Een van de belangrijkste taken van de theoretische fysica van vandaag is het vinden van een antwoord op de vraag of er hogere dimensies zijn. Bestaat ruimte echt alleen uit lengte, breedte en hoogte, of is het slechts een beperking van de menselijke waarneming? Millennia lang hebben wetenschappers het idee van het bestaan van een multidimensionale ruimte sterk verworpen. De wetenschappelijke en technologische revolutie is echter veel veranderd, en tegenwoordig is de wetenschap niet meer zo categorisch over de kwestie van hogere dimensies.
Wat is de essentie van het concept van "multidimensionale ruimte"?
De mens leeft in een wereld die uit drie dimensies bestaat. De coördinaten van elk object kunnen worden uitgedrukt in drie waarden. En soms twee - als het gaat om wat zich op het aardoppervlak bevindt.
Lengte, breedte en hoogte kunnen worden gebruikt om zowel aardse objecten als hemellichamen te beschrijven - planeten, sterren en sterrenstelsels. Ze zijn ook genoeg voor dingen die de microkosmos bewonen - moleculen, atomen en elementairedeeltjes. De vierde dimensie wordt beschouwd als tijd.
Er moeten minstens vijf dimensies zijn in een multidimensionale ruimte. De moderne theoretische natuurkunde heeft veel theorieën ontwikkeld voor ruimtes met verschillende dimensies - tot 26. Er is ook een theorie die een ruimte beschrijft met een oneindig aantal dimensies.
Van Euclides tot Einstein
Natuurkundigen en wiskundigen van de oudheid, de middeleeuwen en de moderne tijd ontkenden categorisch de mogelijkheid van het bestaan van hogere dimensies. Sommige wiskundigen leidden zelfs een rechtvaardiging voor de beperking van de ruimte af met drie parameters. Euclidische meetkunde nam slechts drie dimensies aan.
Vóór de komst van de algemene relativiteitstheorie beschouwden wetenschappers de multidimensionale ruimte over het algemeen als een onderwerp dat onwaardig is voor studie en het bevorderen van theorieën. Toen Albert Einstein de concepten van ruimte-tijd formuleerde, drie dimensies combinerend met de vierde, tijd, verdween de zekerheid in deze kwestie onmiddellijk.
De relativiteitstheorie bewijst dat tijd en ruimte geen afzonderlijke en onafhankelijke dingen zijn. Als astronauten bijvoorbeeld aan boord gaan van een schip dat lange tijd met hoge snelheid beweegt, dan zullen ze bij terugkeer naar de aarde jonger zijn dan hun leeftijdsgenoten. De reden is dat er voor hen minder tijd zal verstrijken dan voor mensen op aarde.
Kaluza-Klein theorie
In 1921 creëerde de Duitse wiskundige Theodor Kaluza, met behulp van de vergelijkingen van de relativiteitstheorie, een theorie diedie voor het eerst zwaartekracht en elektromagnetisme combineerden. Volgens deze theorie heeft ruimte vijf dimensies (inclusief tijd).
In 1926 leidde de Zweedse natuurkundige Oscar Klein de rechtvaardiging af voor de onzichtbaarheid van de vijfde dimensie, beschreven door Kaluza. Het bestond uit het feit dat de hogere dimensies worden gecomprimeerd tot een ongelooflijk kleine waarde, die de Planck-waarde wordt genoemd en 10-35 is. Dit vormde vervolgens de basis van andere theorieën over multidimensionale ruimte.
Snaartheorie
Dit gebied van theoretische fysica is verreweg het meest veelbelovend. Snaartheorie beweert te zijn waar natuurkundigen naar op zoek zijn sinds de komst van de algemene relativiteitstheorie. Dit is de zogenaamde theorie van alles.
Feit is dat twee fundamentele natuurkundige principes - de relativiteitstheorie en de kwantummechanica - in onoplosbare tegenspraak met elkaar zijn. De theorie van alles is een hypothetisch concept dat deze paradox zou kunnen verklaren. Op zijn beurt is de snaartheorie meer geschikt voor deze rol.
De essentie ervan is dat op het subatomaire niveau van de structuur van de wereld, deeltjes trillen, vergelijkbaar met de vibratie van gewone snaren, bijvoorbeeld een viool. Hier heeft de theorie zijn naam aan te danken. Bovendien zijn de afmetingen van deze snaren extreem klein en fluctueren ze rond de Planck-lengte - dezelfde die voorkomt in de Kaluza-Klein-theorie. Als een atoom wordt vergroot tot de grootte van een sterrenstelsel, dan zal de string alleen de grootte van een volwassen boom bereiken. Snaartheorie werkt alleen in de multidimensionale ruimte. En er zijn er meerdereversies. Sommige hebben een 10-dimensionale ruimte nodig, terwijl andere een 26-dimensionale ruimte nodig hebben.
Tijdens het begin werd de snaartheorie door natuurkundigen met grote scepsis waargenomen. Maar tegenwoordig is het de meest populaire, en veel theoretische fysici zijn bezig met de ontwikkeling ervan. Het is echter nog niet mogelijk om de bepalingen van de theorie experimenteel te bewijzen.
Hilbert-ruimte
Een andere theorie die hogere dimensies beschrijft, is de Hilbertruimte. Het werd beschreven door de Duitse wiskundige David Hilbert terwijl hij aan de theorie van integraalvergelijkingen werkte.
Hilbertruimte is een wiskundige theorie die de eigenschappen van de Euclidische ruimte in oneindige dimensies beschrijft. Dat wil zeggen, het is een multidimensionale ruimte met een oneindig aantal dimensies.
Hyperruimte in sciencefiction
Het idee van een multidimensionale ruimte heeft geresulteerd in veel sciencefictionplots - zowel literair als filmisch.
Dus, in Dan Simmons' "Songs of Hyperion" tetralogie, gebruikt de mensheid een netwerk van hyperruimtelijke nul-portalen die in staat zijn om objecten onmiddellijk over een lange afstand te verplaatsen. In Robert Heinlein's Starship Troopers gebruiken soldaten ook hyperspace om te reizen.
Het idee van een hyperruimtevlucht is gebruikt in veel ruimteoperafilms, waaronder de beroemde Star Wars-saga en de tv-serie Babylon 5.
De plot van de film "Interstellar" is bijna volledig verbonden met het ideehogere dimensies. Op zoek naar een geschikte planeet voor kolonisatie reizen de helden door de ruimte door wormgaten - een hyperruimtetunnel die naar een ander systeem leidt. En tegen het einde betreedt de hoofdpersoon de wereld van de multidimensionale ruimte, met behulp waarvan hij informatie naar het verleden weet over te dragen. De film toont ook duidelijk het verband tussen ruimte en tijd, afgeleid door Einstein: voor astronauten verstrijkt de tijd langzamer dan voor karakters op aarde.
In de film "Cube 2: Hypercube" bevinden de personages zich in een tesseract. Dus in de theorie van hogere dimensies wordt een multidimensionale kubus genoemd. Op zoek naar een uitweg komen ze terecht in parallelle universums, waar ze hun alternatieve versies ontmoeten.
Het idee van een multidimensionale ruimte is nog steeds fantastisch en onbewezen. Tegenwoordig is het echter veel dichterbij en reëler dan een paar decennia geleden. Het is heel goed mogelijk dat wetenschappers in de volgende eeuw een manier zullen ontdekken om zich in hogere dimensies te verplaatsen en daarom in parallelle werelden te reizen. Tot die tijd zullen mensen veel fantaseren over dit onderwerp en geweldige verhalen verzinnen.
