Tudósok a fizika törvényeit megváltoztatva bizonyítékot találtak a 4. dimenzió létezésére
Tudósok két külön csapata módosította a fizika szabályait, hogy bizonyítékokat találjanak valamire, amit technikailag nem lennénk képes észlelni: a negyedik térbeli dimenziót.
Mindenki tisztában van a tér három és az idő dimenziójával, de a két csapat, az egyik az Egyesült Államokban és a másik Európában bizonyította a negyedik térbeli dimenzió létezését a kvantummechanika és egy kis lézersugár trükk alkalmazásával.
A csapatok két egyedileg megtervezett, kétdimenziós kísérletet készítettek, hogy létrehozzák a kvantum Hall-effektust, amely korlátozza az elektronok mozgását, ami lehetővé teszi számunkra, hogy egyedülálló módon észleljük és megmérjük őket. A kvantum Hall hatás egy negyedik térbeli dimenzió létezésére utal. A kutatók, akik tanulmányozták a hatást, elnyerték a 2016-os fizikai Nobel-díjat. A kvantum Hall-effektus általában két anyag közötti határon jelenik meg, ahol az elektronok csak két dimenzióban mozoghatnak. (1)
Amikor a 2D síkra merőleges mágneses mezőt hoznak létre, az nagymértékben megváltoztatja az áthaladó elektronok viselkedését, amelyet tovább lehet manipulálni a hőmérséklet csökkentésével és a környezeti feszültség növelésével. Minél nagyobb a mező és minél nagyobb a feszültség, annál inkább szerepet játszik a kvantummechanika.
“Fizikai értelemben nincs 4D-s térbeli rendszerünk, de a 4D kvantum Hall-fizikával elérhetjük ezt az alsó dimenziós rendszert, mert a magasabb dimenziós rendszer kódolt a struktúra összetettségében,” – mondta Mikael Rechtsman, a Pennsylvaniai Állami Egyetem fizika professzora.
“Talán eljuthatunk egy új fizikához a magasabb dimenzióban, majd olyan eszközöket tervezhetünk, amelyek kihasználják a magasabb dimenziójú fizikát az alacsonyabb dimenziókban.”
Az európai csapat az abszolút nullához közeli hőmérsékletre hűtött le atomokat, amelyeket egy lézerrel létrehozott 2D-s rácsba helyeztek, mielőtt “izgatták” volna az atomokat további lézerek használatával, hogy újra mozogni kezdjenek. (2)
Az amerikai csapat más megközelítést alkalmazott, melynek során egy lézert sugároztak egy üvegblokkon keresztül, hogy szimulálják az elektromos tér hatását a töltött részecskékre, ahogy az a kvantum Hall-effektus előállításához szükséges. (3)
“Úgy gondolom, hogy a két kísérlet szépen kiegészíti egymást,” – mondta az egyik európai kutató, Michael Lohse a németországi Ludwig-Maximilians Egyetem fizikusa.
Egyszerűen megfogalmazva, ahogy mi észleljük, a 3 dimenziós objektumok 2 dimenziós árnyékot adnak, így a 4 dimenziós objektumok 3 dimenziós árnyékokat hoznak létre, még akkor is, ha valójában nem látjuk a 4. dimenziós objektumot.
Körülbelül két évtizeddel ezelőtt a tudományos szakemberek matematikailag bizonyították, hogy lehetséges a negyedik dimenziós mozgás, de ezek az elméletek a tudományos fantázia birodalmához tartoztak.
“Abban az időben ez inkább tudományos fikció volt, hiszen a kísérletben valóban megfigyelhetetlennek tűnt – végül is a fizikai térnek csak három dimenziója van,” – mondta Oded Zilberberg, a zürichi Szövetségi Műszaki Intézet elméleti fizika professzora. (4)
A kísérletekben a 2D-s környezetek manipulálására szolgáló topológiai “szivattyú” segítségével Zilberberg állítása szerint, legalábbis elméletileg, képesek vagyunk egy kétdimenziós rendszert négy dimenzióssá alakítani.
“Ezek a kísérletek jelenleg még mindig messze vannak minden hasznos alkalmazástól,” – ismerte el Zilberberg.
Azonban, ahogy az ilyen kutatások tovább folytatódnak, egyedi bepillantást kaphatunk a jelenleg tanulmányozott területekre. Egy ilyen példa lehet az anyagtudomány.
A fémes ötvözetek kvázikristályai nem rendelkeznek periodikus szerkezettel három dimenzióban, hanem magasabb, elméleti térben, például a negyedik dimenzióban. Az ilyen kvázikristályok egy nap nagymértékben erősíthetik az acélt, javíthatják a hőszigetelést, és új anyagok létrehozását tehetik lehetővé, amelyek a hőt elektromossággá alakítják.
A megújuló energia iparágban a napenergia elnyelésére is alkalmazhatók, valamint az orvostudomány területén a mesterséges csontkorrekció és protézis alkalmazások kis súrlódású alternatíváiként. (5)
(1) – https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/
(2) – https://www.nature.com/articles/nature25000
(3) – https://www.nature.com/articles/nature25011
(4) – https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-01/ez-ali010418.php
(5) – https://www.rt.com/news/415189-4th-physical-dimension-experiments/