I fisici hanno individuato la quarta dimensione

I fisici hanno capito, almeno teoricamente, che possono esistere dimensioni superiori, oltre alle nostre tre normali. Il primo indizio arrivò nel 1905, quando Einstein sviluppò la sua teoria della relatività speciale. Naturalmente, per dimensioni parliamo di lunghezza, larghezza e altezza. In generale, quando si parla di una quarta dimensione, si considera lo spazio-tempo. Ma qui, i fisici intendono una dimensione spaziale oltre le tre normali, non un universo parallelo, come tali dimensioni vengono scambiate nei popolari spettacoli di fantascienza.

Anche se ci sono altre dimensioni da qualche parte là fuori nel nostro universo o in altri, se dovessimo viaggiare in un luogo che le comprende, gli scienziati non sono così sicuri che potremmo anche sperimentarle. Il nostro cervello potrebbe essere incapace. Matematicamente, possiamo descrivere la quarta dimensione, ma potremmo non sperimentarla mai nel regno fisico.

Anche così, questo non ci ha fermato dal cercare prove di dimensioni superiori. Un modello che ci aiuta a concepirla più facilmente e a comprenderla meglio è un tesseratto o ipercubo. Questo è un cubo dentro un cubo. Anche se è una metafora utile, non esiste realmente nel mondo reale. Quindi, come potrebbero gli scienziati rilevare effettivamente la quarta dimensione? Due diversi gruppi di ricerca, uno negli Stati Uniti e uno in Europa, hanno completato due esperimenti per fare proprio questo.

Entrambi questi erano esperimenti 2D che accennavano a un mondo 4D, utilizzando un fenomeno noto come effetto Hall quantistico. L’effetto Hall si ha quando si ha un materiale elettricamente favorevole, ad esempio un foglio di metallo o un filo, attraverso il quale si fa passare la corrente. Gli elettroni si muovono in una direzione. Mettete un campo magnetico perpendicolare al materiale e invece gli elettroni vengono deviati a sinistra o a destra, da quella che si chiama la forza di Lorentz.

Trova una buona spiegazione dell’effetto Hall e dell’effetto Hall quantistico qui:

Il risultato dell’effetto Hall è che gli elettroni vengono bloccati all’interno di un sistema 2D. Possono quindi muoversi solo in due direzioni. L’effetto Hall quantistico si verifica a livello quantistico, o quando il materiale è a temperature molto basse, o è soggetto a un campo magnetico molto forte. Qui succede un’altra cosa. La tensione non aumenta normalmente, ma invece, salta su a passi. Limitando gli elettroni con l’effetto Hall quantistico, è possibile anche misurarli.

Seguite la matematica e vi renderete conto che l’effetto Hall quantistico è rilevabile anche in un sistema 4D. Il professor Mikael Rechtsman della Penn State University faceva parte del team americano. Ha detto a Gizmodo: “Fisicamente, non abbiamo un sistema spaziale 4D, ma possiamo accedere alla fisica quantistica Hall 4D usando questo sistema a bassa dimensione perché il sistema a più alta dimensione è codificato nella complessità della struttura.”

Noi stessi come oggetti 3D proiettiamo un’ombra 2D. Un oggetto 4D dovrebbe quindi proiettare un’ombra 3D. Possiamo imparare qualcosa su un oggetto 3D studiando la sua ombra. Quindi è logico che potremmo anche ottenere conoscenze su un oggetto 4D dalla sua ombra 3D. Entrambe le squadre in questi esperimenti hanno fatto qualcosa del genere. Hanno usato il laser per intravedere la quarta dimensione. I risultati di ciascun esperimento sono stati pubblicati in due rapporti, entrambi sulla rivista Nature.

Nell’esperimento europeo, gli scienziati hanno preso l’elemento rubidio e lo hanno raffreddato fino allo zero assoluto. Poi, hanno intrappolato gli atomi all’interno di un reticolo di laser, creando quello che i ricercatori descrivono come “un cristallo di luce simile a un uovo-cartone”. Successivamente, hanno introdotto altri laser per eccitare gli atomi, creando ciò che è noto come una “pompa di carica” quantistica. Anche se gli atomi stessi non hanno una carica, qui hanno simulato il trasporto di cariche elettriche. Sottili variazioni nei movimenti degli atomi coincidevano con il modo in cui l’effetto Hall quantistico avrebbe giocato nella quarta dimensione.

Per ascoltare una spiegazione della quarta dimensione usando un videogioco, clicca qui:

Nell’esperimento americano, il vetro è stato usato per controllare il flusso di luce laser nel sistema. Si trattava fondamentalmente di un prisma di vetro rettangolare con una serie di canali al suo interno, che sembravano una serie di cavi in fibra ottica bloccati all’interno, che correvano per tutta la lunghezza della scatola e terminavano alle due estremità. I ricercatori sono stati in grado di manipolare la luce usando questi canali come guide d’onda, per farla agire come un campo elettrico. Quando la luce saltava dai bordi opposti agli angoli, i ricercatori sapevano di aver osservato l’effetto Hall quantistico, come avverrebbe in un sistema 4D.

Scienziati dell’ETH Zürich, un’università svizzera, hanno condotto l’esperimento europeo. Il ricercatore Oded Zilberberg era tra loro. Ha detto che prima di questi esperimenti, l’osservazione di azioni che avvengono nella quarta dimensione sembrava più che altro fantascienza.

“In questo momento, questi esperimenti sono ancora lontani da qualsiasi applicazione utile”, ha detto. Eppure, la fisica nella 4a dimensione potrebbe influenzare il nostro mondo 3D. Per quanto riguarda le applicazioni, Rechtsman ha detto: “Forse possiamo trovare una nuova fisica nella dimensione superiore e poi progettare dispositivi che sfruttano la fisica più alta nelle dimensioni inferiori”. Nel prossimo, gli scienziati credono che potrebbe essere interessante vedere cosa succede quando lo fanno. Rechtsman sostiene che potremmo ottenere una migliore comprensione delle fasi della materia indagando la quarta dimensione. Supponiamo che ne otteniamo una buona comprensione, è la fine? Certamente no. I fisici teorici credono che ci possano essere ben 11 dimensioni.

Per conoscere la quarta dimensione da Carl Sagan stesso, clicca qui: