Многомерно пространство: понятие, същност, теория

Едно от големите предизвикателства на теоретичната физика днес е да намери отговор на въпроса дали съществуват по-високи измерения. Наистина ли пространството се състои само от дължина, ширина и височина или това е само ограничение на човешкото възприятие?? През хилядолетията учените категорично отхвърлят идеята за съществуването на многоизмерно пространство. Научната и технологичната революция обаче се е променила много и днес науката не е толкова категорична по въпроса за по-високите измерения.

Каква е същността на концепцията "многоизмерно пространство"?

Човекът живее в свят с три измерения. Координати на всеки обект може да се изрази с три значения. А понякога и две, ако става дума за, какво има на повърхността на Земята.

Дължината, ширината и височината могат да се използват за описание както на земни, така и на небесни тела - планети, звезди и галактики. Достатъчно за нещата, които населяват микрокосмоса: молекули, атоми и елементарни частици. Времето се смята за четвъртото измерение.

Многомерното пространство трябва да има поне пет измерения. Съвременната теоретична физика е разработила много теории за пространства с различни измерения - до 26. Съществува и теория, която описва пространство с безкраен брой измерения.

От Евклид до Айнщайн

Физиците и математиците от Древността, Средновековието и Новото време категорично отричат възможността за съществуване на висши измервания. Някои математици дори са извели обосновки за ограничеността на пространството в три измерения. Евклидовата геометрия приема само три измерения.

Преди появата на.. обща теория Относителността, учените като цяло смятаха, че многоизмерното пространство е тема, която не заслужава изследване и теория. Когато Алберт Айнщайн формулира концепцията за пространство-времето, съчетавайки три измерения с четвърто, временно, сигурността веднага изчезва.

Теорията на относителността доказва, че.. ...че времето и пространството.. не са отделни и независими неща. Например, ако астронавтите се качат на космически кораб, който дълго време се движи с висока скорост, когато се върнат на Земята, те ще се окажат по-млади от своите връстници. Причината е, че за тях ще мине по-малко време, отколкото за хората на Земята.

Теорията на Калуза-Клайн

През 1921 г. германският математик Теодор Калуза, използвайки уравненията на теорията на относителността, създава теория, която за първи път обединява гравитацията и електромагнетизма. Според тази теория пространството има пет измерения (включително времето).

През 1926 г. шведският физик Оскар Клайн обосновава невидимостта на петото измерение по начина, по който го е направил Калуза. Той се състои в компресиране на висшите измерения до невероятно малка стойност, наречена стойност на Планк от 10^-35. По-късно това е използвано като основа за други теории за многомерното пространство.

Теория на струните

Това е най-обещаващата област на теоретичната физика днес. Теорията на струните претендира, че е това, което физиците са търсили още от появата на общата теория на относителността. Това е така наречената теория на всичко.

Факт е, че два фундаментални физични принципа - теорията на относителността и квантовата механика - са в непримиримо противоречие помежду си. Теорията на всичко е хипотетична концепция, която би могла да обясни този парадокс. Теорията на струните, от своя страна, е най-подходяща за тази роля.

Същността му се състои в това, че на субатомно ниво на световната структура има трептения на частици, подобни на трептенията на обикновени струни, като тези на цигулката. Оттук идва и името на теорията. Освен това размерът на тези струни е изключително малък и се колебае около дължината на Планк, същата, която се появява в теорията на Калуза-Клайн. Ако увеличите атом до размера на галактика, низът ще достигне само размера на възрастно дърво. Теорията на струните работи само в многомерното пространство. И има няколко версии на тази услуга. Някои изискват 10-измерно пространство, други - 26-измерно.

По време на създаването си теорията на струните е разглеждана от физиците с голям скептицизъм. Но днес тя е най-популярната и по нея работят много физици теоретици. Но все още не е възможно да се докаже експериментално тази теория.

Хилбертово пространство

Друга теория, която описва по-големи измерения, е Хилбертовото пространство. Описана е от немския математик Дейвид Хилбърт на работното място върху теорията на интегралните уравнения.

Хилбертовото пространство е математическа теория, която описва свойствата на Евклидовото пространство в безкрайна размерност. Тоест това е многоизмерно пространство с безброй измерения.

Хиперпространството в научната фантастика

Идеята за многоизмерното пространство е довела до много научнофантастични истории, както литературни, така и филмови.

И така, в тетралогията на Дан Симънс "Песни на Хиперион" човечеството използва мрежа от хиперпространствени нулеви портали, способни незабавно да пренасят предмети на големи разстояния. В романа на Робърт Хайнлайн "Звездни десантчици" войниците също използват хиперпространството за пътуване.

Идеята за пътуване в хиперпространството е използвана в много филми от космическата опера, включително в известната сага "Междузвездни войни" и телевизионния сериал "Вавилон 5".

Сюжетът на филма "Междузвезден" се основава почти изцяло на идеята за по-високи измерения. Докато търсят подходяща планета, която да колонизират, героите преминават през червееви дупки в пространството - хиперпространствен тунел, който води до друга система. А към края главният герой навлиза в свят на многоизмерно пространство, чрез което успява да предаде информация назад във времето. Филмът също така ясно показва връзката между пространството и времето, изведена от Айнщайн: времето тече по-бавно за астронавтите, отколкото за героите на Земята.

Във филма "Куб 2: Хиперкуб" героите се озовават в тесеракта. Теорията на висшите измерения нарича това многоизмерен куб. В търсене на изход те се озовават в паралелни вселени, където се сблъскват със своите алтернативни версии на.

Идеята за многомерното пространство остава фантастична и недоказана. Въпреки това днес тя е много по-близка и реална, отколкото преди няколко десетилетия. Вероятно през следващия век учените ще открият начин да се движат в по-високи измерения и следователно да пътуват в паралелни светове. Но дотогава хората ще фантазират много по тази тема, измисляйки изненадващи истории.