En av den teoretiska fysikens huvuduppgifter idag är att hitta ett svar på frågan om det finns högre dimensioner. Består rymden verkligen bara av längd, bredd och höjd, eller är det bara en begränsning av människans uppfattning? I årtusenden avvisade forskare starkt idén om existensen av ett flerdimensionellt utrymme. Den vetenskapliga och tekniska revolutionen har dock förändrats mycket, och idag är vetenskapen inte längre så kategorisk i frågan om högre dimensioner.
Vad är kärnan i begreppet "flerdimensionellt rum"?
Människan lever i en värld som består av tre dimensioner. Koordinaterna för ett objekt kan uttryckas i tre värden. Och ibland två - när det gäller vad som finns på jordens yta.
Längd, bredd och höjd kan användas för att beskriva både markbundna objekt och himlakroppar - planeter, stjärnor och galaxer. De är också tillräckligt för saker som bebor mikrokosmos - molekyler, atomer och elementärapartiklar. Den fjärde dimensionen anses vara tid.
Det måste finnas minst fem dimensioner i ett flerdimensionellt utrymme. Modern teoretisk fysik har utvecklat många teorier för utrymmen med olika dimensioner - upp till 26. Det finns också en teori som beskriver ett utrymme med ett oändligt antal dimensioner.
Från Euklid till Einstein
Fysiker och matematiker från antiken, medeltiden och modern tid förnekade kategoriskt möjligheten av existensen av högre dimensioner. Vissa matematiker härledde till och med motiveringar för begränsningen av utrymmet med tre parametrar. Euklidisk geometri antog endast tre dimensioner.
Före tillkomsten av den allmänna relativitetsteorien ansåg forskare i allmänhet att flerdimensionell rymd var ett ämne ovärdigt att studera och främja teorier. När Albert Einstein formulerade begreppen rum-tid, genom att kombinera tre dimensioner med den fjärde, tiden, försvann vissheten i denna fråga omedelbart.
Teorin om relativitet bevisar att tid och rum inte är separata och oberoende saker. Till exempel, om astronauter går ombord på ett fartyg som rör sig i hög hastighet under en lång tid, kommer de att vara yngre än sina jämnåriga när de återvänder till jorden. Anledningen är att det kommer att gå mindre tid för dem än för människor på jorden.
Kaluza-Klein-teori
År 1921 skapade den tyske matematikern Theodor Kaluza, med hjälp av relativitetsteorins ekvationer, en teori somsom för första gången kombinerade gravitation och elektromagnetism. Enligt denna teori har rymden fem dimensioner (inklusive tid).
År 1926 härledde den svenske fysikern Oscar Klein motiveringen för den femte dimensionens osynlighet, beskriven av Kaluza. Den bestod i att de högre dimensionerna komprimeras till ett otroligt litet värde, som kallas Planck-värdet och är 10-35. Därefter utgjorde detta grunden för andra teorier om flerdimensionell rymd.
Strängteori
Det här området av teoretisk fysik är det överlägset mest lovande. Strängteori påstår sig vara vad fysiker har letat efter sedan den allmänna relativitetsteorin kom. Detta är den så kallade teorin om allting.
Faktum är att två grundläggande fysikaliska principer - relativitetsteorin och kvantmekaniken - står i olöslig motsättning till varandra. Teorin om allt är ett hypotetiskt begrepp som skulle kunna förklara denna paradox. I sin tur är strängteori mer lämpad för denna roll.
Käran av det är att på subatomär nivå av världens struktur vibrerar partiklar, liknande vibrationerna hos vanliga strängar, till exempel en fiol. Det är härifrån teorin har fått sitt namn. Dessutom är dimensionerna på dessa strängar extremt små och fluktuerar runt Plancklängden - samma som förekommer i Kaluza-Klein-teorin. Om en atom förstoras till storleken av en galax, kommer strängen bara att nå storleken på ett vuxet träd. Strängteori fungerar bara i flerdimensionellt rum. Och det finns fleraversioner. Vissa kräver 10-dimensionellt utrymme, medan andra kräver 26-dimensionellt utrymme.
Vid tiden för dess tillkomst uppfattades strängteorin av fysiker med stor skepsis. Men idag är det den mest populära, och många teoretiska fysiker är engagerade i dess utveckling. Det är dock ännu inte möjligt att bevisa teorins bestämmelser experimentellt.
Hilbert space
En annan teori som beskriver högre dimensioner är Hilbert-utrymmet. Den beskrevs av den tyske matematikern David Hilbert när han arbetade med teorin om integralekvationer.
Hilbertrymden är en matematisk teori som beskriver egenskaperna hos det euklidiska rummet i oändlig dimension. Det vill säga, det är ett flerdimensionellt utrymme med ett oändligt antal dimensioner.
Hyperspace i science fiction
Idén med flerdimensionellt rum har resulterat i många science fiction-intriger - både litterära och filmiska.
Sålunda, i Dan Simmons "Songs of Hyperion"-tetralogi, använder mänskligheten ett nätverk av hyperspatiala nollportaler som omedelbart kan överföra objekt över långa avstånd. I Robert Heinleins Starship Troopers använder soldater också hyperrymden för att resa.
Idén med hyperrymdflyg har använts i många rymdoperafilmer, inklusive den berömda Star Wars-sagan och TV-serien Babylon 5.
Plotten i filmen "Interstellar" är nästan helt knuten till idénhögre dimensioner. På jakt efter en lämplig planet för kolonisering reser hjältarna genom rymden genom maskhål - en hyperrymdtunnel som leder till ett annat system. Och mot slutet kommer huvudpersonen in i det flerdimensionella rummets värld, med vars hjälp han lyckas överföra information till det förflutna. Filmen visar också tydligt sambandet mellan rum och tid, härledd av Einstein: för astronauter går tiden långsammare än för karaktärer på jorden.
I filmen "Cube 2: Hypercube" befinner sig karaktärerna i en tesserakt. Så i teorin om högre dimensioner kallas en flerdimensionell kub. På jakt efter en utväg befinner de sig i parallella universum, där de möter sina alternativa versioner.
Idén med ett flerdimensionellt utrymme är fortfarande fantastisk och oprövad. Men idag är det mycket närmare och mer verkligt än för några decennier sedan. Det är mycket möjligt att forskare under nästa århundrade kommer att upptäcka ett sätt att röra sig i högre dimensioner och därför resa i parallella världar. Tills dess kommer folk att fantisera mycket om det här ämnet och hitta på fantastiska historier.
