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新闻消息文字稿
00:00第四维度
00:01长期以来,第四维度的概念一直徘徊在科学和科幻的边缘
00:07这个概念如此难以捉摸和神秘,以至于我们中的许多人几乎无法理解它
00:14但是,是否真的存在一个额外的空间层次,隐藏在我们的三维世界观之外呢?
00:25也许,第四维度不仅仅是一个科幻术语而已
00:29令人兴奋的是,科学家们现在声称已经构建出了一个第四维度的空间
00:36在这个视频中,我们将深入探索这一新的现实,并解释一个四维世界可能是什么样子的
00:43我们体验世界是三个空间的维度和一个时间的维度
00:51时间通常被称为第四维度
00:53但先忘掉你所学的一切
00:57今天,我们将探讨一个更加抽象的概念
01:01我们能构建一个第四维的空间吗?
01:06它会包含哪些奇特的属性呢?
01:11从数学上讲,我们很容易想象出包含四个、六个、甚至一百个空间维度的世界
01:17实际上,诸如脑宇宙学这样的理论物理学分支,已经暗示了多个空间维度的存在
01:24这个电影,经济穿越吗?
01:28对于还需要了解剧情的人来说,这里有个剧透警告
01:31将船员带到盖亚古塔的虫洞,是通过一个被称为体空间的超空间移动的
01:37这是一个更高的空间维度
01:39正是这个维度使得飞船能够出现在一个新的飞线性位置
01:47再来看另一个科幻电影的经典元素,漫威电影宇宙
01:51Tetheract这个词,描述了一个神秘而强大的立方体
01:56它拥有一块空间宝石
01:58这种装置能够打开通往宇宙中任何位置的传送门
02:02它通过访问一个更高的空间维度来实现这一点
02:07类似于电影《星际穿越》中的大量空间概念
02:11但是,Tetheract这个词实际上来源于数学
02:15它指的是一个四维立方体
02:17也被称为超立方体
02:19然而,在科幻领域之外
02:24我们如何能够想象存在于第四维度中的东西呢?
02:29近年来,新一代的量子物理学家将这个抽象的问题
02:33变成了一个出人意料的具体现实
02:36他们不再去寻找隐藏的维度
02:40而是开始在现实世界中创造额外的维度
02:44更准确地说是在量子实验室里
02:49这对我们理解现实有着深远的影响
02:52一旦我们能够掌握它
02:54它可能会推动量子技术的创新持续发展
02:57为了更好地理解这一切的含义
03:02我们首先需要弄清楚维度是什么
03:05上下
03:06左右
03:07前后
03:08我们认为就只有这些维度
03:11因为这些是我们能看见和触摸到的
03:14但实际上
03:15可能是我们有限的感官
03:17限制了我们对现实的理解
03:19想象一下
03:22你出生在一个没有窗户的房间里
03:24在这样的环境中
03:26你如何能够想象到
03:27自己所处环境之外的世界呢
03:29在十九世纪的英国小说
03:32《平面国》中
03:33所有的角色
03:34都是生活在无限大纸张上的二维形状
03:37我们的叙述者
03:39是一个正方形
03:40他只能向左
03:41向右
03:42向前
03:43和向后移动
03:44但他根本无法理解
03:46什么是向上
03:47当一个来自三维世界的球体
03:50穿过平面国时
03:51正方形永远看不到这个球体
03:56相反
03:56他只看到与二维世界互动的部分
03:59起初
04:02他看到一个点
04:03然后是一个逐渐扩大的圆
04:05接着是一个逐渐缩小的圆
04:07最后什么也看不见了
04:08对我们的角色来说
04:10这个球体
04:11只在二维平面上
04:13以一系列随时间变化的
04:15神秘二维切片的形式显现
04:16这个故事完美地展示了
04:21我们在试图理解
04:23超越三维的世界时
04:24所感受到的困惑
04:25如果存在第四个空间维度
04:30我们从外部
04:31永远无法看到一个四维物体
04:33但这并不意味着
04:37我们不能探索这个奇怪的想法
04:39并通过这样做
04:41来更多的了解
04:42我们对现实的感知
04:43所以
04:46我认为
04:47理解四个维度的最佳方法是
04:49将其与我们熟悉的维度数量进行类比
04:52然后尝试进行推断
04:54这是汉纳
04:55普莱斯
04:56博明汉大学的
04:57一位理论量子物理学家
04:59像普莱斯这样的物理学家
05:02谈到第四个空间维度时
05:03他们指的是某种特定的东西
05:06一个物体可以移动的额外的独立方向
05:09在一张平纸上
05:13有两个方向
05:14X和Y
05:15在日常空间中
05:17有三个方向
05:18X
05:19Y和Z
