@ 2018.01.11 , 11:00

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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