Cómo trascender el espacio "tridimensional"

Estamos atrapados en una "jaula" espacial invisible con sólo tres dimensiones: arriba y abajo, izquierda y derecha, adelante y atrás. Y este es el espacio en el que realmente vivimos. No tenemos idea de qué pasaría si añadiéramos más dimensiones espaciales. Aunque algunas personas han inventado mundos de dimensiones superiores, nadie los ha experimentado nunca.

Áreas que no se pueden explorar directamente

Ahora, en algunos de los laboratorios más sofisticados del mundo, los científicos están creando estas "dimensiones adicionales". Basándonos únicamente en la experiencia, nos resulta difícil imaginar cómo serán. Sin embargo, los científicos han visto "efectos fantasma" (un fenómeno similar al entrelazamiento cuántico) del espacio de cuatro dimensiones que entran en contacto con nuestro propio espacio tridimensional, así como circuitos con dimensiones adicionales, que parecen abrir una puerta a más. La puerta a dimensiones superiores. Por eso, algunos científicos hablan de crear cinco, seis o incluso dimensiones más grandes, y algunos incluso creen que en estas dimensiones extra se pueden encontrar cosas extrañas, como nuevas partículas elementales.

Las dimensiones extra son un área que no podemos explorar directamente. Sólo podemos buscar algunas de las huellas que dejan en nuestro espacio tridimensional. Estas huellas son imperceptibles, pero aun así es posible llevar los límites de la realidad hasta los límites de nuestra capacidad para describirla.

Existe una definición clara de dimensión espacial, que es una forma de describir nuestro posible rango de movimiento. En un espacio típico, tiene sólo tres dimensiones, generalmente etiquetadas como x, y y z. De hecho, al tiempo a veces se le llama cuarta dimensión; la física lo combina con el espacio como "espaciotiempo".

"Flatland" es una novela de ciencia ficción del escritor británico Edwin Abbott, que se considera que capta bastante bien nuestros esfuerzos por captar dimensiones extra. La novela representa un país llano formado por formas bidimensionales. Allí todo es llano, la tierra es llana, las montañas y los ríos son llanos, y hasta la "gente" es plana: el pobre y humilde triángulo isósceles, el círculo noble, la aterradora línea recta... Cuando "cuadrado" "Cuando visitado por la Esfera, le cuesta creer en la existencia de las tres dimensiones. La forma que percibe como un "cuadrado" se crea a partir de su intersección con el espacio bidimensional que le resulta familiar: un círculo. Del mismo modo, cuando el cuadrado visita en un sueño el mundo unidimensional de la línea recta, la línea recta se niega a aceptar su historia sobre la segunda dimensión: lo único que la línea recta puede ver es el cuadrado que cubre su estrecho camino.

El salto de los "electrones"

La historia de "Synthetic Dimension" también comienza en un mundo plano: una oblea extremadamente delgada. Debido a que es tan delgado, sólo tiene dos dimensiones, por así decirlo. Si aplicas un campo magnético a esta oblea, todos los electrones de su interior se moverán. Como resultado, los electrones no tienen adónde ir excepto en los bordes, de modo que sus trayectorias se cortan en semicírculos. Pero estos electrones no se detienen en su órbita sino que se mueven rápidamente a lo largo del borde, creando una periferia conductora. Este fenómeno, conocido como "efecto Hall cuántico" (la versión mecánica cuántica del efecto Hall), crea un material aislante en el medio pero conductor en ambos lados.

Esta rara "dualidad" depende del borde de una dimensión para la percepción de dimensiones superiores. Para entender cómo funciona, imagine un cable unidimensional con electrones. Si se aplica un campo magnético a esta línea, los electrones permanecen estacionarios; no pueden moverse en círculos, porque eso no es posible en una dimensión. Sin embargo, en el borde de la oblea los electrones pueden saltar fuera de esta línea unidimensional. Esta conductividad de borde se denomina "estado topológico".

