查理德·韋伯++lollso+lo

二維——平面國(guó)的景觀

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆說：“二維最好。”一維太簡(jiǎn)單，難以令人滿足；三維則太復(fù)雜、太雜亂；二維的“平面國(guó)”剛剛好，它的空間剛好能讓有趣和有用的東西出現(xiàn)。海姆說：“作為物理學(xué)家，你會(huì)希望生活在這個(gè)維度?！?/p>

他當(dāng)然會(huì)這么說了。海姆的團(tuán)隊(duì)在2004年制造出了第一個(gè)二維材料石墨烯，這種厚度僅為一個(gè)碳原子的二維碳片可以讓電子幾乎無(wú)阻礙地透射，因此，這種材料有巨大的應(yīng)用前景。如果未來計(jì)算機(jī)的導(dǎo)線用納米管制造，那么石墨烯將是制造電路板的理想材料。

二維世界的方便之處還有很多。我們?cè)缇椭涝?143℃左右存在超導(dǎo)體，但是對(duì)其物理機(jī)制不甚了解?，F(xiàn)在，過去了20年，我們的進(jìn)步是知道了超導(dǎo)現(xiàn)象可能源于電荷相互作用所形成的“二維條紋”。研究深藏于超導(dǎo)現(xiàn)象之后的二維世界，也許可以幫助我們推進(jìn)常溫超導(dǎo)體方面的研究。

二維平面既是現(xiàn)實(shí)的，又是深?yuàn)W的。當(dāng)電子被強(qiáng)磁場(chǎng)約束在溫度低于0.33K的二維層狀半導(dǎo)體材料中時(shí)，長(zhǎng)期被認(rèn)為基本不可分的電子似乎分裂成了具有分?jǐn)?shù)電荷的粒子，這個(gè)現(xiàn)象叫作分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的粒子叫作任意子。

任意子不但促使我們重新思考電子的本質(zhì)，還給了我們建造一種超級(jí)量子計(jì)算機(jī)的希望。這種機(jī)器能夠忠實(shí)地模擬量子系統(tǒng)的行為，如果能大規(guī)模投入使用，信息處理過程勢(shì)必又迎來一次革命?？偠灾?，在二維平原之上，延伸出了一條條通向從新藥研發(fā)到并行宇宙的幾乎一切事物的未來之路。

三維——我在故我在？

二維平原和多維超空間已成為讓想象力飛馳的令人驚訝的娛樂場(chǎng)，我們的身體卻似乎只能滯留于三維空間之中。我們?yōu)槭裁床皇巧钤诙S、四維、五維或者更多維的空間里呢？最近，物理學(xué)家在嘗試融合相對(duì)論和量子理論來解釋時(shí)空的本質(zhì)的時(shí)候，這個(gè)古老的問題又被重新提起。

作為通往量子引力真相的一種路徑，弦理論給出了一個(gè)不太令人滿意的模糊答案：從零維到十維的空間都是可能的。這迫使理論物理學(xué)家倒向了人擇原理。根據(jù)人擇原理，我們可以認(rèn)為各種維度的宇宙都可能存在，因?yàn)槲覀冎荒艽嬖谟谌S空間中，所以我們只能看見三維世界。如果我們不存在，自然不可能得到這個(gè)觀測(cè)結(jié)果。

2005年，華盛頓大學(xué)西雅圖分校的安德烈亞斯·卡奇和哈佛大學(xué)的麗莎·藍(lán)道爾提出了一個(gè)以物理學(xué)原理為基礎(chǔ)的解釋。他們建立了一個(gè)以弦論中接受度最高的十維時(shí)空為基礎(chǔ)的理論模型。這個(gè)理論認(rèn)為，在這個(gè)隨著時(shí)間膨脹的超空間中，飄浮著各種不同維數(shù)的宇宙，它們不停地相互碰撞并湮滅。在這個(gè)過程中，三維和七維的宇宙最有可能幸存下來。這個(gè)理論模型幾乎已經(jīng)給出了我們?yōu)槭裁磳?duì)三維世界情有獨(dú)鐘這個(gè)問題的答案，除了最后一個(gè)問題：為什么不是看上去更寬敞的七維世界而是狹小的三維世界呢？

一個(gè)歐洲研究小組最近完成的工作給了這個(gè)問題解釋。他們認(rèn)為，時(shí)空并不是一個(gè)均勻的整體，而是由許多極小的片段構(gòu)成的微元。他們把時(shí)空分割成一些簡(jiǎn)單的單形（也稱單純形），這些單形以不同的方式接合在一起，構(gòu)成整個(gè)完全時(shí)空。單形是空間中最簡(jiǎn)單的多面體，是平面幾何中三角形這一概念在高維中的自然推廣。根據(jù)量子理論，宇宙的真實(shí)形狀應(yīng)該是所有存在模式的概率的疊加。根據(jù)計(jì)算，如果這個(gè)宇宙模型嚴(yán)格滿足所有的因果關(guān)系，那它的時(shí)間是一維的，而空間則是精確的三維。

根據(jù)這項(xiàng)研究可以推得一個(gè)結(jié)論：時(shí)空的維度中有一個(gè)尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（某個(gè)極小的尺度），四維時(shí)空將變成二維。也許，如果你觀察得足夠精細(xì)，能看到極小的尺度，你將發(fā)現(xiàn)我們?nèi)陨钤诙S世界中。

二維世界的原子是什么樣的？

絕對(duì)的二維世界意味著三維空間在一個(gè)方向上尺度變成零。我們作為生活在三維世界中的生物，思維上很難想象二維世界中的物理規(guī)律和基本粒子。許多我們?nèi)S世界中的守恒定律要重寫，比如電荷數(shù)守恒。二維世界中，電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)就不是距離的二次冪指數(shù)函數(shù)，點(diǎn)電荷的電勢(shì)

場(chǎng)會(huì)變成ln形式，所以二維世界中原子周圍的電子軌道和三維中是不同的。

同樣的原理，二維世界的重力場(chǎng)也要重寫。二維世界里行星的運(yùn)動(dòng)會(huì)滿足不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)則?？苹眯≌f《三體》提到降維攻擊的概念，在我的腦海中，降維條件下基本粒子及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律都迥然不同了，高維世界的生物要想適應(yīng)也不是一件容易的事情，所以我們應(yīng)該還算安全。

從我們?nèi)S世界的物理規(guī)律出發(fā)，許多二維的體系是不會(huì)存在的。其中一個(gè)例子是二維的原子排列是否能形成周期性的晶格結(jié)構(gòu)。根據(jù)Mermin–Wagner 定律，在絕對(duì)零度以上，二維體系中，長(zhǎng)程的熱漲落會(huì)毀壞所有的長(zhǎng)程序。