互动科普

这是新的大统一理论吗？也许不是。

约束于临近绝对零度和强磁场的半导体薄涂层中的电子，会出现奇怪的现象。它们的行为不再表现为独立的粒子，而是呈现多体的具有分数电荷等非直观属性的所谓“准粒子”现象。这种量子化电子的物理学称为“分数量子霍尔效应”，是一个在实验和理论上都已经非常成熟的领域。但在2维以上的系统中以前尚未发现过(甚至也未在理论上指出过)这种现象。目前有两位物理学家已经将2维的分数量子理论推广到4维，并为此提出了一个备受争议的理论。其结果可能对基本粒子物理学和引力量子理论都具有重要意义。

美国斯坦福大学的张首晟及其学生胡江平提出了一个4维的量子霍尔系统，这一系统将存在于5维空间的表面。这一新理论的核心思想成型于张先生2000年盛夏在中国清华大学讲学的时候(他是该校的客座学者)。张先生及其学生对高维空间很有研究，1996年他提出了一项基于高维空间对称性的高温超导理论。同在斯坦福大学任教、因首创2维分数量子霍尔效应理论而荣获1998年诺贝尔物理学奖的Robert B．Laughlin说：“4维量子霍尔形态的发现是一个实质性的突破，具有重大的意义，我曾做过多年的类似研究，却成效甚微。”

在2维体系的边界，准粒子会产生称为“边缘态”的量子现象，周边呈现某种波纹状，类似的状态在4维系统的边界也会出现，4维系统的边界是我们所熟知的3维。2001年10月26日出版的美国《Science》杂志登载了张胡两学者的论文。他们提出，某些3维边缘态具有与光子和引力子相似的属性。这一结论可能会开辟引力量子理论的新途径，它与引入超弦，高维branes以及量子环的现有量子引力理论大相径庭。具有光子和引力子属性的边缘态现象称为“emergent relativity(发生相对论)”，因为根据这一理论，这些粒子也服从爱因斯坦相对论，而不必象通常情况一样要先满足与相对论基本方程自洽的条件。

很少有专家信服他们这种进一步的推论。美国麻省理工学院著名的理论物理学家Frank Wilczek曾从事过从粒子物理到量子霍尔系统等奇异凝聚态的广泛研究工作。他认为，试图以这种理论建立整个物质世界模型的设想“需要一次信仰的飞跃”。引力子和其他粒子之间如果发生适当的相互干扰也会产生emerge现象，但他对这种现象是否会发生表示怀疑，因为在2维系统里从未发生过类似的现象。

Laughlin说得更干脆：“这篇文章言下之意他们已经发现了发生相对论，这完全是假的。”这种情况下的边缘态应该有成对的4维准粒子同步运动，但即便是最细微的干扰也会打破它们的配对。张先生承认这一理论与相对论的联系还是相当初级的，他说后续的论文将对某些异议加以阐释。目前，这一理论还只是精致的数学公式，但是终究会在经历漫长的历史后找到真正的物理学应用。

小常识

数学与宇宙：

新的4维理论的数学结构与四元数有很深的关系。所谓四元数是这样的一个数字体系：1个负数拥有3个不同的独立平方根(每个平方根生成一个复数)。四元数、复数和实数分别与4、2和1维相对应，便于表征奇异的量子态的属性。

基本粒子物理学和凝聚态理论(内容涉及半导体等材料物性和量子霍尔效应现象)有着许多惊人的相通之处。例如，超导理论紧密相关，也与造成粒子聚集的理论物理学的Higgs场紧密相关。看起来，广袤空间的行为很像一块巨大的超导金属。

【陈育和／译 亚斌／校】