Si los hilos unidimensionales pueden funcionar sutilmente al sentir la huella de otra dimensión, ¿pueden los hilos de dimensiones superiores hacer lo mismo? En 2008, décadas después de que se descubriera por primera vez el efecto Hall cuántico, los físicos descubrieron un fenómeno similar en el que los electrones en una superficie bidimensional saltan del interior tridimensional del material. Esta propiedad convierte a estos materiales en buenos conductores de la electricidad, lo que algunos físicos creen que podría resultar útil en el diseño de ordenadores cuánticos ultrarrápidos.

Intentos de modelado “cuatridimensional”

Ya en 2001, algunos teóricos estaban pensando en una pregunta tan audaz: si era posible crear un modelo cuatridimensional similar a ¿El efecto Hall cuántico? ¿Modelo en el que un material tridimensional convencional puede sentir la huella de la cuarta dimensión? Como resultado, estos teóricos solo han usado las matemáticas para describir este tipo de cosas, pero siempre parece permanecer en el nivel teórico; es difícil imaginar que esta cosa matemática pueda convertirse en una realidad.

Ahora, algunos físicos han comenzado a intentar esto. Creen que intentar comprender la física de dimensiones superiores es como viajar a un universo diferente donde podría ser posible una nueva física.

Para entender cómo se hace esto, volvamos brevemente a Flatland. En la historia, la Esfera finalmente convence al Cuadrado de la existencia de la tercera dimensión moviéndose hacia arriba y hacia abajo, cambiando el tamaño de su intersección con el plano visual del cuadrado. Cuando toca el avión por primera vez, comienza como un punto; cuando su ecuador pasa por el avión, se convierte en un círculo grande; cuando recorre todo el avión, regresa a un punto (Figura 1). Algunos teóricos propusieron un proceso realmente similar en la década de 1980, llamado "bombeo topológico" (el bombeo es una forma común de generar corriente de estado estacionario en dispositivos de estado sólido), que requiere cambiar las partículas en la matriz según la distancia entre ellas. parecen como si un objeto de dimensiones superiores fuera "bombeado" a través de ellos.

¿Dónde está la cuarta dimensión?

En 2018, investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Alemania crearon una red atómica que se fijaba mediante láseres. Ajustar el láser puede deformar la red y crear objetos de cuatro dimensiones "fantasmales" (en realidad, brillantes). Este es un fiel reflejo de la experiencia entre el "cuadrado" y la "esfera" en "Flatland" en la realidad: es la primera vez que el efecto Hall cuántico se realiza en un espacio de cuatro dimensiones.

Pero ¿qué es la cuarta dimensión y dónde está? Se considera que es "una ilusión de la posición de los átomos que surge al observar su comportamiento a lo largo del tiempo". Los investigadores admitieron que el experimento no era lo suficientemente "4D".

A diferencia de este espacio de cuatro dimensiones fabricado de la nada, los científicos están creando un espacio más "real". ¿Cómo entenderlo? Aquí primero describimos una escena bidimensional:

Comience con una cuadrícula en una hoja de papel (Figura 2). Ahora vuelva a dibujar todos los puntos de la cuadrícula en una fila y conéctelos con líneas onduladas (no se preocupe si se cruzan) para que estén conectados a sus puntos adyacentes originales. Desde un punto de vista topológico, lo que acaba de dibujar es una cuadrícula unidimensional y bidimensional (Figura 3). Ahora, reemplace estos puntos con componentes electrónicos y reemplace los cables con cables, y se producirá una situación similar al efecto Hall cuántico. Los electrones pueden saltar a una dimensión superior y llegar a donde quieren ir.

Una forma de construir dimensiones es conectar líneas componentes unidimensionales como si fueran una cuadrícula bidimensional.

Ahora, ordena estos puntos en una línea recta unidimensional y conéctalos. En este momento, las dos dimensiones se han convertido efectivamente en una sola dimensión. Los investigadores repitieron recientemente el experimento con filas de componentes electrónicos reales, creando el primer circuito de cuatro dimensiones del mundo.

