¿Cuántas dimensiones existen?

Pídele a alguien que nombre cada dimensión que conocen y que probablemente enliste lo siguiente: longitud, ancho y profundidad. También pueden agregar tiempo si están pensando fuera de la caja tridimensional.

Pero preguntar a un teórico de cuerdas, "¿Cuántas dimensiones hay?" Suscitaría una respuesta muy diferente. 

De acuerdo con esta rama de la física teórica, hay al menos 10 dimensiones del espacio, la mayoría de las cuales son imposibles de percibir para los seres humanos.

Las dimensiones son las métricas que los físicos usan para describir la realidad. Suena extenso, ¿verdad?

Comencemos con las tres dimensiones que la mayoría de la gente aprende en la escuela primaria. Las dimensiones espaciales – anchura, altura y profundidad – son las más fáciles de visualizar. Una línea horizontal existe en una dimensión porque sólo tiene longitud; un cuadrado es bidimensional porque tiene longitud y ancho. Añada profundidad y obtenemos un cubo, o una forma tridimensional.

Estas tres coordenadas se utilizan para señalar la ubicación de un objeto en el espacio. 

Pero el espacio no es el único plano en el que existimos; también existe en el tiempo, que es donde entra la cuarta dimensión. Una vez que conocemos la altitud, longitud, latitud y posición en el tiempo de un punto, tenemos las herramientas necesarias para trazar su existencia en el universo como lo conocemos.

Pero algunos físicos que se suscriben a la teoría de cuerdas argumentan que hay más en la realidad que el universo observable. La teoría de cuerdas, también conocida como "teoría de supercuerdas", pretende unificar dos teorías principales que describen cómo funciona el universo: la relatividad general (que se aplica a objetos muy grandes) y la mecánica cuántica (que se aplica a los muy pequeños).

En un universo de cuatro dimensiones, esta teoría no sería posible, pero una vez que los científicos modificaron la matemática para incluir 10 dimensiones -11 incluyendo el tiempo – sus ecuaciones funcionaron.

Tras llegar a una teoría que depende de la existencia de 10 dimensiones espaciales, entonces los teóricos de cuerdas tenían la tarea de explicar dónde se estaban escondiendo esas nuevas dimensiones. Su respuesta: son tan reales como las "grandes" dimensiones que podemos ver, pero las dimensiones adicionales están enroscadas tan fuertemente que son demasiado pequeñas para que las notemos directamente.

Nuestra comprensión básica de la física hace que esto sea difícil de procesar, pero el teórico de cuerdas Brian Greene hace un gran trabajo al enmarcar el concepto en términos que la mayoría de la gente puede entender. En su TED Talk de 2005, Greene compara estas dimensiones invisibles con los cables conectados a los postes telefónicos: desde una ventana, un cable parece una línea unidimensional. Pero si lo estudiáramos de cerca veríamos que el cordón es en realidad redondo, lo que lo hace tridimensional. Ninguna analogía que compara dimensiones no observables con objetos en el mundo observable puede ser perfecta, pero esto ilustra cómo algo tan fundamental para la realidad podría estar ocultándose a plena vista.

La teoría de cuerdas declaré que debe haber al menos 10 dimensiones de espacio más una para el tiempo, pero hay físicos que discuten que hay más.

Algunos postulan un universo compuesto de 11 dimensiones espaciales. 

Pero para realmente volar la mente de alguien cuando te pregunte cuántas dimensiones hay, di que 26: ese es el número mágico de acuerdo con la teoría de cuerdas bosónicas y es lo más alto que los físicos convencionales están dispuestos a llegar por el momento.

El mundo en que vivimos solo tiene sentido en tres dimensiones: izquierda y derecha, arriba y abajo, y delante y atrás. Eso, por lo menos, es lo que nos dicta nuestra experiencia cotidiana, y absolutamente todos los objetos o seres que nos rodean se despliegan en esas únicas tres dimensiones espaciales, a las que se añade una dimensión temporal.

Las matemáticas, sin embargo, parecen no estar de acuerdo con estas cifras, y son ya muchos los científicos que argumentan que la realidad podría estar compuesta por al menos cuatro dimensiones espaciales. Por no hablar de la Teoría de Cuerdas, que llega incluso a postular la existencia de hasta diez dimensiones diferentes.

Lamentablemente, se trata de ideas y conceptos teóricos, que funcionan bien en las ecuaciones de los físicos pero que se resisten a ser probadas en laboratorio. Hasta ahora. 

