物理科学家利用量子霍尔效应发现“第四维度”新证据

作者: 来源: 发布时间:2018年03月12日 点击数:

理论物理学家认为世界可能存在多达11个维度。

物理学家认为(至少在理论上),除了我们正常的三个维度外,世界可能还存在更高的维度。第一条线索出现在1905年爱因斯坦探索狭义相对论的时候。当然,我们一般所说的三个维度是指长度,宽度和高度。而当我们谈论第四维的时候,这通常是指时空。但在本文中,物理学家所指的第四维是超乎正常三维空间的空间维度。物理学家所指的并不是一个平行宇宙,与大众科幻节目中所描述的第四维度并不相同。

即使我们宇宙或其他地方存在另一个维度,我们又是否应该前往这个一个包含它们的地方呢?对此,科学家也不能确定我们是否甚至可以体验到它们。我们的大脑或许无能为力。我们可以在数学层面描述第四维,但我们可能永远无法在物理范畴体验第四维。

虽说如此,这并没有阻止我们继续寻找更高维度的证据。一个可以帮助我们更容易地理解思维的模型是:四维立方体或超立方体。这是一个位于立方体内的立方体。虽然是一个有用的比喻,但它并不存在于现实世界之中。那么,科学家如何才能真正发现第四维呢?日前,两个分别位于美国和欧洲的独立研究小组已经完成了双重实验。

这两个实验都属于2D,但都暗示了4D世界的存在。科学家主要是利用了一种名为量子霍尔效应的现象。当电流垂直于外磁场通过导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在导体的两端产生电势差,这一现象就是霍尔效应。

耶鲁大学理论物理学家史蒂文·格文解释量子霍尔效应

霍尔效应的结果是:电子卡在二维系统之内。他们只能朝两个方向移动。量子霍尔效应发生在量子水平上,当材料处于非常低的温度时,或者是受到非常强的磁场的影响时,量子霍尔效应就会产生。在这里,还有一件事情发生。电压不是正常增加,而是逐级跳升。通过限制具有量子霍尔效应的电子,你同时可以测量它们。

按照数学计算,你会发现我们可以在4D系统内检测到量子霍尔效应。美国研究小组,宾夕法尼亚州立大学的Mikael Rechtsman教授是表示:“我们并没有物理存在的4D空间系统,但我们可以使用这个更低维度系统来访问4D量子霍尔的物理学,因为更高维度系统是以结构的复杂性来进行编码的。”

作为3D对象的我们会留下2D投影,而4D对象应该留下3D投影。我们可以通过研究它的投影来了解关于3D对象的一切。同理,我们可以从3D投影中获得关于4D对象的知识。在实验中,美国和欧洲的两支独立团队都做了类似的事情。他们通过激光来睹见第四维。

在欧洲的实验中,科学家把铷元素冷却到绝对零度。然后,他们将原子捕获在激光晶格内,形成了研究人员所描述的“一种像蛋壳一样的光晶体”。接下来,他们用更多的激光来刺激原子,并且创造出所谓的量子“电荷泵”。虽然原子本身没有电荷,但在这里他们模拟了电荷的传输。原子运动的微妙变化与量子霍尔效应在第四维中的效果保持一致。

用游戏来解释第四维

在美国的实验中,科学家使用玻璃来控制激光进入系统。这基本上是一个长方形的玻璃棱镜,里面存在一系列的通道。研究人员将这些通道作为波导来操纵光线,使其像电场一样起作用。在测量光是如何通过装置时,研究人员发现了光的行为与四维量子霍尔效应的表现相吻合。

苏黎世联邦理工学院的科学家负责了欧洲团队的实验。研究成员Oded Zilberberg表示,在这些实验之前,观察第四维中的行为就像是科幻小说一样。

Rechtsman说道:“现在这些实验还远没有任何实际的应用。然而,第四维的物理学可能会影响我们的3D世界。”至于应用方面,Rechtsman指出:“也许我们可以在更高维度上提出新的物理学,然后设计出可以在更低维度利用更高维度物理学的设备。”

在这些实验中,光子和电子不会相互作用。接下来,科学家们希望探索光子与电子相互作用时的结果。Rechtsman声称,我们可以通过研究第四维来更好地理解物质的各个阶段。如果我们理解了第四维,这是否可以宣告结束了呢?当然不是,小编曾报道理论物理学家认为世界可能存在多达11个维度。

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