Viens no teorētiskās fizikas galvenajiem uzdevumiem mūsdienās ir rast atbildi uz jautājumu, vai pastāv augstākas dimensijas. Vai tiešām telpa sastāv tikai no garuma, platuma un augstuma, vai arī tas ir tikai cilvēka uztveres ierobežojums? Jau tūkstošiem gadu zinātnieki stingri noraidīja ideju par daudzdimensiju telpas esamību. Tomēr zinātnes un tehnoloģiju revolūcija ir daudz mainījusies, un mūsdienās zinātne vairs nav tik kategoriska jautājumā par augstākiem izmēriem.
Kāda ir jēdziena "daudzdimensiju telpa" būtība?
Cilvēks dzīvo pasaulē, kas sastāv no trīs dimensijām. Jebkura objekta koordinātas var izteikt trīs vērtībās. Un dažreiz divi - ja runa ir par to, kas atrodas uz Zemes virsmas.
Garumu, platumu un augstumu var izmantot, lai aprakstītu gan zemes objektus, gan debess ķermeņus – planētas, zvaigznes un galaktikas. Ar tiem pietiek arī mikrokosmosā mītošām lietām – molekulām, atomiem un elementārajāmdaļiņas. Ceturtā dimensija tiek uzskatīta par laiku.
Daudzdimensiju telpā ir jābūt vismaz piecām dimensijām. Mūsdienu teorētiskā fizika ir izstrādājusi daudzas teorijas telpām ar dažādiem izmēriem - līdz pat 26. Ir arī teorija, kas apraksta telpu ar bezgalīgu izmēru skaitu.
No Eiklida līdz Einšteinam
Antīko, viduslaiku un jauno laiku fiziķi un matemātiķi kategoriski noliedza augstāku dimensiju pastāvēšanas iespēju. Daži matemātiķi pat izsecināja pamatojumu telpas ierobežojumam ar trim parametriem. Eiklīda ģeometrija pieņēma tikai trīs dimensijas.
Pirms vispārējās relativitātes teorijas parādīšanās zinātnieki daudzdimensionālo telpu uzskatīja par tēmu, kas nav cienīga pētīt un attīstīt teorijas. Kad Alberts Einšteins formulēja telpas-laika jēdzienus, apvienojot trīs dimensijas ar ceturto, laiks, noteiktība šajā jautājumā uzreiz pazuda.
Relativitātes teorija pierāda, ka laiks un telpa nav atsevišķas un neatkarīgas lietas. Piemēram, ja astronauti ilgstoši uzkāpj uz kuģa, kas pārvietojas lielā ātrumā, tad, atgriežoties uz Zemes, viņi būs jaunāki par vienaudžiem. Iemesls ir tāds, ka viņiem paies mazāk laika nekā cilvēkiem uz Zemes.
Kalūza-Kleina teorija
1921. gadā vācu matemātiķis Teodors Kaluza, izmantojot relativitātes teorijas vienādojumus, izveidoja teoriju, kakas pirmo reizi apvienoja gravitāciju un elektromagnētismu. Saskaņā ar šo teoriju telpai ir piecas dimensijas (ieskaitot laiku).
Zviedru fiziķis Oskars Kleins 1926. gadā secināja Kaluza aprakstītās piektās dimensijas neredzamības pamatojumu. Tas sastāvēja no tā, ka augstākie izmēri ir saspiesti līdz neticami mazai vērtībai, ko sauc par Planka vērtību un ir 10-35. Pēc tam tas veidoja pamatu citām daudzdimensionālās telpas teorijām.
Stīgu teorija
Šī teorētiskās fizikas joma ir visdaudzsološākā. Stīgu teorija apgalvo, ka tā ir tas, ko fiziķi ir meklējuši kopš vispārējās relativitātes teorijas parādīšanās. Šī ir tā sauktā visa teorija.
