Ένα από τα κύρια καθήκοντα της θεωρητικής φυσικής σήμερα είναι να βρει μια απάντηση στο ερώτημα εάν υπάρχουν υψηλότερες διαστάσεις. Ο χώρος αποτελείται πραγματικά μόνο από μήκος, πλάτος και ύψος, ή είναι απλώς ένας περιορισμός της ανθρώπινης αντίληψης; Για χιλιετίες, οι επιστήμονες απέρριψαν έντονα την ιδέα της ύπαρξης ενός πολυδιάστατου χώρου. Ωστόσο, η επιστημονική και τεχνολογική επανάσταση έχει αλλάξει πολύ και σήμερα η επιστήμη δεν είναι πλέον τόσο κατηγορηματική στο θέμα των υψηλότερων διαστάσεων.
Ποια είναι η ουσία της έννοιας του "πολυδιάστατου χώρου";
Ο άνθρωπος ζει σε έναν κόσμο που αποτελείται από τρεις διαστάσεις. Οι συντεταγμένες οποιουδήποτε αντικειμένου μπορούν να εκφραστούν σε τρεις τιμές. Και μερικές φορές δύο - όταν πρόκειται για το τι βρίσκεται στην επιφάνεια της Γης.
Μήκος, πλάτος και ύψος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν τόσο επίγεια αντικείμενα όσο και ουράνια σώματα - πλανήτες, αστέρια και γαλαξίες. Είναι επίσης αρκετά για τα πράγματα που κατοικούν στον μικρόκοσμο - μόρια, άτομα και στοιχειώδησωματίδια. Η τέταρτη διάσταση θεωρείται ο χρόνος.
Πρέπει να υπάρχουν τουλάχιστον πέντε διαστάσεις σε έναν πολυδιάστατο χώρο. Η σύγχρονη θεωρητική φυσική έχει αναπτύξει πολλές θεωρίες για χώρους με διαφορετικές διαστάσεις - έως 26. Υπάρχει επίσης μια θεωρία που περιγράφει έναν χώρο με άπειρο αριθμό διαστάσεων.
Από τον Ευκλείδη στον Αϊνστάιν
Φυσικοί και μαθηματικοί της Αρχαιότητας, του Μεσαίωνα και της Νεότερης εποχής αρνήθηκαν κατηγορηματικά την πιθανότητα ύπαρξης υψηλότερων διαστάσεων. Μερικοί μαθηματικοί συνήγαγαν ακόμη και δικαιολογίες για τον περιορισμό του χώρου κατά τρεις παραμέτρους. Η ευκλείδεια γεωμετρία έλαβε μόνο τρεις διαστάσεις.
Πριν από την εμφάνιση της γενικής σχετικότητας, οι επιστήμονες γενικά θεωρούσαν ότι ο πολυδιάστατος χώρος ήταν ένα θέμα ανάξιο μελέτης και προώθησης θεωριών. Όταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν διατύπωσε τις έννοιες του χωροχρόνου, συνδυάζοντας τρεις διαστάσεις με την τέταρτη, η χρονική βεβαιότητα σε αυτό το θέμα εξαφανίστηκε αμέσως.
Η θεωρία της σχετικότητας αποδεικνύει ότι ο χρόνος και ο χώρος δεν είναι ξεχωριστά και ανεξάρτητα πράγματα. Για παράδειγμα, εάν οι αστροναύτες επιβιβαστούν σε ένα πλοίο που κινείται με μεγάλη ταχύτητα για μεγάλο χρονικό διάστημα, τότε κατά την επιστροφή στη Γη θα είναι νεότεροι από τους συνομηλίκους τους. Ο λόγος είναι ότι θα περάσει λιγότερος χρόνος για αυτούς από ότι για τους ανθρώπους στη Γη.
θεωρία Kaluza-Klein
Το 1921, ο Γερμανός μαθηματικός Theodor Kaluza, χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις της θεωρίας της σχετικότητας, δημιούργησε μια θεωρία πουπου για πρώτη φορά συνδύασε τη βαρύτητα και τον ηλεκτρομαγνητισμό. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, ο χώρος έχει πέντε διαστάσεις (συμπεριλαμβανομένου του χρόνου).
Το 1926, ο Σουηδός φυσικός Όσκαρ Κλάιν συνήγαγε την αιτιολόγηση της αορατότητας της πέμπτης διάστασης, που περιγράφεται από τον Καλούζα. Συνίστατο στο γεγονός ότι οι υψηλότερες διαστάσεις συμπιέζονται σε μια απίστευτα μικρή τιμή, η οποία ονομάζεται τιμή Planck και είναι 10-35. Στη συνέχεια, αυτό αποτέλεσε τη βάση άλλων θεωριών του πολυδιάστατου χώρου.
θεωρία χορδών
Αυτός ο τομέας της θεωρητικής φυσικής είναι μακράν ο πιο πολλά υποσχόμενος. Η θεωρία χορδών ισχυρίζεται ότι είναι αυτό που αναζητούσαν οι φυσικοί από την έλευση της γενικής σχετικότητας. Αυτή είναι η λεγόμενη θεωρία των πάντων.
Το γεγονός είναι ότι δύο θεμελιώδεις φυσικές αρχές - η θεωρία της σχετικότητας και η κβαντική μηχανική - βρίσκονται σε άλυτη αντίφαση μεταξύ τους. Η θεωρία των πάντων είναι μια υποθετική έννοια που θα μπορούσε να εξηγήσει αυτό το παράδοξο. Με τη σειρά του, η θεωρία χορδών ταιριάζει περισσότερο σε αυτόν τον ρόλο.
