Қазіргі кездегі теориялық физиканың негізгі міндеттерінің бірі – жоғары өлшемдер бар ма деген сұраққа жауап табу. Кеңістік шын мәнінде тек ұзындық, ен және биіктіктен тұрады ма, әлде бұл адамның қабылдауының шектелуі ме? Мыңдаған жылдар бойы ғалымдар көп өлшемді кеңістіктің болуы идеясын үзілді-кесілді жоққа шығарды. Дегенмен, ғылыми-техникалық революция көп өзгерді және бүгінгі күні ғылым жоғары өлшемдер мәселесінде соншалықты категориялық емес.
«Көпөлшемді кеңістік» ұғымының мәні неде?
Адам үш өлшемнен тұратын әлемде өмір сүреді. Кез келген объектінің координаталарын үш мәнмен көрсетуге болады. Ал кейде екеуі - жер бетіндегі нәрсеге келгенде.
Ұзындық, ені және биіктігі жердегі объектілерді де, аспан денелерін де - планеталарды, жұлдыздарды және галактикаларды сипаттау үшін пайдаланылуы мүмкін. Олар микроәлемді мекендейтін заттарға – молекулаларға, атомдарға және қарапайым заттарға да жеткіліктібөлшектер. Төртінші өлшем уақыт болып саналады.
Көпөлшемді кеңістікте кемінде бес өлшем болуы керек. Қазіргі теориялық физика әртүрлі өлшемдері бар кеңістіктер үшін көптеген теорияларды әзірледі – 26-ға дейін. Сондай-ақ өлшемдердің шексіз саны бар кеңістікті сипаттайтын теория бар.
Евклидтен Эйнштейнге
Антикалық, орта ғасырлар мен жаңа заманның физиктері мен математиктері жоғары өлшемдердің болуы мүмкіндігін үзілді-кесілді жоққа шығарды. Кейбір математиктер тіпті үш параметр бойынша кеңістіктің шектелуінің негіздемесін шығарды. Евклидтік геометрия тек үш өлшемді қабылдады.
Жалпы салыстырмалылық теориясы пайда болғанға дейін ғалымдар көп өлшемді кеңістікті теорияларды зерттеуге және алға жылжытуға лайық емес пән деп санады. Альберт Эйнштейн үш өлшемді төртінші өлшеммен біріктіріп, кеңістік-уақыт ұғымдарын тұжырымдаған кезде бұл мәселедегі уақыт, сенімділік бірден жоғалып кетті.
Салыстырмалылық теориясы уақыт пен кеңістіктің бөлек және тәуелсіз заттар емес екенін дәлелдейді. Мысалы, егер ғарышкерлер ұзақ уақыт бойы жоғары жылдамдықпен қозғалатын кемеге отырса, Жерге оралған кезде олар өздерінің құрдастарынан жас болады. Себебі, олар үшін жердегі адамдарға қарағанда аз уақыт өтеді.
Калуза-Кляйн теориясы
1921 жылы неміс математигі Теодор Калуза салыстырмалылық теориясының теңдеулерін пайдалана отырып, мынадай теория жасады:алғаш рет гравитация мен электромагнетизмді біріктірді. Бұл теория бойынша кеңістікте бес өлшем бар (соның ішінде уақыт).
1926 жылы швед физигі Оскар Клейн Калуза сипаттаған бесінші өлшемнің көрінбеуінің негіздемесін шығарды. Ол үлкен өлшемдердің Планк мәні деп аталатын және 10-35 болатын керемет шағын мәнге дейін қысылуынан тұрды. Кейіннен бұл көпөлшемді кеңістіктің басқа теорияларының негізі болды.
Жіп теориясы
Теориялық физиканың бұл саласы ең перспективалы болып табылады. Жіп теориясы жалпы салыстырмалық теориясы пайда болғаннан бері физиктер іздеген нәрсе деп мәлімдейді. Бұл бәрінің теориясы деп аталады.
Екі негізгі физикалық принцип – салыстырмалылық теориясы мен кванттық механика – бір-бірімен шешілмейтін қайшылықта. Барлығының теориясы - бұл парадоксты түсіндіре алатын гипотетикалық тұжырымдама. Өз кезегінде, жолдар теориясы бұл рөлге көбірек сәйкес келеді.
