摘要：2月6日，国际顶刊《科学》杂志发表了一篇重磅论文。来自以色列理工学院等机构的国际团队，通过研究一种被称为"准晶体"的特殊物质，可能首次发现了四维空间结构在我们三维世界中留下的"指纹"。
我们可能找到了通向四维空间的窗口了！
2月6日，国际顶刊《科学》杂志发表了一篇重磅论文。来自以色列理工学院等机构的国际团队，通过研究一种被称为"准晶体"的特殊物质，可能首次发现了四维空间结构在我们三维世界中留下的"指纹"。
你可能难以置信，但这确实是一项突破性的科学发现。如果你身处二维世界，你看到一个圆，那么你升维了，到了三维世界，这个圆可能是什么？大聪明都知道，它可能是一个球的投影，也可能是圆柱体的投影。同样的道理，我们看到的准晶体，可能正是四维世界在我们三维空间中留下的"影子"。
这个故事还要从40年前说起……
1982年4月8日，以色列科学家丹·谢赫特曼（Dan Shechtman）在美国国家标准技术研究所做实验时，发现了一个令人震惊的现象。当时，他正在电子显微镜下观察一种快速冷却的铝锰合金(Al₈₆Mn₁₄)。
在进行电子衍射实验时，显微镜屏幕上出现了一个不可思议的图案：十个明亮的衍射点整齐地分布在一个圆周上。这意味着这种物质具有五重对称性——每旋转72度，就会看到完全相同的图案。
谢赫特曼完全懵了，难以置信地在实验记录本上写下了"10 Fold???"（十重对称）。
为什么这三个问号如此重要？因为按照当时的晶体学理论，这简直是"物理学的违法现象"。
但要理解为什么这个发现会如此具有争议性，我们还得先理解什么是晶体。
你可能有一堆摆放整齐的方块积木。晶体就像这样——是由原子或分子按照固定的规律，周期性重复排列形成的固体。就像你把一个小方块不断在三个方向上重复，最终能搭建出一个大方块。这种规律性使得晶体在旋转时，只能出现2次、3次、4次或6次对称性——这是晶体学中最基本的规律之一。
简单来说，如果你把一块普通晶体旋转360度，你会发现它在特定的角度(比如每转180度、120度、90度或60度)时，看起来完全一样。这就是晶体的旋转对称性。而且，这个规律是有数学证明的，被认为是永远不会被打破的真理。
但谢赫特曼在电子显微镜下看到的东西，完全打破了这个铁律。他发现的这种物质展现出了5次对称性——就像五角星那样的结构。这在当时的晶体学理论中是绝对"违法"的！
"这不可能！"同行们异口同声地说。因为按照经典晶体学理论，五次对称就意味着这种结构无法在空间中周期性重复，也就是说，这样的晶体根本不可能形成。这就好比你试图用相同的正五边形瓷砖来铺满地板，永远都会留下缝隙。
这种具有五重对称性的物质后来被称为"准晶体"。随着研究的深入，科学家们发现不只是铝锰合金，其他材料比如铝-铜-铁合金、钛-锆-镍合金等也能形成准晶体。更令人惊讶的是，2009年，研究人员在俄罗斯西伯利亚的一块陨石中发现了第一个天然准晶体(icosahedrite)。这证明准晶体不仅能在实验室中人工制备，在自然界中也是客观存在的。
但即便如此，当时仍然没有人相信谢赫特曼的发现。连他的实验室主任都嘲讽地建议他去重读基础晶体学教科书。面对全世界的质疑，谢赫特曼坚持了两年才找到愿意和他合作发表这项研究的科学家。
直到2011年，他因这一发现获得诺贝尔化学奖，科学界才完全接受了准晶体的存在。
但准晶体的谜团远未解开。它为什么会有这种奇特的结构？它遵循着什么样的物理规律呢？
现在，这个谜题终于有了突破性的答案！
以色列团队使用了两种尖端技术：近场扫描光学显微镜(NSOM)和双光子光电子发射电子显微镜(2PPE)，对准晶体进行了深入观察。他们发现，当电磁波在准晶体表面传播时，会出现两个令人震惊的现象，只能用四维空间的数学模型才能完美解释！
首先，他们观察到在二维空间中看似完全不同的波纹模式，却具有完全相同的拓扑特性。这就像你从不同角度观察一个立体物体投射的影子——虽然这些影子的形状看起来完全不同，但它们其实都来自同一个立体物体。这暗示着这些不同的波纹模式可能都是来自同一个四维结构。
更令人惊讶的是，他们发现两种看似完全不同的表面波模式，在阿秒（十亿分之一秒）级别的极短时间内会突然呈现出完全相同的状态。就像你用手电筒从不同角度照射一个复杂的雕塑，虽然投射在墙上的影子形状各异，但它们都来自同一个立体物体。这种超快速的状态转换，用三维空间的物理学无法解释，但如果我们假设这些表面波是更高维度结构的"投影"，这一切就变得合理了。
就像侦探破案时发现的关键线索，研究团队解释道，这些奇特的现象告诉我们，准晶体很可能是四维周期性结构在我们三维世界的投影。
到这里你是不是已经豁然开朗了？
当然，这项研究还有一些局限。我们仍然无法直接"看到"或"接触"四维空间，只能通过准晶体这个"窗口"间接观察到它的一些特性。但这个发现已经为我们打开了一扇认识更高维度世界的大门。
更令人兴奋的是，这项研究可能带来实际应用。研究人员表示，准晶体独特的高维拓扑特性可能用于未来的信息存储和量子计算领域。
参考文献：
Tsesses, S., et al. (2025). Four-dimensional conserved topological charge vectors in plasmonic quasicrystals. Science, 387(6734), 644-648.
来源：徐德文科学频道