We leven in een driedimensionaal universum met drie ruimtelijke dimensies en één extra tijd. De experimenten van twee groepen wetenschappers toonden echter aan dat de aanwezigheid van de vierde ruimtelijke dimensie inderdaad mogelijk is en niet beperkt is tot eenvoudige richtingen omhoog en omlaag, naar links en naar rechts, maar ook naar voren en naar achteren.
Er moet onmiddellijk rekening mee worden gehouden dat dergelijke conclusies in tegenspraak zijn met de welbekende natuurkundige wetten, gebaseerd waren op zeer complexe berekeningen, deels theoretische experimenten en het gebruik van de wetten van de kwantummechanica.
Door de resultaten van waarnemingen van twee speciaal gecreëerde tweedimensionale media te vergelijken, konden twee onafhankelijke teams van wetenschappers uit Europa en de Verenigde Staten de weg vinden naar de vierde ruimtelijke dimensie, waarbij ze het zogenaamde quantum Hall-effect genereerden - het fenomeen van de geleidbaarheid van een tweedimensionaal gas bij lage temperaturen in sterke magnetische velden.
"Fysiek hebben we geen 4-dimensionale ruimte, maar we kunnen een 4-dimensionaal kwantum Hall-effect bereiken met een laag-dimensionaal systeem, omdat het hoog-dimensionale systeem gecodeerd is in zijn complexe structuur", zegt Makael Rechtsman, professor aan de Universiteit van Pennsylvania.
"We kunnen misschien nieuwe fysica bedenken in een hogere dimensie en dan apparaten maken die dit voordeel hebben in de lagere dimensies."
Met andere woorden, 3D-objecten werpen 2D-schaduwen uit waaruit u de vorm van deze objecten kunt raden. Als we enkele echte fysieke driedimensionale systemen observeren, kunnen we iets begrijpen over hun vierdimensionale aard, aangezien driedimensionale objecten volgens natuurkundigen schaduwen kunnen zijn van vierdimensionale objecten die in lagere dimensies verschijnen. Dit alles kan leiden tot enkele nieuwe fundamentele ontdekkingen in de wetenschap.
Dankzij zeer geavanceerde berekeningen, waarvoor in 2016 de Nobelprijs werd uitgereikt, weten we nu dat het quantum Hall-effect het bestaan van een vierde dimensie in de ruimte aangeeft. De nieuwste experimenten door twee teams van natuurkundigen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, geven ons een voorbeeld van de effecten die deze vierde dimensie kan hebben.
Een Europees team van wetenschappers koelde de atomen af tot bijna het absolute nulpunt en gebruikte lasers om ze in een tweedimensionaal rooster te plaatsen. Door een kwantum "pomp" toe te passen om gevangen atomen te exciteren, hebben natuurkundigen kleine variaties in beweging opgemerkt die overeenkomen met manifestaties van het 4D kwantum Hall-effect, wat aangeeft dat deze vierde dimensie toegankelijk is.
Promotie video:
Het Amerikaanse team van natuurkundigen gebruikte ook lasers, maar dan om het licht dat door het glazen blok viel te sturen. Door het effect van een elektrisch veld op geladen deeltjes te simuleren, konden wetenschappers ook de effecten van het 4D quantum Hall-effect waarnemen.
Volgens wetenschappers vullen beide experimenten elkaar perfect aan.
Natuurlijk hebben we geen fysieke toegang tot deze vierdimensionale wereld (aangezien we gevangen zitten in de driedimensionale ruimte), maar wetenschappers geloven dat we door de kwantummechanica meer kunnen leren over vierdimensionale ruimte en onze beperkte kennis van het universum kunnen uitbreiden.
Voor de duidelijkheid raden we aan de onderstaande video te bekijken. Het laat zien hoe een personage uit een 2D-platformgame plotseling in een 3D-wereld terechtkomt. Volgens ons perspectief lijkt het ons dat we ons nog steeds in een tweedimensionale wereld bevinden, maar terwijl we erin bewegen, zullen we enkele vervormingen van de ruimte zien, aangezien de driedimensionale wereld op een tweedimensionaal vlak zal worden gelegd. Wetenschappers hebben vergelijkbare verstoringen gezien in de hierboven beschreven experimenten. Zij waren het die het bestaan van een vierdimensionale ruimte aangaven, die we fysiek niet kunnen zien, maar waarvan de effecten op ons driedimensionale vlak liggen.
Ondanks het feit dat we fysiek niet in de vierdimensionale ruimte kunnen komen, hebben we bewijs ontvangen van het bestaan ervan en een duidelijker beeld van hoe het werkt. Wetenschappers willen op hun beurt de resultaten van deze waarnemingen gebruiken voor meer gedetailleerde analyse. Wie weet, zullen ze in de loop van verder werk misschien andere ontdekkingen kunnen doen.
Nikolay Khizhnyak