05:20如果增加第四个空间维度
05:22它将只是
05:23垂直于其他三个维度的另一个方向
05:26我们可以称之为Q
05:29如果平面世界中的正方形
05:31发现了新的维度
05:32那就意味着
05:34它有了新的运动自由度
05:35这对物理学来说
05:37真的非常令人兴奋
05:38这种自由度
05:40在物理学中至关重要
05:42因为它改变了许多物理定律的行为方式
05:45因此
05:48它改变了重力的作用方式
05:51或者电磁力的作用方式
05:53我真正感兴趣的是
05:55这是否会改变某些类型量子材料的行为方式
05:59只是通过增加粒子移动的额外方向
06:03你就可以实现
06:05在我们这个三维宇宙中看不到的不同物质状态
06:09换句话说
06:16高维物理学就像是一个蓝图
06:19构建了一个
06:20我们只能感知到其中一部分的现实
06:22但这就是令人兴奋的地方
06:26如果我们将我们的现实
06:28想象成更高维度的影子
06:30我们或许能够窥见
06:31这个四维世界中
06:33尚未被开发的独特物理现象
06:35就像高维系统在低维空间中投下了一个影子
06:40展现了许多相同的特征和性质
06:43通过观察这种效应的影子
06:48我们推断
06:49出在更高维度中也存在类似的效应
06:52Price属于新一代科学家
06:57他们相信
06:58不仅能够理论化第四维度的存在
07:00还能通过具体的实验来积极探索它
07:03问题在于如何实现
07:07虽然我们无法直接看到第四维度
07:10但这并不意味着
07:11我们不能模拟
07:12它对我们三维空间的影响
07:14答案在于
07:17二十世纪八十年代初的一个有趣发现
07:20极量子霍尔效应
07:22在八十年代
07:23德国物理学家
07:25Klaus von Klitschen
07:26研究了极薄的半导体层
07:28实际上创造了一个二维的电子层
07:31当这些电子置于强词场中时
07:39他们的运动方式挑战了我们对物理世界的理解
07:42仿佛他们通过某种秘密通道移动
07:45甚至到达了超出他们认知范围的隐藏坐标
07:49Van Klitschen后来
07:55因他在量子霍尔效应方面的发现
07:57而获得了诺贝尔物理学奖
07:59那这些系统中到底发生了什么呢
08:02电子被束缚得非常紧密
08:04它们只能在两个方向上移动
08:06有点像我们平面国里的那个朋友
08:10但这就是事情变得奇怪
08:12和有点复杂的地方
08:13所以请跟着我的思路来
08:15如果你对这种原子极薄的二维电子晶片
08:18施加一个磁场
08:19它会让里面的所有电子
08:21都想要做小圆周运动
08:23除了边缘部分因为空间不足
08:25在这里
08:32电子的轨迹被切割成了半圆形
08:35但这些电子并没有在原地停止
08:40而是沿着边缘快速移动
08:42形成了一个导电的外围
08:44这被称为量子霍尔效应
08:47它产生了一种材料
08:49中间是绝缘的
08:50而两侧是导电的
08:52这种不寻常的二元性
08:57依赖于利用了一个更高维度的影响
08:59而这个维度原本是不被认为
09:02能够被电子影响的
09:03要理解这是如何工作的
09:08可以想象一条有一列电子
09:10排列在一维线上的情况
09:11如果你对这个施加一个磁场
09:13电子就无法做圆周运动了
09:16因为在单一维度中
09:17这是不可能的
09:18所以它们会固定在原地不动
09:21然而
09:23如果这条线是晶圆的边缘
09:25电子就可以在二维平面上移动
09:28你的利子试图做圆周运动
09:33但在它能够绕完整圈之前
09:35就会不断碰到边界
09:37每次碰到边界时
09:40它都会反射回来
09:41沿着原来的方向返回
09:43然后它又会再做一个小圆圈
09:47这就导致了我们所说的跳跃轨道现象
09:50简而言之
09:51电子通过第二维度
09:53在外部的一维边缘和内部的绝缘体之间跳跃
09:56量子空穴效应
10:01是所谓的拓扑材料最简单的例子
10:04这种材料在边缘的行为
10:08不依赖于材料的微小细节
10:10它依赖于更深层次的数学结构
10:14这引发了一个有趣的问题
10:18如果一维线条
10:20在感受到另一个维度的印记时
10:23能够表现出奇妙的现象
10:24那么更高维度
10:26也能做到同样的事情吗
10:28理论上是可以的
10:302001年
10:32当时都在加州斯坦福大学的长根仓
10:34Xiu Chang-Zang
10:36和他的同事胡江平
10:37Juan Ping Hu
10:38发展出了描述四维量子霍尔效应的数学理论