Un reciente experimento llevado a cabo por dos laboratorios independientes, uno en Suiza y otro en Estados Unidos muestra, en efecto, una vía por la cual sería posible observar fenómenos de dimensiones superiores desde un sistema de dimensiones inferiores. O, en otras palabras, ser capaces de tener un atisbo de la cuarta dimensión desde nuestro mundo esencialmente tridimensional. Ambos experimentos se han publicado recientemente en Nature. ( Estudio uno y estudio dos)

Por supuesto, los experimentos se han llevado a cabo en el inhóspito terreno de las partículas subatómicas, un mundo microscópico con sus propias reglas (descritas por la Mecánica Cuántica), donde las leyes de la Física tradicional dejan de funcionar y en el que las partículas de las que todos estamos hechos son capaces de hacer cosas extraordinarias.

Cada uno de los dos laboratorios ideó su propia configuración experimental, la primera con átomos ultrafríos y la segunda con partículas de luz (fotones), algo que les permitió vislumbrar la cuarta dimensión espacial en virtud del efecto Hall cuántico, la versión cuántica del conocido efecto Hall de los campos eléctricos.

Para comprender mejor el trabajo de los investigadores, imaginemos que proyectamos la sombra de un objeto tridimensional, por ejemplo un cubo, sobre una superficie de solo dos dimensiones, como una hoja de papel. El resultado será un cuadrado, y aunque la sombra no tiene profundidad, aún permite aprender muchas cosas del objeto de tres dimensiones (el cubo) que la proyecta. Según el mismo razonamiento, el propio cubo sería a su vez una proyección tridimensional (una sombra) de un objeto de cuatro dimensiones, un "hipercubo" que no podemos descifrar ni percibir, de la misma forma en que un ser de solo dos dimensiones no podría nunca visualizar el cubo en 3D y tendría que conformarse con la sombra en forma de cuadrado.

Volviendo al experimento, podríamos considerar el efecto Hall cuántico como la "sombra" tridimensional de una realidad en cuatro dimensiones.

El efecto Hall se manifiesta cuando partículas con carga eléctrica se mueven en un plano bidimensional en presencia de un campo magnético. El campo desvía las partículas en una dirección perpendicular a la de su movimiento. Lo cual se puede leer como un voltaje Hall transversal, que solo puede tomar ciertos valores cuantificados. Dichos valores son idénticos independientemente de las propiedades específicas de la muestra experimental.

Además, los científicos han demostrado que este efecto cuántico no puede tener lugar en sistemas tridimensionales.

Nueva corriente Hall

Durante décadas, los físicos han estado convencidos de que el efecto Hall solo puede manifestarse en sistemas de dos dimensiones, pero más recientemente algunos expertos sostienen que un efecto similar podría tener lugar también en sistemas tetradimensionales (de cuatro dimensiones), donde se manifestarían toda una serie de nuevas propiedades, entre ellas una nueva corriente Hall no lineal.

Y ahora, por fin, dos equipos independientes de investigadores, uno liderado por Oded Zilberberg en Suiza y el otro por Mikael Rechtsman en la Universidad de Pennsilvania (Estados Unidos) han conseguido poner a punto una manera de observar esos fenómenos físicos que según la teoría solo se manifiestan en una dimensión superior a la nuestra.

"Cuando la teoría predijo que el efecto Hall cuántico se podía observar en el espacio tetradimensional, -afirma Mikael Rechtsman- se consideró como algo de interés puramente teórico porque el mundo real consiste en solo tres dimensiones espaciales; era más o menos una curiosidad. Pero, ahora hemos demostrado que el efecto Hall cuántico de cuatro dimensiones puede emularse utilizando fotones (partículas de luz) que fluyen a través de una intrincada pieza de vidrio, una matriz de guías de ondas".

En definitiva, ambos experimentos demuestran cómo se vería un efecto si ocurriera en cuatro dimensiones, aunque eso, según los investigadores, no constituye una prueba de que un sistema de cuatro dimensiones genuino se comporte efectivamente del modo observado.

En cuanto a las posibles aplicaciones prácticas del hallazgo, no existe ninguna que pueda implementarse a corto plazo. En palabras de Zilberberg, "en este momento, esos experimentos todavía están lejos de cualquier aplicación útil".

A pesar de ello, este tipo de investigaciones científicas podría ayudar a desentrañar aspectos de la Teoría de cuerdas, según los cuales muchas dimensiones superiores se "comprimieron" en el pasado de tal manera que en la actualidad solo existe el mundo tridimensional que vemos a nuestro alrededor.

fuente: José Manuel Nieves