Les physiciens ont compris, au moins théoriquement, qu’il pouvait exister des dimensions supérieures, en plus de nos trois dimensions normales. Le premier indice est apparu en 1905, lorsque Einstein a développé sa théorie de la relativité restreinte. Bien entendu, par dimensions, nous entendons la longueur, la largeur et la hauteur. En général, lorsque nous parlons d’une quatrième dimension, il s’agit de l’espace-temps. Mais ici, les physiciens parlent d’une dimension spatiale au-delà des trois normales, et non d’un univers parallèle, comme on confond ces dimensions dans les émissions de science-fiction populaires.
Même s’il existe d’autres dimensions quelque part dans notre univers ou dans d’autres, si nous devions voyager vers un lieu qui les inclut, les scientifiques ne sont pas si sûrs que nous pourrions même les expérimenter. Nos cerveaux en sont peut-être incapables. Mathématiquement, nous pouvons décrire la 4e dimension, mais nous pourrions ne jamais en faire l’expérience dans le domaine physique.
Même ainsi, cela ne nous a pas empêchés de chercher des preuves de dimensions supérieures. Un modèle qui nous aide à le concevoir plus facilement et à mieux le comprendre est un tesseract ou hypercube. Il s’agit d’un cube dans un cube. Bien que cette métaphore soit utile, elle n’existe pas dans le monde réel. Comment les scientifiques pourraient-ils donc détecter la quatrième dimension ? Deux équipes de recherche distinctes, l’une aux États-Unis et l’autre en Europe, ont réalisé des expériences doubles, pour y parvenir.
Dans les deux cas, il s’agissait d’expériences 2D qui laissaient entrevoir un monde 4D, en utilisant un phénomène connu sous le nom d’effet Hall quantique. L’effet Hall, c’est lorsque vous avez un matériau électriquement conducteur, disons une feuille de métal ou un fil, que vous faites passer du courant. Les électrons se déplacent dans une direction. Placez un champ magnétique perpendiculaire au matériau et, au lieu de cela, les électrons sont déviés vers la gauche ou la droite, par ce que l’on appelle la force de Lorentz.
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Le résultat de l’effet Hall est que les électrons se retrouvent coincés dans un système 2D. Ils ne peuvent alors se déplacer que dans deux directions. L’effet Hall quantique se produit au niveau quantique, soit lorsque le matériau est à très basse température, soit lorsqu’il est soumis à un champ magnétique très fort. Dans ce cas, une chose supplémentaire se produit. La tension n’augmente pas normalement mais saute par paliers. En limitant les électrons avec l’effet Hall quantique, vous pouvez également les mesurer.
Suivez les mathématiques et vous vous rendrez compte que l’effet Hall quantique est également détectable dans un système 4D. Le professeur Mikael Rechtsman de l’université de Penn State faisait partie de l’équipe américaine. Il a déclaré à Gizmodo : « Physiquement, nous n’avons pas de système spatial 4D, mais nous pouvons accéder à la physique de Hall quantique 4D en utilisant ce système à dimension inférieure, car le système à dimension supérieure est codé dans la complexité de la structure. »
Nous-mêmes, en tant qu’objets 3D, projetons une ombre 2D. Un objet 4D devrait alors projeter une ombre 3D. Nous pouvons apprendre quelque chose sur un objet 3D en étudiant son ombre. Il est donc logique que nous puissions également acquérir des connaissances sur un objet 4D à partir de son ombre 3D. Les deux équipes participant à ces expériences ont fait quelque chose de ce genre. Elles ont utilisé des lasers pour entrevoir la quatrième dimension. Les résultats de chaque expérience ont été publiés dans deux rapports, tous deux dans la revue Nature.
Dans l’expérience européenne, les scientifiques ont pris l’élément rubidium et l’ont refroidi jusqu’au zéro absolu. Puis, ils y ont piégé des atomes dans un réseau de lasers, créant ce que les chercheurs décrivent comme, « un cristal de lumière en forme de carton d’œuf. » Ensuite, ils ont introduit d’autres lasers pour exciter les atomes, créant ainsi ce que l’on appelle une « pompe de charge » quantique. Bien que les atomes eux-mêmes n’aient pas de charge, ils ont simulé ici le transport de charges électriques. De subtiles variations dans les mouvements des atomes coïncidaient avec la façon dont l’effet Hall quantique jouerait dans la 4e dimension.
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Dans l’expérience américaine, du verre a été utilisé pour contrôler le flux de lumière laser dans le système. Il s’agissait essentiellement d’un prisme de verre rectangulaire avec une série de canaux à l’intérieur, qui ressemblaient à un certain nombre de câbles de fibre optique coincés à l’intérieur, courant sur la longueur de la boîte et se terminant aux deux extrémités. Les chercheurs ont pu manipuler la lumière en utilisant ces canaux comme guides d’ondes, afin de la faire agir comme un champ électrique. Lorsque la lumière a sauté des bords opposés dans les coins, les chercheurs ont su qu’ils avaient observé l’effet Hall quantique, comme il se produirait dans un système 4D.
Des scientifiques de l’ETH Zürich, une université suisse, ont mené l’expérience européenne. Le chercheur Oded Zilberberg était parmi eux. Il a déclaré qu’avant ces expériences, l’observation d’actions se produisant dans la 4e dimension semblait plutôt relever de la science-fiction.
« À l’heure actuelle, ces expériences sont encore loin de toute application utile », a-t-il déclaré. Pourtant, la physique de la 4e dimension pourrait avoir une influence sur notre monde en 3D. En ce qui concerne les applications, Rechtsman a déclaré : « Peut-être que nous pouvons trouver une nouvelle physique dans la dimension supérieure et ensuite concevoir des dispositifs qui tirent parti de la physique de dimension supérieure dans les dimensions inférieures. »
Dans ces expériences, les photons et les électrons n’ont pas interagi. Dans la prochaine, les scientifiques pensent qu’il pourrait être intéressant de voir ce qui se passe lorsqu’ils le font. Rechtsman affirme que nous pourrions mieux comprendre les phases de la matière en étudiant la 4e dimension. Si nous parvenons à l’appréhender, est-ce la fin ? Certainement pas. Les physiciens théoriques pensent qu’il pourrait y avoir jusqu’à 11 dimensions.
Pour en savoir plus sur la 4e dimension de la bouche même de Carl Sagan, cliquez ici :
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