Jednym z głównych zadań dzisiejszej fizyki teoretycznej jest znalezienie odpowiedzi na pytanie, czy istnieją wyższe wymiary. Czy przestrzeń naprawdę składa się tylko z długości, szerokości i wysokości, czy jest to tylko ograniczenie ludzkiej percepcji? Przez tysiąclecia naukowcy zdecydowanie odrzucali ideę istnienia przestrzeni wielowymiarowej. Jednak rewolucja naukowa i technologiczna bardzo się zmieniła i dziś nauka nie jest już tak kategoryczna w kwestii wyższych wymiarów.
Jaka jest istota pojęcia „przestrzeni wielowymiarowej”?
Człowiek żyje w świecie, który składa się z trzech wymiarów. Współrzędne dowolnego obiektu można wyrazić w trzech wartościach. A czasem dwa - jeśli chodzi o to, co jest na powierzchni Ziemi.
Długość, szerokość i wysokość mogą być używane do opisu zarówno obiektów ziemskich, jak i ciał niebieskich - planet, gwiazd i galaktyk. Wystarczą też dla rzeczy zamieszkujących mikrokosmos – molekuł, atomów i elementarnychcząstki. Czwartym wymiarem jest czas.
W przestrzeni wielowymiarowej musi być co najmniej pięć wymiarów. Współczesna fizyka teoretyczna opracowała wiele teorii dla przestrzeni o różnych wymiarach - do 26. Istnieje również teoria opisująca przestrzeń o nieskończonej liczbie wymiarów.
Od Euklidesa do Einsteina
Fizycy i matematycy starożytności, średniowiecza i czasów nowożytnych kategorycznie negowali możliwość istnienia wyższych wymiarów. Niektórzy matematycy wyprowadzili nawet uzasadnienia ograniczenia przestrzeni trzema parametrami. Geometria euklidesowa zakładała tylko trzy wymiary.
Przed pojawieniem się ogólnej teorii względności naukowcy ogólnie uważali przestrzeń wielowymiarową za przedmiot niegodny badań i rozwoju teorii. Kiedy Albert Einstein sformułował koncepcje czasoprzestrzeni, łącząc trzy wymiary z czwartym, czasem, pewność w tej materii natychmiast zniknęła.
Teoria względności dowodzi, że czas i przestrzeń nie są odrębnymi i niezależnymi rzeczami. Na przykład, jeśli astronauci wejdą na statek, który porusza się z dużą prędkością przez długi czas, to po powrocie na Ziemię będą młodsi niż ich rówieśnicy. Powodem jest to, że minie dla nich mniej czasu niż dla ludzi na Ziemi.
Teoria Kaluzy-Kleina
W 1921 r. niemiecki matematyk Theodor Kaluza, korzystając z równań teorii względności, stworzył teorię, któraktóry po raz pierwszy połączył grawitację i elektromagnetyzm. Zgodnie z tą teorią przestrzeń ma pięć wymiarów (w tym czas).
W 1926 szwedzki fizyk Oscar Klein wydedukował uzasadnienie niewidzialności piątego wymiaru opisanego przez Kaluzę. Polegało to na tym, że wyższe wymiary zostały skompresowane do niewiarygodnie małej wartości, która nazywa się wartością Plancka i wynosi 10-35. Później stało się to podstawą innych teorii przestrzeni wielowymiarowej.
Teoria strun
Ten obszar fizyki teoretycznej jest zdecydowanie najbardziej obiecujący. Teoria strun twierdzi, że jest tym, czego szukali fizycy od czasu pojawienia się ogólnej teorii względności. To jest tak zwana teoria wszystkiego.
Faktem jest, że dwie fundamentalne zasady fizyczne - teoria względności i mechanika kwantowa - są ze sobą w nierozwiązywalnej sprzeczności. Teoria wszystkiego jest hipotetyczną koncepcją, która mogłaby wyjaśnić ten paradoks. Z kolei teoria strun bardziej nadaje się do tej roli.
Istotą tego jest to, że na subatomowym poziomie struktury świata, cząsteczki wibrują, podobnie jak wibracje zwykłych strun, na przykład skrzypiec. Stąd wzięła się nazwa teorii. Co więcej, wymiary tych strun są niezwykle małe i oscylują wokół długości Plancka - tej samej, która pojawia się w teorii Kaluzy-Kleina. Jeśli atom zostanie powiększony do rozmiarów galaktyki, struna osiągnie jedynie rozmiary dorosłego drzewa. Teoria strun działa tylko w przestrzeni wielowymiarowej. A jest ich kilkawersje. Niektóre wymagają przestrzeni 10-wymiarowej, podczas gdy inne wymagają przestrzeni 26-wymiarowej.
W momencie powstania teoria strun była postrzegana przez fizyków z wielkim sceptycyzmem. Ale dziś jest najpopularniejszy, a w jego rozwój zaangażowanych jest wielu fizyków teoretycznych. Jednak nie jest jeszcze możliwe eksperymentalne udowodnienie zapisów teorii.
Przestrzeń Hilberta
Kolejną teorią opisującą wyższe wymiary jest przestrzeń Hilberta. Został on opisany przez niemieckiego matematyka Davida Hilberta podczas pracy nad teorią równań całkowych.
Przestrzeń Hilberta to teoria matematyczna opisująca właściwości przestrzeni euklidesowej w wymiarze nieskończonym. Oznacza to, że jest to wielowymiarowa przestrzeń o nieskończonej liczbie wymiarów.
Hiperprzestrzeń w science fiction
Idea wielowymiarowej przestrzeni zaowocowała wieloma wątkami science fiction – zarówno literackimi, jak i filmowymi.
Tak więc w tetralogii Dana Simmonsa „Pieśni Hyperiona” ludzkość używa sieci hiperprzestrzennych portali zerowych, zdolnych do natychmiastowego przenoszenia obiektów na duże odległości. W „Żołnierzach kosmicznych” Roberta Heinleina żołnierze również używają hiperprzestrzeni do podróżowania.
Idea lotu nadprzestrzennego została wykorzystana w wielu filmach opery kosmicznej, w tym w słynnej sadze Gwiezdne Wojny i serialu Babylon 5.
Fabuła filmu „Interstellar” jest prawie całkowicie związana z ideąwyższe wymiary. W poszukiwaniu odpowiedniej planety do kolonizacji bohaterowie przemierzają przestrzeń kosmiczną przez tunele czasoprzestrzenne – tunel nadprzestrzenny prowadzący do innego układu. A pod koniec główny bohater wkracza w świat wielowymiarowej przestrzeni, za pomocą której udaje mu się przenieść informacje w przeszłość. Film wyraźnie pokazuje również związek między przestrzenią a czasem, wydedukowany przez Einsteina: dla astronautów czas płynie wolniej niż dla postaci na Ziemi.
W filmie „Cube 2: Hypercube” postacie znajdują się w tesserakcie. Tak więc w teorii wyższych wymiarów nazywa się sześcian wielowymiarowy. W poszukiwaniu wyjścia znajdują się w równoległych wszechświatach, gdzie spotykają swoje alternatywne wersje.
Pomysł wielowymiarowej przestrzeni jest wciąż fantastyczny i niesprawdzony. Jednak dziś jest znacznie bliższy i bardziej realny niż kilkadziesiąt lat temu. Jest całkiem możliwe, że w następnym stuleciu naukowcy odkryją sposób poruszania się w wyższych wymiarach, a tym samym podróżowania w równoległych światach. Do tego czasu ludzie będą dużo fantazjować na ten temat, wymyślając niesamowite historie.
