Že davno je veliki Italijan Galileo Galilei pokazal, da je s pomočjo matematičnih formul mogoče zanesljivo opisati celo tiste procese, ki so zunaj naše percepcije. Od takrat znanstveniki poskušajo ustvariti nekakšno fizično in matematično "teorijo vsega", ki bi elegantno opisala Vesolje ob upoštevanju znanih interakcij.
PETA DIMENZIJA
Isaac Newton je odprl novo obdobje v zgodovini znanosti, saj je leta 1684 oblikoval svoje tri znane zakone mehanike. Toda hkrati sploh ni razmišljal o tem, kako delujejo opisane sile in kakšna je njihova narava.
Newtonovi zakoni so bili v omejeni rabi. Nikakor jih ni bilo mogoče uporabiti za opis takšnih pojavov, kot so elektrika, magnetizem in optični učinki. Konec 19. stoletja so bili vsi ti trije pojavi uspešno združeni z uporabo enačb Jamesa Maxwella v koherentno vedo o elektrodinamiki in znanstveniki so resno upali, da so blizu ustvarjanja "teorije o vsem". Kmalu se je tega vprašanja lotil Albert Einstein, ki je formuliral posebno (1905) in splošno (1916) teorijo relativnosti, ki je zahtevala revizijo newtonske fizike. Ker so Einsteinovo odkritje potrdili s preprostimi vizualnimi opazovanji, ga je znanstvena skupnost sprejela brez kakršnega koli ugovora. Einstein je menil, da bo za oblikovanje "teorije vsega" dovolj, da se vzpostavi povezava med elektromagnetizmom in gravitacijo. Toda hitro je sprejel zaključke.
Leta 1921 je nemškemu fiziku Theodorju Kaluzeju uspelo formalno združiti enačbe splošne relativnosti s klasičnimi Maxwellovimi enačbami, vendar je moral za to poleg štirih znanih (tri dimenzije prostora in en čas) vnesti še dodatno peto dimenzijo. Ta ideja se je sprva zdela nora, a je pet let pozneje utemeljitev "neopazljivosti" pete dimenzije predlagal Šveđanin Oskar Klein.
Zdelo se je, da se vse začne zbliževati, in tu so nova odkritja s področja fizike elementarnih delcev in pojav kvantne mehanike postavila pod vprašaj tako preprost pristop.
Promocijski video:
MULTI-DIMENZIONALNI SVET
Sodobna fizika zahteva hipotetično "teorijo vsega" za združitev trenutno znanih štirih temeljnih interakcij: gravitacijske interakcije, elektromagnetne interakcije, močne jedrske interakcije, šibke jedrske interakcije. Poleg tega mora razložiti obstoj vseh elementarnih delcev in njihove razlike med seboj.
Poskusi kombiniranja več interpretacij opazovanih interakcij so se nadaljevali skozi 20. stoletje. Sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja se je celo izkazalo, da so združili tri medsebojne vplive, poleg najpomembnejše in dane nam v občutkih - gravitacijo. Toda tudi ta "okrnjena" teorija ni dobila eksperimentalne potrditve.
Nadaljnji poskusi razumevanja, kako je vesolje urejeno na osnovni ravni, so privedli do dejstva, da so se morali fiziki spomniti pozabljene teorije Kaluzei-Klein in v svoje formule vnesti dodatne dimenzije. Izkazalo se je, da se vse zbliža, če sprejmemo hipotezo, da Vesolje nima štiri ali ne pet, temveč deset dimenzij. Kasneje se je pojavila M-teorija, ki deluje v enajstih dimenzijah, sledila je F-teorija, v kateri se pojavlja dvanajst dimenzij. Mogoče bi si lahko mislili, da uvedba dodatnih dimenzij, ki si jih sploh ne moremo predstavljati, zapletati, toda na ravni čiste matematike se izkaže, da nasprotno poenostavlja. In problem percepcije je povezan le z navado: včasih so ljudje vedeli o vakuumu in breztežnosti, zdaj pa ima vsak šolar, ki sanja, da bi postal astronavt.
Ali je mogoče v praksi nekako razkriti temeljni odnos v večdimenzionalnem prostoru? Izkazalo se je, da lahko. Prav to počnejo zagovorniki tako imenovane teorije strun.
