。兩支研究小組都有更多的工作要做，以進一步了解這種效應。羅赫瑟和勒切斯曼在接受Gizmodo採訪時表示，在他們的系統中，原子和光子之間並不發生交互作用。他們希望看到這種效應在交互系統中的表現。
羅赫瑟希望他的系統能夠為量子引力和外爾半金屬等物理學研究提供支持。勒切斯曼認為他的系統能夠孕育出利用高維繫統優勢的光子器件。在其它材料身上，他們也可能發現類似效應。勒切斯曼說：「還有一個問題就是，具有複雜晶胞的真實固態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特性，我們對擁有複雜幾何結構的物質的相能否有一個全新的認識？」
科學家展示第四空間維度效應
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