Η ουσία του είναι ότι στο υποατομικό επίπεδο της δομής του κόσμου, τα σωματίδια δονούνται, παρόμοια με τη δόνηση των συνηθισμένων χορδών, για παράδειγμα, ενός βιολιού. Από εδώ πήρε το όνομά της η θεωρία. Επιπλέον, οι διαστάσεις αυτών των χορδών είναι εξαιρετικά μικρές και κυμαίνονται γύρω από το μήκος Planck - το ίδιο που εμφανίζεται στη θεωρία Kaluza-Klein. Εάν ένα άτομο μεγεθύνεται στο μέγεθος ενός γαλαξία, τότε η χορδή θα φτάσει μόνο το μέγεθος ενός ενήλικου δέντρου. Η θεωρία χορδών λειτουργεί μόνο σε πολυδιάστατο χώρο. Και είναι αρκετέςεκδόσεις. Ορισμένα απαιτούν χώρο 10 διαστάσεων, ενώ άλλα απαιτούν χώρο 26 διαστάσεων.
Κατά την έναρξη της, η θεωρία χορδών έγινε αντιληπτή από τους φυσικούς με μεγάλο σκεπτικισμό. Αλλά σήμερα είναι το πιο δημοφιλές και πολλοί θεωρητικοί φυσικοί ασχολούνται με την ανάπτυξή του. Ωστόσο, δεν είναι ακόμη δυνατό να αποδειχθούν πειραματικά οι διατάξεις της θεωρίας.
Hilbert space
Μια άλλη θεωρία που περιγράφει υψηλότερες διαστάσεις είναι ο χώρος Hilbert. Περιγράφηκε από τον Γερμανό μαθηματικό David Hilbert ενώ εργαζόταν στη θεωρία των ολοκληρωτικών εξισώσεων.
Ο χώρος Hilbert είναι μια μαθηματική θεωρία που περιγράφει τις ιδιότητες του Ευκλείδειου χώρου σε άπειρη διάσταση. Δηλαδή, είναι ένας πολυδιάστατος χώρος με άπειρο αριθμό διαστάσεων.
Υπερδιάστημα στην επιστημονική φαντασία
Η ιδέα του πολυδιάστατου χώρου έχει οδηγήσει σε πολλές πλοκές επιστημονικής φαντασίας - τόσο λογοτεχνικές όσο και κινηματογραφικές.
Έτσι, στην τετραλογία «Songs of Hyperion» του Dan Simmons, η ανθρωπότητα χρησιμοποιεί ένα δίκτυο υπερχωρικών μηδενικών πυλών ικανών να μεταφέρουν άμεσα αντικείμενα σε μεγάλη απόσταση. Στο Starship Troopers του Robert Heinlein, οι στρατιώτες χρησιμοποιούν επίσης το υπερδιάστημα για να ταξιδέψουν.
Η ιδέα της πτήσης στο υπερδιάστημα έχει χρησιμοποιηθεί σε πολλές ταινίες διαστημικής όπερας, συμπεριλαμβανομένης της διάσημης ιστορίας Star Wars και της τηλεοπτικής σειράς Babylon 5.
Η πλοκή της ταινίας "Interstellar" είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου συνδεδεμένη με την ιδέαυψηλότερες διαστάσεις. Αναζητώντας έναν κατάλληλο πλανήτη για αποικισμό, οι ήρωες ταξιδεύουν στο διάστημα μέσα από σκουληκότρυπες - μια υπερδιαστημική σήραγγα που οδηγεί σε άλλο σύστημα. Και προς το τέλος, ο κεντρικός χαρακτήρας εισέρχεται στον κόσμο του πολυδιάστατου χώρου, με τη βοήθεια του οποίου καταφέρνει να μεταφέρει πληροφορίες στο παρελθόν. Η ταινία δείχνει επίσης ξεκάθαρα τη σύνδεση μεταξύ χώρου και χρόνου, όπως συμπεραίνει ο Αϊνστάιν: για τους αστροναύτες, ο χρόνος περνάει πιο αργά από ό,τι για τους χαρακτήρες στη Γη.
Στην ταινία "Cube 2: Hypercube" οι χαρακτήρες βρίσκονται μέσα σε ένα teseract. Έτσι στη θεωρία των υψηλότερων διαστάσεων ονομάζεται πολυδιάστατος κύβος. Αναζητώντας μια διέξοδο, βρίσκονται σε παράλληλα σύμπαντα, όπου συναντούν τις εναλλακτικές εκδοχές τους.
Η ιδέα ενός πολυδιάστατου χώρου είναι ακόμα φανταστική και αναπόδεικτη. Ωστόσο, σήμερα είναι πολύ πιο κοντά και πιο αληθινό από ό,τι πριν από μερικές δεκαετίες. Είναι πολύ πιθανό ότι τον επόμενο αιώνα, οι επιστήμονες θα ανακαλύψουν έναν τρόπο να κινούνται σε υψηλότερες διαστάσεις και, επομένως, να ταξιδεύουν σε παράλληλους κόσμους. Μέχρι τότε, οι άνθρωποι θα φαντασιώνονται πολύ για αυτό το θέμα, επινοώντας εκπληκτικές ιστορίες.