KOLIČINA NITI
"Strune" kot temeljne tvorbe so bile uvedene v fiziko osnovnih delcev, da bi razložile strukturo pi-mezonov - delcev, katerih močna interakcija naredi jedrska jedra v eno celoto. Napovedovali so obstoj takšnih delcev, sami pa so bili odkriti leta 1947 pri preučevanju kozmičnih žarkov. Učinki, opaženi pri trčenju pi mesonov, so omogočili, da je bila predstavljena ideja, da jih povezuje "neskončno tanka nihajna nit". Ideja mi je bila všeč in takoj so se pojavili matematični modeli, v katerih so vsi osnovni delci opisani kot enodimenzionalni nizi, ki vibrirajo z določenimi frekvencami.
Teorija strun se je začela razvijati in zelo hitro je postalo jasno, da se "strogost" uresničuje le v prostorih, v katerih je število dimenzij a priori več kot štiri. Teorijo so poskušali uporabiti na različnih hipotetičnih konstrukcijah, kot so tahion (delec, katerega hitrost presega hitrost svetlobe), graviton (kvant gravitacijskega polja) in bozon (delček mase), vendar brez večjega uspeha.
Še v osemdesetih letih so fiziki po dolgih razpravah prišli do zaključka, da teorija strun lahko opiše vse elementarne delce in interakcije med njimi. Na njem je začelo delati na stotine znanstvenikov. Kmalu se je pokazalo, da so različne različice teorije strun izvedljive, če predstavljajo omejujoče primere M-teorije, ki delujejo v enajstih dimenzijah. In čeprav je delo še daleč od zaključka, so fiziki nagnjeni k prepričanju, da so na pravi poti.
Tu je treba razložiti, kako v teoriji strun izgleda večdimenzionalnost vesolja.
Prva možnost je "zbijanje" dodatnih dimenzij, kar pomeni, da so zaprti nase na tako majhnih razdaljah, da jih ni mogoče eksperimentalno zaznati. Fiziki o tem govorijo tako. Če vrtno cev na travi opazujete od daleč, bo videti, da ima le eno dimenzijo - dolžino. Če pa greste k njemu, boste našli še dva. Podobno lahko dodatne dimenzije prostora zaznamo le z izjemno velike razdalje in to presega zmogljivosti instrumentov.
Druga možnost je "lokalizacija" meritev. Niso tako majhni kot v prvem primeru, toda iz nekega razloga so vsi delci našega sveta lokalizirani na štiridimenzionalnem listu (brane) v večdimenzionalnem vesolju in ga ne morejo zapustiti. Ker smo vsi in naše naprave sestavljeni iz navadnih delcev, v bistvu nimamo možnosti, da vidimo, kaj je zunaj. Edini način zaznavanja prisotnosti dodatnih dimenzij je gravitacija, ki ni lokalizirana na brani, zato lahko gravitoni in mikroskopske črne luknje gredo zunaj. V svetu, ki nam je znan, bo tak postopek izgledal kot nenadno izginotje energije, ki jo nosijo ti predmeti.
Čeprav velja, da teorija strun ne bo nikoli eksperimentalno potrjena, so fiziki razvili več eksperimentov, ki lahko posredno kažejo, da je pravilna. Med njimi je določitev odstopanj v zakonu univerzalne gravitacije na razdaljah, ki jih urejata stotine milimetra. Drug način je pritrditev gravitonov in mikroskopskih črnih lukenj na Velikem hadronskem trkalniku. Tretji del je opazovanje "kozmičnih strun", ki se raztezajo do medgalaktičnih dimenzij in imajo najmočnejše gravitacijsko polje. Morda bo eden od teh poskusov v bližnji prihodnosti prinesel pozitivne rezultate.
CENTER UNIVERZE
Leta 2003 so fiziki ugotovili, da obstaja več načinov za zmanjšanje teorij desetrazsežnih nizov na štiri dimenzije. Poleg tega sama teorija ne vsebuje merila za prednost možne poti. Vsaka od možnosti ustvari svoj štiridimenzionalni svet, ki je lahko podoben ali se lahko bistveno razlikuje od opazovanega Vesolja. Izkaže se, da je število takšnih možnosti skoraj neskončno: približno 10.500 (od deset do petstoto moči). Kaj naredi naš svet takšen, kot je?
Kmalu je bilo predlagano, da odgovor lahko dobimo le z vključitvijo osebe v to sliko - obstajamo natanko v Vesolju, v katerem je možen naš obstoj. V nobenem drugem primeru teh vrstic preprosto ne bi brali.
Anton Pervušin