Ruptura de las dimensiones tradicionales

Basándose en el concepto anterior, algunos investigadores han ampliado este circuito para incluir no sólo una fila de componentes, sino también múltiples filas y capas de componentes. Se aplica un voltaje al borde de la pila, que no conduce electricidad. Pero cuando los investigadores aplicaron voltaje a los elementos marcados en los bordes de la rejilla de cuatro dimensiones, todo el circuito funcionó tan perfectamente como un solo trozo de metal si no estuvieran reconectados al espacio tridimensional. A diferencia de experimentos anteriores, este efecto no depende del tiempo y es una red permanente de cuatro dimensiones.

Se han roto los grilletes de las dimensiones tradicionales. Los investigadores creen que el "bombeo topológico" puede incluso materializar el efecto Hall cuántico en seis dimensiones. Los circuitos tienen el potencial de manifestar múltiples dimensiones, del mismo modo que los experimentadores tienen la paciencia para cablear sus cables.

Cuando establezcamos experimentos dominados por más de cuatro dimensiones del espacio, el comportamiento que observamos desde una perspectiva tridimensional limitada ya no será fácilmente comprendido: no parecerá un "cuadrado" para un "esfera" Es tan simple como cambiar el diámetro de un círculo. Sin embargo, todavía podemos tener mucho que esperar.

Por ejemplo, en 2018, los científicos utilizaron láseres para enfriar una nube de átomos de rubidio para que su estado interno se ajustara a reglas matemáticas de cinco dimensiones. La señal que muestra tiene las extrañas características de un monopolo magnético (un monopolo magnético es un objeto extraño. No tiene dos polos como un imán ordinario, sino sólo un polo norte o sur). Incluso pensaron que habían observado una partícula elemental de cinco dimensiones.

¿La cuarta dimensión se esconde en las “tres dimensiones”?

Pero, ¿son reales estas dimensiones sintéticas? En el circuito anterior, las dimensiones adicionales ciertamente tienen efectos reales. Sin embargo, es diferente de las tres dimensiones que habitualmente experimentamos. Todavía podemos ver las interconexiones (líneas) de las dimensiones adicionales con la tercera dimensión: como si la cuarta dimensión estuviera de alguna manera envuelta dentro de las tres dimensiones del espacio regular.

Algunos científicos plantearon otra cuestión. Tomando como ejemplo un circuito de cuatro dimensiones, el flujo principal de electrones está controlado por la "dimensión sintética", pero es probable que sus interacciones naturales, como la repulsión mutua causada por la carga, sigan siendo controladas por las tres "dimensiones normales". . Parece, entonces, que la creación de nuevas dimensiones por parte de los propios humanos puede no ser una forma fiable de estudiar los detalles físicos de dimensiones adicionales.

Pero puede haber una forma más poderosa de crear una "dimensión sintética" que se base en partículas cuánticas, como los átomos, cuya energía aumenta en cantidades discretas. Podemos pensar en estos estados de energía como una escalera, con partículas saltando hacia arriba o hacia abajo. Esto puede parecer extraño porque la partícula en sí en realidad no se mueve: su dimensión extra está contenida en una posición fija en tres dimensiones, y esta dimensión extra es completamente independiente de las dimensiones regulares. Los campos magnéticos se pueden utilizar para ajustar la forma en que cada partícula interactúa con sus vecinas, sin importar en qué dimensión se encuentren.

En 2015, dos equipos independientes de físicos crearon dimensiones sintéticas de escaleras de energía cuántica a partir de átomos, lo que dio como resultado un sistema que, en última instancia, es bidimensional. Siguen siendo dos dimensiones menos que otras implementaciones, pero los físicos creen que la idea podría eventualmente proporcionar una forma verdaderamente física de explorar dimensiones adicionales.

Si los físicos encuentran este método, tendrá nuevas aplicaciones. Por ejemplo, sería más fácil conectar los "qubits" (un concepto de información cuántica) que son la base de las computadoras cuánticas emergentes. El hecho de que el estado topológico no se vea afectado por impurezas y otras fuentes de interferencia sugiere que este estado puede proporcionar grandes cantidades de datos sin temor a pérdida de señal.

Pensar en dimensiones adicionales nos hace darnos cuenta de que es posible que hayamos estado viviendo en nuestro propio mundo plano. Abre nuestras mentes y nos permite explorar realmente estas cosas.