Одне з головних завдань теоретичної фізики сьогодні – пошук відповіді на питання, чи існують вищі виміри. Дійсно простір складається лише з довжини, ширини і висоти або це лише обмеженість людського сприйняття? Протягом тисячоліть вчені рішуче відкидали ідею існування багатовимірного простору. Однак науково-технічна революція змінила багато, і сьогодні наука вже не так категорична в питанні вищих вимірів.
У чому сутність поняття “багатовимірний простір”?
Людина живе у світі, який складається з трьох вимірювань. Координати будь-якого об’єкта можна висловити трьома значеннями. А іноді і двома – якщо мова йде про те, що знаходиться на поверхні Землі.
За допомогою довжини, ширини і висоти можна описати як земні об’єкти, так і небесні тіла – планети, зірки і галактики. Вистачає їх і для речей, що населяють мікросвіт, – молекул, атомів і елементарних частинок. Четвертим виміром прийнято вважати час.
У багатовимірному просторі має бути як мінімум п’ять вимірювань. Сучасна теоретична фізика виробила безліч теорій для просторів з різною розмірністю – аж до 26. Є також теорія, що описує простір з нескінченною кількістю вимірів.
Від Евкліда до Ейнштейна
Фізики і математики Античності, Середніх віків і Нового часу категорично заперечували можливість існування вищих вимірів. Деякі математики навіть виводили обгрунтування обмеженості простору трьома параметрами. Евклідова геометрія передбачала наявність лише трьох вимірювань.
До появи загальної теорії відносності вчені взагалі вважали багатовимірний простір предметом, гідним вивчення і висунення теорій. Коли ж Альберт Ейнштейн сформулював поняття простору-часу, об’єднавши три вимірювання з четвертим, тимчасовим, визначеність у цьому питанні тут же зникла.
Теорія відносності доводить, що час і простір не є окремими та незалежними речами. Наприклад, якщо космонавти сядуть на корабель, який буде довго рухатися на високій швидкості, то після повернення на Землю вони виявляться молодше своїх однолітків. Причина в тому, що для них пройде менше часу, ніж для людей на Землі.
Теорія Калуци-Клейна
У 1921 році німецький математик Теодор Калуца з допомогою рівняння теорії відносності створив теорію, яка вперше об’єднала гравітацію та електромагнетизм. Згідно цієї теорії, простір має п’ять вимірів (в тому числі час).
У 1926 році шведський фізик Оскар Клейн вивів обґрунтування невидимості п’ятого виміру, описане Калуцой. Воно полягало в тому, що вищі виміри стиснуті до неймовірно малої величини, яка називається планковскої і становить 10-35. Згодом це лягло в основу інших теорій багатовимірного простору.
Теорія струн
Це напрям теоретичної фізики на сьогоднішній день найбільш перспективний. Теорія струн претендує на звання того, що фізики шукають з самого появи загальної теорії відносності. Це так звана теорія всього.
Справа в тому, що два фундаментальних фізичних принципу – теорія відносності і квантова механіка – перебувають у нерозв’язні суперечності один з одним. Теорія всього – гіпотетична концепція, яка змогла б пояснити цей парадокс. У свою чергу, теорія струн більше інших підходить на цю роль.
Суть її в тому, що на субатомному рівні будови світу відбувається коливання частинок, схоже на коливання звичайних струн, наприклад, скрипки. Звідси теорія і отримала свою назву. Причому розміри цих струн надзвичайно малі і коливаються в районі планковскої довжини – тієї самої, що фігурує в теорії Калуци-Клейна. Якщо збільшити атом до розмірів галактики, то струна досягне лише розмірів дорослого дерева. Теорія струн працює лише в багатовимірному просторі. Причому існує кілька версій. Одні вимагають 10-вимірного, а інші – 26-вимірного простору.
На момент свого виникнення теорія струн сприймалася фізиками з великим скептицизмом. Але сьогодні вона є найбільш популярною, і її розробкою займаються багато фізики-теоретики. Однак довести положення теорії експериментально поки що не представляється можливим.
Гільбертів простір
Ще одна теорія, що описує вищі виміри, – гільбертів простір. Його описав німецький вчений-математик Давид Гільберт при роботі над теорією інтегральних рівнянь.
Гільбертів простір – математична теорія, що описує властивості евклідового простору в нескінченної розмірності. Тобто це багатовимірний простір з незліченною кількістю вимірів.
Гіперпростір у фантастиці
Ідея багатомірного простору вилилася в безліч сюжетів наукової фантастики – як літературної, так і кінематографічної.
Так, в тетралогії Дена Сіммонса “Пісні Гіперіона” людство використовує мережу гіперпросторових нуль-порталів, здатних миттєво переносити об’єкти на далеку відстань. У романі Роберта Хайнлайна “Зоряний десант” солдати також використовують гіперпростір для переміщень.
Ідея гіперпросторових польотів була використана в багатьох фільмах космічної опери, в тому числі знаменитої саги “Зоряні війни” і серіалі “Вавилон-5”.
Сюжет фільму “Интерстеллар” практично повністю зав’язаний на ідеї вищих вимірів. У пошуках придатної планети для колонізації герої подорожують в космосі через червоточини – гіперпросторовий тунель, що веде в іншу систему. А ближче до кінця головний герой потрапляє у світ багатовимірного простору, за допомогою якого йому вдається передати інформацію в минуле. У фільмі також чітко показано зв’язок простору і часу, виведена Ейнштейном: для космонавтів час йде повільніше, ніж для персонажів на Землі.
У фільмі “Куб 2: Гіперкуб” герої опиняються всередині тессеракта. Так в теорії вищих вимірів називається багатовимірний куб В пошуках виходу вони потрапляють в паралельні всесвіти, де зустрічають свої альтернативні версії.
Ідея багатомірного простору залишається фантастичним і недоведеною. Проте сьогодні вона набагато ближче і реальніше, ніж кілька десятиліть тому. Цілком можливо, в найближче сторіччя вчені знайдуть спосіб пересуватися у вищих вимірах і, отже, подорожувати в паралельних світах. А доти люди будуть багато фантазувати на цю тему, вигадуючи дивовижні історії.
