物理學家探測到第四維度的跡象

credit: 銳景創意

理論上，除三維空間外，還存在更高的維度。第一條相關線索來自愛因斯坦的狹義相對論。通常，當我們談論第四維度時，指的是時空。但這裡，我們所說的第四維度是空間維度，但非平行宇宙。

科學家認為，即便存在其它維度，人類大腦也未必能夠感受到它們。我們能夠從數學上描述第四維度，但也許永遠無法親身體驗。然而，科學家從未放棄尋找更高維度的證據。

怎樣才能探測第四維度呢？如今，一個美國團隊和一個歐洲團隊利用量子霍爾效應，進行了兩項實驗。他們從二維實驗中，發現了四維世界的跡象。首先解釋下霍爾效應。電流通過導體材料時，電子會朝一個方向運動。當磁場垂直施加於導體材料時，電子會由於洛倫茲力而向左或向右偏轉，並在導體兩端形成電勢差。霍爾效應使電子形成二維繫統。量子霍爾效應發生在量子水平，要麼材料處於極低溫度，要麼磁場非常強。此時，電勢差不呈線性增長，而呈跳躍式增長。

根據數學計算，四維繫統的量子霍爾效應是可探測的。我們雖然沒有四維空間系統，但卻能夠從低維繫統中發現四維量子霍爾效應。三維物體能夠投下二維影子，那麼四維物體也應該能夠投下三維影子。我們能夠從二維影子中了解三維物體，那麼也應該能夠從三維影子中了解四維物體。兩個研究團隊採用激光，窺見第四維度的面貌，研究成果均發表於《Nature》。

歐洲團隊將銣元素冷凍到絕對零度，並用激光格困住原子。接下來，他們用更多激光刺激原子，製造量子「充電泵」。儘管原子本身沒有電荷，但它們模擬了電荷的傳輸。原子的運動產生了微弱的變化，這種變化和第四維度的量子霍爾效應一致。

美國團隊用矩形玻璃稜鏡控制激光流，內含一條條通道，如同一條條光纖。他們將通道當作波導管，操縱光線，使光線像電場一樣運動。當光從兩端跳到拐角時，研究人員便觀察到了四維繫統的量子霍爾效應。

第四維度的物理現象會影響我們的三維世界。未來，科學家也許能夠研究更高維度的物理學，並利用高維物理對低維世界的影響，設計出某些實用設備。

本文譯自 bigthink，由譯者 蛋花 基於創作共用協議(BY-NC)發布。
原作者：PHILIP PERRY

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