@ 2018.01.11 , 11:00
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物理学实验揭示宇宙第四个空间维度

物理学实验揭示宇宙第四个空间维度
Credit:123RF

当我们提及宇宙四维时空的时候,我们指的是三个空间维度外加一个时间维度,但是现在有两组科学家发现了具有四个维度的物理空间,它超出了我们所能理解的前后左右上下这些空间方位的限制。

因为看起来违反了通常的物理学认知,读者也能猜到,这里所涉及实验的理论根基是极度抽象和非常复杂的,并少不了我们的老朋友量子力学。

通过组合两个特别设计的二维实验装置,欧洲和美国的科学家分别独立地借助能以一定方式限制和测量电子行为的量子霍尔效应,对那神秘的维度浮光掠影这么一瞥。

“现实的物理世界中没有四维的对象,但是我们可以使用低维系统来演示四维世界中的量子霍尔效应,因为高维系统的信息被编码在结构的复杂性中。”美国宾夕法尼亚州立大学的研究人Mikael Rechtsman在接受科技媒体采访时说。“也许我们可以在更高的维度上发展出全新的物理学,然后在低维世界里利用高维物理学理论设计出全新的仪器。”

或许可以按下面的方式理解,电视屏幕显然是二维的,但是我们可以从中看到三维的世界,甚至当拍摄视角运动的时候,我们能够完整地知道整个三维空间的信息。现在,物理学家将高维的宇宙发生的现象以不同的“角度”投影到三维世界中,然后将这些投影里面的信息拼接在一起,获得完整的四维世界的信息,尽管我们从来没有看过真正的四维宇宙是什么样子。

借助极其前沿的技术——2016年获得诺贝尔物理学奖的技术——我们知道量子霍尔效应向我们暗示存在着第四个空间维度的。注 量子霍尔效应也可以理解为一种拓扑现象。大约20年前,数学家表明,类似的拓扑效应也能够在四个空间维度上发生。

欧洲科学家所做的实验需要使用由交叉激光束将光学晶格中的原子冷却到接近绝对零度的温度。研究人员将表现其描述为“剥去蛋壳的发光鸡蛋”。 在实验中,研究人员周期性地改变被捕获的原子分裂晶格阱的特性来实现拓扑泵。通过测量晶格中所产生原子的二维运动模式,能够确认原子触及了某个未知维度的可能性。

美国的实验也使用了激光,他们通过一块玻璃来控制光线。操纵光束来模拟电场对带电粒子的影响,可以观察到四维量子霍尔效应理论预言的现象。

当然,我们无法亲身体验四维的宇宙——我们陷在了三维空间中 ——但是科学家认为量子力学可以以某种方式为我们绘制出高维宇宙的图像,从而增进我们对宇宙微不足道的理解。

如果把某个2D视频游戏角色,诸如马里奥,突然丢入到一款3D游戏中,马里奥本身依然是2D的,他也只能看到2D的事物。问题是,他会发现整个世界都不大对劲,空间出现了翻转扭曲。

这项研究的意义就在于,显示了我们的世界存在着同样的扭曲现象,暗示我们其实身处更大的四维世界中而不自觉。所以虽然我们现在还不能进入到第四个空间维度里——但是我们已经有了证据指出它就在那里,下一步就是对它做出解释。

研究人员希望通过最新的实验来更好的审视现有理论,也许还会发现更先进的物理学。

欧洲研究人员之一,德国路德维希—马克西米利安大学(Ludwig-Maximilians University)的Michael Lohse认为:“这两个实验是相辅相成的。”

两项实验都已经发表在Nature上,更多信息请点击这里这里

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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  1. 3670402

    ??????????

  2. 3670404

    很多量子现象早就暗示了四维的存在,比如波粒二象性,比如测不准原理,这些理论用“与、非”这样的“非”来做命题,就明白无误的说明了“我暂时不懂为什么,但他总是这样”,暗示了第四维的存在导致了这些我们弄不懂的情况,就像二维的马里奥总觉得哪里不对劲

  3. 3670407

    约束1,2,3

    现在要找到约束4了

  4. lmbright
    @5 months ago
    3670410

    没人说话么。。。我说吧。。看不太懂,很难想象四维或者五维的世界,不过还是觉得世界多点维度比较好,永远有更新的维度等人去探索

  5. 郭敬明
    @5 months ago
    3670411

    看到标题后就进来看了看 才发现把 个空间 遗漏了

  6. 3670444

    牛顿是不是因为这个疯了

  7. 3670450

    希望有些物理学的干货

  8. 3670457

    概率云可以有符合因果论的解释了

  9. 3670459

    你们说那样的四维空间中有匀速直线运动吗.

  10. sarcophile
    @5 months ago
    3670463

    你把一根铁丝掰弯,两头都穿过一张白纸。在白纸这个二维世界看来,这两个点的作用就是量子纠缠的:在一个点转动铁丝90度,另一个点也转动90度,一个点平移,另一个点也平移。甚至有点超时空的味道,一个点改变了,另一个点似乎立刻改变。因为丫的他俩就是同一个东西啊。我们的量子纠缠也类似,只是我们在三维空间看四维。

  11. 美食鉴赏家
    @5 months ago
    3670466

    我觉得测不准原理可能和四维空间有关,就像一个穿过纸面的圆,粒子绕圆走,在纸面上你只看到粒子在两个点之间出现

  12. 3670467

    二维数组中的x[1][2]和x[3][4]在某次运算中在比较器相遇了,他们认为这是某种概率性的”量子效应”,其实这不过是程序运行注定的过程而已.

