Yksi teoreettisen fysiikan päätehtävistä nykyään on löytää vastaus kysymykseen, onko olemassa korkeampia ulottuvuuksia. Koostuuko avaruus todella vain pituudesta, leveydestä ja korkeudesta vai onko se vain ihmisen havainnoinnin rajoitus? Vuosituhansien ajan tiedemiehet hylkäsivät jyrkästi ajatuksen moniulotteisen avaruuden olemassaolosta. Tieteellinen ja teknologinen vallankumous on kuitenkin muuttunut paljon, ja nykyään tiede ei ole enää niin kategorinen korkeampien ulottuvuuksien suhteen.
Mikä on "moniulotteisen avaruuden" käsitteen ydin?
Ihminen elää maailmassa, joka koostuu kolmesta ulottuvuudesta. Minkä tahansa kohteen koordinaatit voidaan ilmaista kolmella arvolla. Ja joskus kaksi - kun on kyse siitä, mitä on maan pinnalla.
Pituutta, leveyttä ja korkeutta voidaan käyttää kuvaamaan sekä maan esineitä että taivaankappaleita - planeettoja, tähtiä ja galakseja. Ne riittävät myös mikrokosmuksessa oleville asioille - molekyyleille, atomeille ja alkuaineillehiukkasia. Neljännen ulottuvuuden katsotaan olevan aika.
Moniulotteisessa avaruudessa on oltava vähintään viisi ulottuvuutta. Nykyaikainen teoreettinen fysiikka on kehittänyt monia teorioita erikokoisille avaruuksille - jopa 26. On myös teoria, joka kuvaa avaruutta, jolla on ääretön määrä ulottuvuuksia.
Euklideista Einsteiniin
Antiikin, keskiajan ja nykyajan fyysikot ja matemaatikot kielsivät kategorisesti korkeampien ulottuvuuksien olemassaolon mahdollisuuden. Jotkut matemaatikot päättelivät jopa perusteluja tilan rajoitukselle kolmella parametrilla. Euklidinen geometria olettaa vain kolme ulottuvuutta.
Ennen yleisen suhteellisuusteorian tuloa tiedemiehet pitivät yleensä moniulotteista avaruutta aiheena, joka ei ansainnut tutkia ja kehittää teorioita. Kun Albert Einstein muotoili käsitteet aika-avaruudesta yhdistäen kolme ulottuvuutta neljänteen, aika, varmuus tässä asiassa katosi välittömästi.
Suhteellisuusteoria todistaa, että aika ja tila eivät ole erillisiä ja itsenäisiä asioita. Esimerkiksi, jos astronautit nousevat pitkään suurella nopeudella liikkuvalle alukselle, palatessaan Maahan he ovat nuorempia kuin ikätoverinsa. Syynä on, että heille kuluu vähemmän aikaa kuin ihmisille maan päällä.
Kaluza-Kleinin teoria
Vuonna 1921 saksalainen matemaatikko Theodor Kaluza loi suhteellisuusteorian yhtälöitä käyttäen teorian, jokajoka yhdisti ensimmäistä kertaa painovoiman ja sähkömagnetismin. Tämän teorian mukaan avaruudella on viisi ulottuvuutta (mukaan lukien aika).
Vuonna 1926 ruotsalainen fyysikko Oscar Klein päätteli Kaluzan kuvaaman viidennen ulottuvuuden näkymättömyyden perustelun. Se koostui siitä, että korkeammat mitat puristetaan uskomattoman pieneen arvoon, jota kutsutaan Planck-arvoksi ja joka on 10-35. Myöhemmin tämä muodosti perustan muille moniulotteisen avaruuden teorioille.
Jieteloteoria
Tämä teoreettisen fysiikan ala on ylivoimaisesti lupaavin. Kieleteoria väittää olevansa sitä, mitä fyysikot ovat etsineet yleisen suhteellisuusteorian tulon jälkeen. Tämä on niin sanottu teoria kaikesta.
