Една от основните задачи на теоретичната физика днес е да намери отговор на въпроса дали има по-високи измерения. Дали пространството наистина се състои само от дължина, ширина и височина, или е просто ограничение на човешкото възприятие? В продължение на хилядолетия учените категорично отхвърляха идеята за съществуването на многоизмерно пространство. Научната и технологичната революция обаче се промени много и днес науката вече не е толкова категорична по въпроса за по-високите измерения.
Каква е същността на концепцията за "многоизмерно пространство"?
Човек живее в свят, който се състои от три измерения. Координатите на всеки обект могат да бъдат изразени в три стойности. И понякога две - когато става въпрос за това, което е на повърхността на Земята.
Дължината, ширината и височината могат да се използват за описване както на земни обекти, така и на небесни тела - планети, звезди и галактики. Достатъчни са и за неща, обитаващи микрокосмоса – молекули, атоми и елементарничастици. Четвъртото измерение се счита за времето.
Трябва да има поне пет измерения в многоизмерно пространство. Съвременната теоретична физика е разработила много теории за пространства с различни измерения - до 26. Има и теория, която описва пространство с безкраен брой измерения.
От Евклид до Айнщайн
Физици и математици от Античността, Средновековието и Новото време категорично отричаха възможността за съществуване на по-високи измерения. Някои математици дори извеждат обосновки за ограничаването на пространството с три параметъра. Евклидовата геометрия приема само три измерения.
Преди появата на общата теория на относителността учените като цяло смятаха многоизмерното пространство за предмет, недостоен за изучаване и развитие на теориите. Когато Алберт Айнщайн формулира концепциите за пространство-време, комбинирайки три измерения с четвъртото, времето, сигурността в този въпрос веднага изчезна.
Теорията на относителността доказва, че времето и пространството не са отделни и независими неща. Например, ако астронавтите се качат на кораб, който се движи с висока скорост за дълго време, след завръщането си на Земята те ще бъдат по-млади от своите връстници. Причината е, че за тях ще мине по-малко време, отколкото за хората на Земята.
Теория на Калуца-Клайн
През 1921 г. немският математик Теодор Калуза, използвайки уравненията на теорията на относителността, създава теория, чекойто за първи път съчетава гравитацията и електромагнетизма. Според тази теория пространството има пет измерения (включително времето).
През 1926 г. шведският физик Оскар Клайн извежда оправданието за невидимостта на петото измерение, описано от Калуза. Състои се във факта, че по-високите измерения се компресират до невероятно малка стойност, която се нарича стойност на Планк и е 10-35. Впоследствие това формира основата на други теории за многомерното пространство.
Теория на струните
Тази област на теоретичната физика е най-обещаващата. Теорията на струните твърди, че е това, което физиците търсят от появата на общата теория на относителността. Това е така наречената теория на всичко.
Факт е, че два фундаментални физически принципа - теорията на относителността и квантовата механика - са в неразрешимо противоречие един с друг. Теорията на всичко е хипотетична концепция, която би могла да обясни този парадокс. От своя страна теорията на струните е по-подходяща за тази роля.
Същността на това е, че на субатомното ниво на структурата на света частиците вибрират, подобно на вибрацията на обикновените струни, например цигулка. От тук е и името на теорията. Освен това размерите на тези струни са изключително малки и се колебаят около дължината на Планк - същата, която се появява в теорията на Калуза-Клайн. Ако един атом се увеличи до размера на галактика, тогава низът ще достигне размера само на възрастно дърво. Теорията на струните работи само в многоизмерно пространство. И има няколковерсии. Някои изискват 10-измерно пространство, докато други изискват 26-измерно пространство.
По време на своето създаване теорията на струните се възприема от физиците с голям скептицизъм. Но днес той е най-популярният и много физици-теоретици се занимават с неговото развитие. Все още обаче не е възможно да се докажат разпоредбите на теорията експериментално.
пространство на Хилбърт
Друга теория, описваща по-високи измерения, е Хилбертово пространство. Той е описан от немския математик Давид Хилберт, докато работи върху теорията на интегралните уравнения.
Пространството на Хилберт е математическа теория, която описва свойствата на евклидовото пространство в безкрайно измерение. Тоест, това е многоизмерно пространство с безкраен брой измерения.
Хиперпространството в научната фантастика
Идеята за многоизмерно пространство доведе до много научно-фантастични сюжети - както литературни, така и кинематографични.
Така в тетралогията на Дан Симънс „Песните на Хиперион“човечеството използва мрежа от хиперпространствени нулеви портали, способни незабавно да прехвърлят обекти на голямо разстояние. В Starship Troopers на Робърт Хайнлайн войниците също използват хиперпространството, за да пътуват.
Идеята за хиперкосмически полет е използвана в много филми от космическата опера, включително известната сага за Междузвездни войни и телевизионния сериал Вавилон 5.
Сюжетът на филма "Interstellar" е почти изцяло обвързан с идеятапо-високи размери. В търсене на подходяща планета за колонизация, героите пътуват из космоса през червеи – хиперкосмически тунел, водещ към друга система. И към края главният герой навлиза в света на многоизмерното пространство, с помощта на което успява да пренесе информация в миналото. Филмът също така ясно показва връзката между пространството и времето, изведена от Айнщайн: за астронавтите времето минава по-бавно, отколкото за героите на Земята.
Във филма "Куб 2: Хиперкуб" героите се оказват вътре в тесеракт. Така че в теорията на по-високите измерения се нарича многомерен куб. В търсене на изход те се озовават в паралелни вселени, където срещат своите алтернативни версии.
Идеята за многоизмерно пространство все още е фантастична и недоказана. Днес обаче е много по-близо и по-реално, отколкото преди няколко десетилетия. Напълно възможно е през следващия век учените да открият начин да се движат в по-високи измерения и следователно да пътуват в паралелни светове. Дотогава хората ще фантазират много по тази тема, измисляйки невероятни истории.