Оның мәні мынада: дүние құрылымының субатомдық деңгейінде бөлшектер қарапайым ішектердің, мысалы, скрипканың тербелісіне ұқсас тербеледі. Бұл теория өз атауын алды. Сонымен қатар, бұл жолдардың өлшемдері өте кішкентай және Планк ұзындығының айналасында ауытқиды - Калуза-Кляйн теориясында кездесетін бірдей. Егер атом галактика өлшеміне дейін ұлғайса, онда жіп тек ересек ағаштың өлшеміне жетеді. Жолдар теориясы тек көп өлшемді кеңістікте жұмыс істейді. Және бірнешеу барнұсқалары. Кейбіреулері 10 өлшемді кеңістікті қажет етеді, ал басқалары 26 өлшемді кеңістікті қажет етеді.
Жіптер теориясын пайда болған кезде физиктер үлкен күмәнмен қабылдады. Бірақ бүгінгі күні бұл ең танымал және оны әзірлеумен көптеген теориялық физиктер айналысады. Дегенмен, теорияның ережелерін тәжірибе жүзінде дәлелдеу әлі мүмкін емес.
Гильберт кеңістігі
Жоғары өлшемдерді сипаттайтын тағы бір теория - Гильберт кеңістігі. Оны неміс математигі Давид Гильберт интегралдық теңдеулер теориясымен жұмыс істеу кезінде сипаттаған.
Гильберт кеңістігі – Евклид кеңістігінің шексіз өлшемдегі қасиеттерін сипаттайтын математикалық теория. Яғни, бұл өлшемдердің шексіз саны бар көп өлшемді кеңістік.
Ғылыми фантастикадағы гиперкеңістік
Көпөлшемді кеңістік идеясы көптеген ғылыми-фантастикалық сюжеттерге әкелді - әдеби және кинематографиялық.
Осылайша, Дэн Симмонстың «Гиперион әндері» тетралогиясында адамзат объектілерді ұзақ қашықтыққа лезде тасымалдауға қабілетті гиперкеңістіктік нөлдік порталдар желісін пайдаланады. Роберт Хайнлейннің «Жұлдызды кемелер» фильмінде сарбаздар саяхаттау үшін гиперкеңістікті де пайдаланады.
Гиперғарышқа ұшу идеясы көптеген ғарыштық опералық фильмдерде, соның ішінде әйгілі «Жұлдызды соғыстар» дастаны мен «Вавилон 5» телехикаясында қолданылған.
«Жұлдыздар аралық» фильмінің сюжеті толығымен дерлік идеямен байланыстыжоғары өлшемдер. Отарлау үшін қолайлы планетаны іздеп, кейіпкерлер басқа жүйеге апаратын құрт саңылаулары - гиперғарыштық туннель арқылы ғарыш арқылы саяхаттайды. Ал соңына қарай басты кейіпкер көп өлшемді кеңістік әлеміне енеді, оның көмегімен ол өткенге ақпаратты тасымалдай алады. Фильм сонымен қатар Эйнштейн тұжырымдаған кеңістік пен уақыт арасындағы байланысты анық көрсетеді: ғарышкерлер үшін уақыт Жердегі кейіпкерлерге қарағанда баяу өтеді.
"Куб 2: Гиперкуб" фильмінде кейіпкерлер тессеракттың ішінде болады. Сонымен жоғары өлшемдер теориясында көпөлшемді куб деп аталады. Шығудың жолын іздеп, олар параллельді ғаламдарда кездеседі, олар өздерінің баламалы нұсқаларын кездестіреді.
Көпөлшемді кеңістік идеясы әлі де фантастикалық және дәлелденбеген. Дегенмен, бүгінгі күні ол бірнеше ондаған жылдар бұрынғыға қарағанда әлдеқайда жақын және шынайы. Келесі ғасырда ғалымдар жоғары өлшемдерде қозғалудың және, демек, параллель әлемдерде саяхаттаудың жолын табуы әбден мүмкін. Осы уақытқа дейін адамдар таңғажайып оқиғаларды ойлап тауып, осы тақырып туралы көп қиялдайтын болады.
