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基础物理学的重大进步,两组实验团队同时发现第四空间维度效应

奇趣 2018-01-12 21:30

宾夕法尼亚州立大学Rechtsman实验室

据我们所知,我们人类只能在三个空间维度(加上一个时间维度)上下,左右和前后体验这个世界。但在两个物理实验室中,科学家们已经找到了表示第四个空间维度的方法(以下内容可能难以理解)。

这不是你可以消失的第四个维度,或者类似的东西。相反,两个物理学家团队设计了特殊的二维设置,一个是超冷原子,另一个是轻粒子。两种情况都表现出不同的但是互补的结果,这些结果看起来像是在四维发生的“量子霍尔效应”一样。这些实验可能对基础科学有重要的意义,甚至可以让工程师在我们的低维世界获得更高维的物理学。

“物理上,我们没有4D空间系统,但是我们可以使用这个较低维系统来访问4D量子霍尔效应,因为更高维的系统被编码为更复杂的结构。也许我们可以在更高的维度上提出新的物理学,然后设计利用在更低维度操作的更高维物理学的装置。”

有三个空间维度,或通过保持其他一切不变的方向。沿着一条线前进,向一个方向移动。与线条成直角,然后添加第二个维度来向前和向后移动,想象一个正方形。再做一个正确的角度,然后输入第三个空间维度。你可以上下移动,这是一个立方体。如果存在第四个维度,则可以在其中创建另一个直角,并创建某种超立方体。第四个空间维度可以用数学来描述,但不是物理上实现的。

但是,想一想:一个三维图形留下了一个二维的阴影。通过观察这个影子,我们可以收集到关于立体事物的一些信息。也许通过观察一些现实世界的物理系统,我们可以通过在三维世界留下较的四维的阴影来了解四维性质。

在每一个新的实验中,核心都是量子霍尔效应:当电子被限制在二维时,就好像它们被粘在一张纸的表面上(如在石墨烯中或在半导体的某些层中),以及磁性场垂直地穿过该片,系统的一些电特性被限制为精确数值的倍数。数学表示,这个量子霍尔效应的其他后果应该可以在四维空间系统中测量,但是我们没有四个空间维度来测试这个物理量。

欧洲物理学家团队用二维激光器捕获元素铷的原子,实验装置就像一个有原子的箱,其边界由激光器控制。这创造了一种二维量子“电荷泵”,允许他们模拟电荷的运输。基于这些原子的内部行为的额外参数沿每个维度编码,起到两个更多空间维度的作用。他们能够用这个系统来衡量“第二陈数”,表示存在第四维效应。

Rechtsman的团队使用的是通过一系列波导的光线,或者是用来控制光波形状的特殊玻璃。它看起来像是一排排长方形棱镜的光纤电缆。这些电缆耦合光可以在尖端之间行进。通过在背景中摆动光纤,他们可以模拟电场对带电粒子(由光子表示)的影响。研究人员观察到光线跳到装置的相对边缘和角落。这将是与4D量子霍尔效应相关的物理效应。

这两个实验填补了这个四维效应的两个理解。德国路德维希 – 马克西米利安大学的Michael Lohse说:“我认为这两个实验是相辅相成的。从最简单的意义上来说,第一组科学家正在研究物理系统中大部分的四维效应,而第二组则研究同一系统边缘的效应。”

为了研究这种效果,两支队伍都有更多的工作要做。Lohse和Rechtsman表示他们系统中的原子和光子不会相互影响。他们希望看到这个效应如何在交互系统中体现出来。

Rechtsman说:“还有一个问题,就是具有复杂晶胞的真实固态材料是否具有这些隐藏的特性,以及它们的物理特性是否可以在以前无法获得的高维物理学中表现出来。能否让我们对复杂几何的物质的各个阶段有新的认识?”

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