Żyjemy w trójwymiarowym wszechświecie z trzema wymiarami przestrzennymi i jednym dodatkowym czasem. Jednak eksperymenty dwóch grup naukowców wykazały, że obecność czwartego wymiaru przestrzennego jest rzeczywiście możliwa i nie ogranicza się do prostych kierunków w górę iw dół, w lewo i w prawo, a także do przodu i do tyłu.
Należy od razu wziąć pod uwagę, że takie wnioski są sprzeczne z dobrze znanymi prawami fizyki, zostały oparte na bardzo skomplikowanych obliczeniach, częściowo teoretycznych eksperymentach i przy wykorzystaniu praw mechaniki kwantowej.
Porównując wyniki obserwacji dwóch specjalnie stworzonych dwuwymiarowych mediów, dwóm niezależnym zespołom naukowców z Europy i Stanów Zjednoczonych udało się znaleźć drogę do czwartego wymiaru przestrzennego, generując tzw. Kwantowy efekt Halla - zjawisko przewodnictwa dwuwymiarowego gazu w niskich temperaturach w silnych polach magnetycznych.
„Fizycznie nie mamy 4-wymiarowej przestrzeni, ale możemy uzyskać 4-wymiarowy kwantowy efekt Halla za pomocą systemu niskowymiarowego, ponieważ system wielowymiarowy jest zakodowany w swojej złożonej strukturze” - mówi Makael Rechtsman, profesor z University of Pennsylvania.
„Być może uda nam się wymyślić nową fizykę w wyższym wymiarze, a następnie stworzyć urządzenia, które będą miały tę przewagę w niższych wymiarach”.
Innymi słowy, obiekty 3D rzucają cienie 2D, na podstawie których można odgadnąć kształt tych obiektów. Obserwując niektóre rzeczywiste fizyczne układy trójwymiarowe, możemy coś zrozumieć na temat ich czterowymiarowej natury, ponieważ według fizyków trójwymiarowe obiekty mogą być cieniami czterowymiarowych obiektów, które pojawiają się w niższych wymiarach. Wszystko to może doprowadzić do pewnych nowych fundamentalnych odkryć w nauce.
Dzięki bardzo wyrafinowanym obliczeniom, za które przyznano Nagrodę Nobla w 2016 roku, wiemy już, że kwantowy efekt Halla wskazuje na istnienie czwartego wymiaru w przestrzeni. Najnowsze eksperymenty dwóch zespołów fizyków, opublikowane w czasopiśmie Nature, dają przykład efektów, jakie może mieć ten czwarty wymiar.
Europejski zespół naukowców schłodził atomy do niemal zera absolutnego i użył laserów do umieszczenia ich w dwuwymiarowej sieci. Stosując kwantową „pompę” do wzbudzania uwięzionych atomów, fizycy zauważyli niewielkie zmiany w ruchu, które odpowiadają przejawom kwantowego efektu Halla 4D, co wskazuje, że ten czwarty wymiar jest dostępny.
Film promocyjny:
Amerykański zespół fizyków również użył laserów, ale do kontrolowania światła przechodzącego przez szklany blok. Symulując wpływ pola elektrycznego na naładowane cząstki, naukowcom udało się również zaobserwować efekty kwantowego efektu Halla 4D.
Zdaniem naukowców oba eksperymenty doskonale się uzupełniają.
Oczywiście nie mamy fizycznego dostępu do tego czterowymiarowego świata (ponieważ jesteśmy uwięzieni w trójwymiarowej przestrzeni), ale naukowcy uważają, że dzięki mechanice kwantowej możemy dowiedzieć się więcej o czterowymiarowej przestrzeni i poszerzyć naszą ograniczoną wiedzę o wszechświecie.
Dla jasności zalecamy obejrzenie poniższego filmu. Pokazuje, jak postać z platformówki 2D nagle trafia do świata 3D. Z naszej perspektywy będzie nam się wydawać, że nadal jesteśmy w dwuwymiarowym świecie, ale poruszając się w nim, zobaczymy pewne zniekształcenia przestrzeni, ponieważ trójwymiarowy świat zostanie nałożony na dwuwymiarową płaszczyznę. Naukowcy zauważyli podobne zniekształcenia w eksperymentach opisanych powyżej. To oni wskazali na istnienie czterowymiarowej przestrzeni, której fizycznie nie możemy zobaczyć, ale której efekty nakładają się na naszą trójwymiarową płaszczyznę.
Pomimo tego, że fizycznie nie możemy dostać się w czterowymiarową przestrzeń, otrzymaliśmy dowody na jej istnienie i wyraźniejszy obraz tego, jak ona działa. Naukowcy z kolei chcą wykorzystać wyniki tych obserwacji do bardziej szczegółowej analizy. Kto wie, może w toku dalszych prac uda im się dokonać innych odkryć.
Nikolay Khizhnyak