Tosiasia on, että kaksi fyysistä perusperiaatetta - suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka - ovat ratkaisemattomassa ristiriidassa keskenään. Kaiken teoria on hypoteettinen käsite, joka voisi selittää tämän paradoksin. Kieleteoria puolestaan sopii paremmin tähän rooliin.
Sen ydin on, että maailman rakenteen subatomitasolla hiukkaset värähtelevät samalla tavalla kuin tavallisten kielten, esimerkiksi viulun, värähtely. Tästä teoria on saanut nimensä. Lisäksi näiden merkkijonojen mitat ovat erittäin pieniä ja vaihtelevat Planckin pituuden ympärillä - sama, joka esiintyy Kaluza-Kleinin teoriassa. Jos atomi suurennetaan galaksin kokoiseksi, merkkijono saavuttaa vain aikuisen puun koon. Kieleteoria toimii vain moniulotteisessa avaruudessa. Ja niitä on useitaversiot. Jotkut vaativat 10-ulotteista tilaa, kun taas toiset vaativat 26-ulotteista tilaa.
Fyysikot suhtautuivat merkkijonoteoriaan erittäin skeptisesti sen perustamishetkellä. Mutta nykyään se on suosituin, ja monet teoreettiset fyysikot ovat mukana sen kehittämisessä. Teorian ehtoja ei kuitenkaan ole vielä mahdollista todistaa kokeellisesti.
Hilbert-avaruus
Toinen teoria, joka kuvaa korkeampia ulottuvuuksia, on Hilbert-avaruus. Sen kuvasi saksalainen matemaatikko David Hilbert työskennellessään integraaliyhtälöiden teorian parissa.
Hilbert-avaruus on matemaattinen teoria, joka kuvaa euklidisen avaruuden ominaisuuksia äärettömässä ulottuvuudessa. Se on siis moniulotteinen avaruus, jolla on ääretön määrä ulottuvuuksia.
Hyperavaruus tieteiskirjallisessa kirjassa
Ajatus moniulotteisesta avaruudesta on johtanut moniin tieteiskirjallisiin juoniin - sekä kirjallisiin että elokuvallisiin.
Siksi Dan Simmonsin "Songs of Hyperion" -tetralogiassa ihmiskunta käyttää hyperspatiaalisten nollaportaalien verkostoa, joka pystyy siirtämään kohteita välittömästi pitkän matkan päähän. Robert Heinleinin Starship Troopersissa sotilaat käyttävät myös hyperavaruutta matkustaessaan.
Ajatusta hyperavaruuslennosta on käytetty monissa avaruusoopperaelokuvissa, mukaan lukien kuuluisa Star Wars -saaga ja TV-sarja Babylon 5.
"Interstellar"-elokuvan juoni on lähes täysin sidottu ideaankorkeammat mitat. Etsiessään sopivaa planeettaa kolonisaatioon, sankarit matkustavat avaruuden halki madonreikien kautta - hyperavaruustunnelin kautta, joka johtaa toiseen järjestelmään. Ja loppua kohden päähenkilö astuu moniulotteisen tilan maailmaan, jonka avulla hän onnistuu siirtämään tietoa menneisyyteen. Elokuva näyttää myös selkeästi Einsteinin päätelmän avaruuden ja ajan välisen yhteyden: astronauteilla aika kuluu hitaammin kuin maan hahmoilla.
Elokuvassa "Cube 2: Hypercube" hahmot löytävät itsensä tesseraktista. Joten korkeampien ulottuvuuksien teoriassa kutsutaan moniulotteiseksi kuutioksi. Etsiessään ulospääsyä he löytävät itsensä rinnakkaisuniversumeista, joissa he tapaavat vaihtoehtoiset versionsa.
Ajatus moniulotteisesta tilasta on edelleen fantastinen ja todistamaton. Nykyään se on kuitenkin paljon lähempänä ja todellisempaa kuin muutama vuosikymmen sitten. On täysin mahdollista, että ensi vuosisadalla tiedemiehet löytävät tavan liikkua korkeammissa ulottuvuuksissa ja siten matkustaa rinnakkaisissa maailmoissa. Siihen asti ihmiset fantasioivat paljon tästä aiheesta ja keksivät upeita tarinoita.
