人类如何感受四维空间？科学家成功用实验展示四维空间效应

据我们所知，我们人类只能在三个空间维度（外加一个时间维度）来感知这个世界，也就是上下，左右和前后。而最近，在两个物理实验室里，科学家最终找到了展现第四空间维度的方法。两项实验对基础科学研究具有重要意义，甚至能够让工程师在我们的低维世界窥探高维物理学的秘密。

不过，科学家并非创造出你可以消失其中的第四维度或者其它任何类似的东西。两支物理学家小组设计了特殊的二维系统，一个采用超冷原子，另一个采用轻粒子。两项实验产生的结果不同，但却相辅相成，看起来就像是发生在四维空间的所谓“量子霍尔效应”。

其中一篇研究论文的作者、宾夕法尼亚州立大学教授米克尔·勒切斯曼表示：“物理上，我们没有四维空间系统，但我们可以利用低维系统窥探4D量子霍尔效应，因为高维系统的复杂性可以被编码。也许，我们能够发现更高维度的新物理学，设计出能够利用高维物理学优势的低维装置。”

我们生存的世界有三个空间维度，或者说你可以移动的方向。在一维空间，你只能沿着一条线前进和后退。让这条线弯成一个直角，你便增加了第二个维度，也就是形成一个平面，可以前后和上下移动。再让这个面弯成一个直角，也就是形成一个立方体，你就进入了三维空间，可以上下、左右和前后移动。

如果存在第四维度，你可以将立方体再弯成一个直角，形成某种超立方体。第四空间维度可以用数学描述，但无法在物理层面实现。

但请想想看，一个三维结构会投下一个二维阴影，通过观察这个影子，我们可以获取这个三维结构的一些信息。或许，我们可以通过观察现实世界的某些物理系统，根据低维结构投下的影子，来推断第四维度的特性。

每一项新实验的核心都是量子霍尔效应：当电子被约束在二维空间，就好像它们被粘在一张纸上（例如石墨烯中或者半导体的某些层中），而后让一个磁场垂直穿过这个二维空间，该系统的某些电性质会被限制为确定数值的倍数。从数学角度，这个量子霍尔效应的其它结果可以在一个四维空间系统中测量，但我们没有四维空间去验证这种物理学。

根据刊登在《自然》杂志上的研究论文，两支团队都用特别设计的系统解决这个问题。其中一支小组由欧洲物理学家组成。他们在二维空间，用激光约束铷原子。这个实验装置就像一个装满原子的蛋格，边界被激光控制。这会形成一种二维量子“电荷泵”，允许他们模仿电荷的移动（原子不带电）。一个立基于铷原子内部行为的额外参数沿每个维度进行编码，扮演另外两个空间维度的角色。他们能够利用这个系统测量“第二陈数”。第二陈数预示着第四维度效应的存在。

勒切斯曼的团队利用穿过一系列波导的光线，或者说能够控制光波外形的特殊玻璃。他们的装置是一个光缆阵列，排列在一个直角棱镜中，看起来像一盒意大利面。如果从正面观察，则好似一个Lite Brite彩灯盒。光缆耦合在一起，光线可以在两端之间移动。通过摆动背景中的光缆，他们能够模仿电场对带电粒子（由光子代表）的影响，就像在Lite Brite上观察的一样。研究人员看到光线跳到装置对边和对角。这是一种与四维量子霍尔效应有关的物理效应。

这两项实验加深了科学家对这种四维效应的认知。德国慕尼黑大学的迈克尔·罗赫瑟指出：“我认为这两项实验相辅相成。简单地说，第一支科学家小组观察到一个物理系统内部的四维效应，第二支研究小组则观察到系统边缘的四维效应。”

不过，两项实验的一大局限在于，科学家并未打造出一个真正的四维系统，而是两个精心设计的低维系统，演示四维系统出现的效应。两支研究小组都有更多的工作要做，以进一步了解这种效应。罗赫瑟和勒切斯曼在接受Gizmodo采访时表示，在他们的系统中，原子和光子之间并不发生交互作用。他们希望看到这种效应在交互系统中的表现。

罗赫瑟希望他的系统能够为量子引力和外尔半金属等物理学研究提供支持。勒切斯曼认为他的系统能够孕育出利用高维系统优势的光子器件。在其它材料身上，他们也可能发现类似效应。勒切斯曼说：“还有一个问题就是，具有复杂晶胞的真实固态材料是否拥有这些隐藏的维度。如果能够在更高维度揭示此前无法得知的物理学特性，我们对拥有复杂几何结构的物质的相能否有一个全新的认识？”

科学家展示第四空间维度效应