10:42在这个理论中
10:44常规的三维材料感受到了第四维的影响
10:47这个想法引起了普莱斯
10:51Price的兴趣
10:5221世纪初就有预测指出
10:55存在四维量子霍尔效应
10:57它是对二维结果的推广
10:59而这真正激发了我们的想象力
11:01我们决定尝试找出如何在实验中实现它
11:05现在的问题是方法
11:08为了创建它们的第一个四地模拟
11:12Price和其他人创建了一个由激光固定的原子金格
11:16通过调整激光
11:19它们可以变形金格
11:21产生一个四维物体的幽灵般的光芒
11:24这是现实世界中正方形在平面国中与球体互动的一个例子
11:31这个实验与同时发表的另一个实验一起
11:35这是首次实现四维量子霍尔效应
11:39但是很难说在这些实验中第四维度是什么
11:43或者在哪里
11:44这还不够具有四维感
11:50比仅仅营造出第四维度的印象
11:53要好得多的是真正构建它
11:56而这正是我们接下来要做的
11:58当谈到探索多个维度时
12:01新科学家New Scientist是最佳的信息来源
12:04我们公司于1956年成立
12:08旨在服务于所有对科学发现及其社会影响感兴趣的人
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12:46那么让我们构建第四个维度吧
12:48Price想知道是否可以在实验室中制造出类似的东西
12:52第一步是设计一个模型
12:54以实验者可以操作的形式捕捉基本的思维物理现象
12:59然后出现了Tong Yodong
13:02他是新加坡南洋理工大学的一名量子研究人员
13:06他利用Price的理论
13:08构建了世界上第一个永久性的思维电路
13:11从非常实际的角度来看
13:16如果我们的目标是
13:18首次创建一个等同于思维经格的物理结构
13:21并且以HANA的原则和模型作为指导原则
13:24那么电子电路就是实现这一目标的方法
13:29但是使用电子技术的优势在于
13:39你可以用导线将不同的电斜阵器连接起来
13:43这意味着我可以把这个四维结构拆分成层次
13:47并将其排列成三维的电路板堆叠
13:59如果你有一种四维材料
14:08你可以将其推广到量子霍尔效应的研究中
14:12要理解它是如何工作的
14:13可以想象一个三维物体
14:15比如一个立方体
14:16如果我们观察这个立方体
14:19我们可以看到线条
14:21可以视为一维物体
14:22是如何被绘制出来
14:24来连接各个部分的
14:25现在如果我们将这个立方体展开到二维空间
14:31我们会得到六个相互平行的正方形
14:33在三维空间中
14:36我们知道这些正方形的边是彼此相邻的
14:39但在二维空间中
14:41它们并不是这样的
14:42如果我们制作一个这种形状的电路板
14:45我们可以将其连接起来
14:47使得每条边都像与其三维邻居相邻一样工作
14:50本质上
14:53这就是Chang的团队所做的
14:55从视觉上看
14:57它像一个密集的多层主板
14:59但从数学上讲
15:01它是一个四维网格
15:02那么
15:05如果这个电路
15:06真的表现得像一种四维量子霍尔材料
15:09我们怎么判断呢
15:10在二维效应中
15:12体块是绝缘体
15:14而边缘则是一种特殊单向状态工作的导体
15:174D版本预测了一些类似的现象
15:21即在4D金格的3D表面上存在的特殊状态
15:25使用电路来模拟这一现象的整个想法在于
15:30你可以随意连接电路的各个部分
15:33这意味着
15:37如果你想让电流在四个方向上流动
15:40你只需要在电流节点上连接四根导线即可
15:43换句话说
15:45Price和Chang的团队创建了一个三维电路
15:47其行为符合四维量子霍尔材料的方程式
15:49在这个由电容器和电感器组成的网络中
15:52存在一个额外的有效传播方向
15:55即一个合成的第四维度
15:57我们希望展示这个4D电路表现出我们预期中的4D量子霍尔效应特征
16:19确实他们做到这样
16:23因此他们验证了这些四维表面态的存在
16:27我认为这是第一个真正研究这种效应的四维实验
16:32因为其联通性是四维的
16:34现在既然有了模拟4D环境的机制
16:40事情就变得有据多了
16:43基于他和Kanggaiang进行实验的基本蓝图
16:46人们可以说可以很容易的在六维空间中实现量子霍尔效应
16:51东京大学的理论家Mohiko Ezra进一步指出
16:58Yadon团队设计的电路有可能展现出
17:01与实验者耐心连接的维度数量相等的多个维度
17:15然而
17:16所有这些并不能完全证明宇宙是四维的