  13. 3670472

    弦理论不就是这个吗,用更高维的视角俯瞰世界,会有更简洁深刻的表达。

  14. sarcophile
    @5 months ago
    3670485

    @sarcophile: 波粒二象性也有点这个意思,四维空间中一个暗物质的核,有原子绕着它旋转什么的,由于某种原因,核我们看不到(不在三维空间),只有能看到的原子,于是原子自己在那里震动(圆周运动如果在某方向投影,就是简谐振动),于是在三维看来,它表现为一个波动运动的粒子,不但肯定有粒子的行为,而且波动运动的粒子之间可以因为相位而产生干涉现象

    作为纯脑洞理论,这个理论能解释的事实已经很多了是吧

  15. 柳道道
    @5 months ago
    3670496

    开车的距离感和开飞机的距离感是不同的,在4维空间穿梭习惯了,大脑自然就会理解高维空间和高维形状。就像停车看见转角消失打方向一个道理,在四维空间里你看见一堵三维墙突然开了一个洞,穿过去之后洞又消失了,自己被困在一个完全封闭的三维盒子里,这就说明你穿梭机停好了

  16. 眨眨眼
    @5 months ago
    3670510

    時間失業了

  17. 3670522

    为什么时间总能算一个维度呢?万一有外星生物不老不死,时间对他们来说就只是个度量单位而已。好比我们买只笔五块钱,什么时候买无所谓只要有钱,钱是度量单位,外星人则说上个厕所半注香,也是度量单位反正不会老死,也不存在人类所谓的今天过去了就回不来了…

  18. 拜一刀
    @5 months ago
    3670537

    自旋是不是也是量子力学里的啊,什么某些粒子转360°之后不能和自身重合,要转720°之类的,当年看果壳中的宇宙真是一脸懵逼

  19. tomoyii
    @5 months ago
    3670589

    如果你是色盲,就永远是色盲,有些东西大脑永远无法理解

  20. 3670596

    看煎蛋的都是些什么大神啊。。。

  21. 爱吃爱吃
    @5 months ago
    3670620

    @HGX: 字典查了维度的意思再来说话

  22. ranger27
    @5 months ago
    3670637

    小时候就觉得大人们说的四维空间不对,最后那个维度的单位跟前面三个维度不一样

  23. 小鹿乱撞
    @5 months ago
    3670774

    我看文章都迷迷糊糊的,看完评论后更糊涂了…

  24. 风之山
    @5 months ago
    3670786

    进入四维靠修炼

  25. 3670798

    给你们二向箔一片

  26. shmilyyot
    @5 months ago
    3670830

    我知道了,就是这样子

  27. 侯至方验
    @5 months ago
    3670856

    人类生存的空间是一个7维空间。但是人类科学的定义目前只到了4维。换句话说,人类本身便是7维以下的生物,没有发现剩下的维度,所以对于7维度的人,我们称为神或者仙。修行就是为了成为7维人,但是方法呢,除了已经成了神仙的人,我们一无所知。

  28. 3670884

    惠藤早就计算出我们的世界是10维空间和1维时间。只是其它维都卷曲了,宏观上只能感受3维(这3维可能在更大的尺度上卷曲),普朗克尺度下,这10维都是有效的

  29. 老虎打盹
    @5 months ago
    3670998

    看来明白人还是不少。

  30. 永远16岁
    @5 months ago
    3671137

    @sarcophile: 如果在三维世界理解就是粒子以超光速做简谐运动,其实就只有一个粒子,但是因为太快所以人类和人类的仪器能感知到的是纠缠的两个粒子

  31. marsyeti
    @5 months ago
    3671397

    @美食鉴赏家: 我觉得蛋友们对测不准原理有一定误解。。测不准原理的核心在于无法消除观测行为对于被观测体的影响,没那么多高维空间量子效应啥的

  32. 瞳酱prpr
    @5 months ago
    3674530

    我是这么想象四维空间的, 先设想有一条数轴, 然后这个数轴上的每一个点都是一个三维坐标系的原点, 同样的, 五维空间也是从一根数轴出发,更高维的空间都可以用这个模式。
    三维空间同样可以想象成在一根数轴上(Z轴) 每一个点都是一个二维坐标系的原点(XY).
    貌似也有点”道生一(原点生成一维数轴) 一生二(这个一维轴上的每一个点都是一个一维轴的原点) 二生三 三生万物”的意思
    所以我觉得不存在什么”这个三维”和”那个四维” 这种区别开来的空间 三维一定是某一个四维的一份子 四维间的区别应该和三维间的区别是类似的意思 一个空间处处的维度也应该是统一的
    我觉得多重宇宙和多维宇宙是一个意思 但是多重宇宙的分布更接近一个概率云 (好比设想所有三维坐标系共享同一个原点但是仍然互不相同各有各的变化函数)而我们所处的三维空间随时因我们对它的观测而波函数坍缩(不观测的时候又再次发散进概率云) 而概率分布可以举个例子 在那根四维轴上 距离我们所处的三维原点越近的三维空间被观测到的概率就越大 越远的就越小
    在时间长河中 这个空间坍缩的时候多还是发散的时候多?上一秒的我和下一秒的我是不是完全同一个三维中的存在? 或者说所有的三维空间是否共享同一个时间表 还是说时间只是空间本身的一个属性(三维空间A中的1秒和三维空间B中的一秒一样长么?)

  33. 3677867

    所以佛祖和耶稣之前给大家描述的事情 也许就是多维宇宙吧 但是当时谁听的明白啊

  34. 3681146

    如果<>的內容正確的話, 更高維度空間似乎是一路被量子物理學認定存在的啊

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