以色列發現通往四維空間的窗口？《科學》重磅，突破性發現！
我們可能終於找到通向四維空間的窗口了！
2月6日，國際頂刊《科學》雜誌發表了一篇重磅論文。來自以色列理工學院等機構的國際團隊，通過研究一種被稱爲"準晶體"的特殊物質，可能首次發現了四維空間結構在我們三維世界中留下的"指紋"。
你可能難以置信，但這確實是一項突破性的科學發現。如果你身處二維世界，你看到一個圓，那麼你升維了，到了三維世界，這個圓可能是什麼？大聰明都知道，它可能是一個球的投影，也可能是圓柱體的投影。同樣的道理，我們看到的準晶體，可能正是四維世界在我們三維空間中留下的"影子"。
這個故事還要從40年前說起……
1982年4月8日，以色列科學家丹·謝赫特曼（Dan Shechtman）在美國國家標準技術研究所做實驗時，發現了一個令人震驚的現象。當時，他正在電子顯微鏡下觀察一種快速冷卻的鋁錳合金(Al₈₆Mn₁₄)。
在進行電子衍射實驗時，顯微鏡屏幕上出現了一個不可思議的圖案：十個明亮的衍射點整齊地分佈在一個圓周上。這意味着這種物質具有五重對稱性——每旋轉72度，就會看到完全相同的圖案。
謝赫特曼完全懵了，難以置信地在實驗記錄本上寫下了"10 Fold???"（十重對稱）。
爲什麼這三個問號如此重要？因爲按照當時的晶體學理論，這簡直是"物理學的違法現象"。
但要理解爲什麼這個發現會如此具有爭議性，我們還得先理解什麼是晶體。
你可能有一堆擺放整齊的方塊積木。晶體就像這樣——是由原子或分子按照固定的規律，週期性重複排列形成的固體。就像你把一個小方塊不斷在三個方向上重複，最終能搭建出一個大方塊。這種規律性使得晶體在旋轉時，只能出現2次、3次、4次或6次對稱性——這是晶體學中最基本的規律之一。
簡單來說，如果你把一塊普通晶體旋轉360度，你會發現它在特定的角度(比如每轉180度、120度、90度或60度)時，看起來完全一樣。這就是晶體的旋轉對稱性。而且，這個規律是有數學證明的，被認爲是永遠不會被打破的真理。
但謝赫特曼在電子顯微鏡下看到的東西，完全打破了這個鐵律。他發現的這種物質展現出了5次對稱性——就像五角星那樣的結構。這在當時的晶體學理論中是絕對"違法"的！
"這不可能！"同行們異口同聲地說。因爲按照經典晶體學理論，五次對稱就意味着這種結構無法在空間中週期性重複，也就是說，這樣的晶體根本不可能形成。這就好比你試圖用相同的正五邊形瓷磚來鋪滿地板，永遠都會留下縫隙。
這種具有五重對稱性的物質後來被稱爲"準晶體"。隨着研究的深入，科學家們發現不只是鋁錳合金，其他材料比如鋁-銅-鐵合金、鈦-鋯-鎳合金等也能形成準晶體。更令人驚訝的是，2009年，研究人員在俄羅斯西伯利亞的一塊隕石中發現了第一個天然準晶體(icosahedrite)。這證明準晶體不僅能在實驗室中人工製備，在自然界中也是客觀存在的。
但即便如此，當時仍然沒有人相信謝赫特曼的發現。連他的實驗室主任都嘲諷地建議他去重讀基礎晶體學教科書。面對全世界的質疑，謝赫特曼堅持了兩年才找到願意和他合作發表這項研究的科學家。
直到2011年，他因這一發現獲得諾貝爾化學獎，科學界才完全接受了準晶體的存在。
但準晶體的謎團遠未解開。它爲什麼會有這種奇特的結構？它遵循着什麼樣的物理規律呢？
現在，這個謎題終於有了突破性的答案！
以色列團隊使用了兩種尖端技術：近場掃描光學顯微鏡(NSOM)和雙光子光電子發射電子顯微鏡(2PPE)，對準晶體進行了深入觀察。他們發現，當電磁波在準晶體表面傳播時，會出現兩個令人震驚的現象，只能用四維空間的數學模型才能完美解釋！
首先，他們觀察到在二維空間中看似完全不同的波紋模式，卻具有完全相同的拓撲特性。這就像你從不同角度觀察一個立體物體投射的影子——雖然這些影子的形狀看起來完全不同，但它們其實都來自同一個立體物體。這暗示着這些不同的波紋模式可能都是來自同一個四維結構。
更令人驚訝的是，他們發現兩種看似完全不同的表面波模式，在阿秒（100億億分之一秒）級別的極短時間內會突然從不同變成相同。就像你用手電筒照一個圓柱體，側面照是長方形，頂部照是圓形。這種超快速的狀態轉換，用三維空間的物理學無法解釋，但如果我們假設這些表面波是更高維度結構的"投影"，這一切就變得合理了。
就像偵探破案時發現的關鍵線索，研究團隊解釋道，這些奇特的現象告訴我們，準晶體很可能是四維週期性結構在我們三維世界的投影。
到這裏你是不是已經豁然開朗了？
當然，這項研究還有一些侷限。我們仍然無法直接"看到"或"接觸"四維空間，只能通過準晶體這個"窗口"間接觀察到它的一些特性。但這個發現已經爲我們打開了一扇認識更高維度世界的大門。
更令人興奮的是，這項研究可能帶來實際應用。研究人員表示，準晶體獨特的高維拓撲特性可能用於未來的信息存儲和量子計算領域。
參考文獻：
Tsesses, S., et al. (2025). Four-dimensional conserved topological charge vectors in plasmonic quasicrystals. Science, 387(6734), 644-648.