17:21Price本人对这一观点持中立态度
17:23但像所有优秀的科学家一样
17:24他对发现新事物持开放态度
17:26我不知道
17:28现实中是否存在超过三个空间维度
17:31嗯
17:33我不是闲理论家
17:34所以对于是否存在超出我们感知的三个空间维度的问题
17:38我持不可知论的态度
17:40但我一直对
17:43如果存在更多维度
17:45会发生什么
17:46感到非常着迷
17:47对我来说
17:49这是一个想象力的练习
17:50这意味着
17:51我们已经学会了如何设计出表
17:54现得像四维空间的系统
17:56这个电路具有四维的连接性
18:02但它仍然实际存在于普通的三维空间中
18:06普林斯顿大学的教授
18:09Shin's Real指出
18:10上述每个实验都是在合成环境中
18:13在引导下进行的
18:14任何看似四维的活动
18:19实际上都是人类创造的产物
18:21他还提到
18:26这些实验没有考虑到电子之间的相互作用力
18:29这种力是由他们的电荷产生的
18:32而电荷仍然受到三个常规维度的支配
18:35Hanna自己也认为
18:38在自然且未经人为操控的情况下
18:41目前还无法观察和测量这些粒子
18:44在多大程度上利用了所谓的四维隐藏隧道
18:47我完全同意
18:53而且我认为
18:54那个电路从来就不是作为一个独立的存在而设计的
18:57所以
18:58它的担忧是完全正确的
19:01有其他方法
19:03可以获得这些额外的维度
19:05这些方法更能忠实于你
19:07对维度的期望
19:08并且更有可能产生正确的相互作用效果
19:11我们对这种所谓的维度跳跃
19:17感兴趣的很多物理现象
19:18实际上与粒子相互作用毫无关系
19:21现在还有一个材料物理的分支
19:28研究的是相互作用的材料
19:30以及当相互作用不仅存在
19:32而且很强时
19:33如何定义拓扑材料
19:35这本身就是一个有趣的研究课题
19:38这些东西
19:46实际上在现实世界中
19:47有潜在的技术应用
19:49其他团队已经开始着手研究这个领域了
19:53例如
19:54在巴黎进行的4D量子霍尔实验
19:57已经能够观察到
19:58粒子在4D环境中的运动
20:00这为理解这些维度的精细结构
20:02以及研究相互作用物理现象
20:05打开了大门
20:05这是Price Yaldon和其他人在高位研究领域
20:12真正令人兴奋的前景之一
20:14我们不仅扩展了我们对现实本质的物理知识
20:18甚至可能证明第4个或更多维度的存在
20:22而且这也对现实世界的技术产生了影响
20:26有一个非常普遍的误解
20:31认为量子物理
20:32只与微观物体或原子的性质有关
20:35实际上并不影响我们的日常生活
20:38你们现在观看这个视频的普通电脑
20:47就是基于量子物理定律运行的
20:49像所有拓扑态一样
20:50这些材料也具有有用的特性
20:56事实证明
20:59表面的任何杂质都不会阻碍电子的移动
21:02因为它总能穿过更高的维度
21:04这使它们成为良好的导电体
21:10未来
21:11这些奇异的特性不仅可能加速当前的技术发展
21:15还可能为下一代超快量子计算机
21:18及其他领域提供动力
21:19我希望的是
21:23我们对更高维度的一些基本问题
21:26能够转化为实际应用
21:28从而为未来控制光和粒子的方法
21:30带来新的创意和设备
21:32而这最终
21:41可能是最令人兴奋的部分
21:42空间门户
21:44以及像漫威的宇宙魔方
21:46或星际穿越中的虫洞
21:48这样的强大神秘物体
21:50很可能仍然只存在于科幻小说中
21:53但在现实世界中
21:55当我们接受并探索对宇宙的一种新的
21:58可能更为奇异的理解时
22:00唯一的限制是我们敞开心扉去想象和创新的能力
22:04我们是否生活在我们自己的二维平面上
22:11嗯
22:13现在我们可能有了回答这个问题的工具
22:16要更深入地探讨那些重大的问题
22:19比如引力是否是量子的
22:21以及我们宇宙中所有缺失的物质在哪里
22:24可以看看我们的另一个视频
22:26在那里
22:26五位世界顶尖物理学家
22:28将解析下一个世纪的量子物理学
22:31成人目被感受可以灯引 Different
22:47成人目被制作的
22:48对抗体重大神岛
22:49从中备在其中全能力
22:51一个很难受过
22:52在这段击数学证 pela其在
22:55数学的 Xu mad
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