Fakts ir tāds, ka divi fizikālie pamatprincipi - relativitātes teorija un kvantu mehānika - ir neatrisināmā pretrunā viens ar otru. Visa teorija ir hipotētisks jēdziens, kas varētu izskaidrot šo paradoksu. Savukārt stīgu teorija ir vairāk piemērota šai lomai.
Tā būtība ir tāda, ka pasaules struktūras subatomiskajā līmenī vibrē daļiņas, līdzīgi kā parasto stīgu vibrācija, piemēram, vijole. Šeit teorija ieguva savu nosaukumu. Turklāt šo stīgu izmēri ir ārkārtīgi mazi un svārstās ap Planka garumu - to pašu, kas parādās Kaluza-Kleina teorijā. Ja atoms tiek palielināts līdz galaktikas izmēram, tad virkne sasniegs tikai pieauguša koka izmēru. Stīgu teorija darbojas tikai daudzdimensiju telpā. Un tādas ir vairākasversijas. Dažiem ir nepieciešama 10 dimensiju telpa, savukārt citiem ir nepieciešama 26 dimensiju telpa.
Tās izveides laikā fiziķi stīgu teoriju uztvēra ar lielu skepsi. Bet šodien tas ir vispopulārākais, un daudzi teorētiskie fiziķi nodarbojas ar tā izstrādi. Tomēr eksperimentāli pierādīt teorijas nosacījumus vēl nav iespējams.
Hilberta atstarpe
Cita teorija, kas apraksta augstākas dimensijas, ir Hilberta telpa. To aprakstīja vācu matemātiķis Deivids Hilberts, strādājot pie integrālvienādojumu teorijas.
Hilberta telpa ir matemātiska teorija, kas apraksta Eiklīda telpas īpašības bezgalīgā dimensijā. Tas ir, tā ir daudzdimensiju telpa ar bezgalīgu skaitu dimensiju.
Hipertelpa zinātniskajā fantastikā
Daudzdimensiju telpas idejas rezultātā ir izveidoti daudzi zinātniskās fantastikas sižeti - gan literāri, gan kinematogrāfiski.
Tādējādi Dena Simmonsa "Hiperiona dziesmas" tetraloģijā cilvēce izmanto hipertelpisku nulles portālu tīklu, kas spēj uzreiz pārsūtīt objektus lielā attālumā. Roberta Heinleina filmā Starship Troopers karavīri ceļošanai izmanto arī hipertelpu.
Ideja par lidojumu hipertelpā ir izmantota daudzās kosmosa operas filmās, tostarp slavenajā Zvaigžņu karu sāgā un seriālā Babylon 5.
Filmas "Starpzvaigžņu" sižets ir gandrīz pilnībā saistīts ar idejuaugstāki izmēri. Meklējot kolonizācijai piemērotu planētu, varoņi ceļo pa kosmosu pa tārpu caurumiem – hipertelpas tuneli, kas ved uz citu sistēmu. Un uz beigām galvenais varonis nonāk daudzdimensionālās telpas pasaulē, ar kuras palīdzību viņam izdodas pārnest informāciju pagātnē. Filmā skaidri redzama arī Einšteina izsecinātā saikne starp telpu un laiku: astronautiem laiks rit lēnāk nekā varoņiem uz Zemes.
Filmas "Kubs 2: Hiperkubs" varoņi atrodas tesaraktā. Tātad augstāko dimensiju teorijā to sauc par daudzdimensiju kubu. Meklējot izeju, viņi nonāk paralēlos visumos, kur satiekas ar savām alternatīvajām versijām.
Daudzdimensiju telpas ideja joprojām ir fantastiska un nepierādīta. Tomēr šodien tas ir daudz tuvāk un reālāks nekā pirms dažām desmitgadēm. Pilnīgi iespējams, ka nākamajā gadsimtā zinātnieki atklās veidu, kā pārvietoties augstākās dimensijās un līdz ar to ceļot paralēlās pasaulēs. Līdz tam cilvēki daudz fantazēs par šo tēmu, izdomājot pārsteidzošus stāstus.
