Một trong những nhiệm vụ chính của vật lý lý thuyết ngày nay là tìm ra câu trả lời cho câu hỏi liệu có những chiều không gian cao hơn hay không. Không gian thực sự chỉ bao gồm chiều dài, chiều rộng và chiều cao, hay nó chỉ là một giới hạn trong nhận thức của con người? Trong nhiều thiên niên kỷ, các nhà khoa học đã bác bỏ mạnh mẽ ý tưởng về sự tồn tại của một không gian đa chiều. Tuy nhiên, cuộc cách mạng khoa học và công nghệ đã thay đổi rất nhiều, và ngày nay khoa học không còn phân biệt rạch ròi về vấn đề chiều cao hơn nữa.
Bản chất của khái niệm "không gian đa chiều" là gì?
Con người sống trong một thế giới bao gồm ba chiều. Tọa độ của bất kỳ đối tượng nào có thể được biểu thị bằng ba giá trị. Và đôi khi là hai - khi nói đến những gì trên bề mặt Trái đất.
Chiều dài, chiều rộng và chiều cao có thể được sử dụng để mô tả cả các vật thể trên mặt đất và các thiên thể - hành tinh, sao và thiên hà. Chúng cũng đủ cho những thứ sinh sống trong mô hình thu nhỏ - phân tử, nguyên tử vàvật rất nhỏ. Chiều thứ tư được coi là thời gian.
Phải có ít nhất năm chiều trong không gian đa chiều. Vật lý lý thuyết hiện đại đã phát triển nhiều lý thuyết cho các không gian với các chiều khác nhau - lên đến 26. Ngoài ra còn có một lý thuyết mô tả một không gian với số chiều vô hạn.
Từ Euclid đến Einstein
Các nhà vật lý và toán học thời Cổ đại, Trung cổ và Hiện đại đã phủ nhận một cách rõ ràng khả năng tồn tại của các chiều không gian cao hơn. Một số nhà toán học thậm chí còn suy luận ra sự biện minh cho giới hạn của không gian bởi ba tham số. Hình học Euclid giả định chỉ có ba chiều.
Trước khi thuyết tương đối rộng ra đời, các nhà khoa học thường coi không gian đa chiều là một chủ đề không đáng để nghiên cứu và phát triển lý thuyết. Khi Albert Einstein xây dựng các khái niệm về không-thời gian, kết hợp ba chiều với thứ tư, thời gian, sự chắc chắn về vấn đề này ngay lập tức biến mất.
Thuyết tương đối chứng minh rằng thời gian và không gian không phải là những thứ riêng biệt và độc lập. Ví dụ, nếu các phi hành gia lên một con tàu di chuyển với tốc độ cao trong thời gian dài, thì khi trở về Trái đất, họ sẽ trẻ hơn so với các bạn cùng lứa tuổi. Lý do là thời gian dành cho họ sẽ ít hơn con người trên Trái đất.
Thuyết Kaluza-Klein
Năm 1921, nhà toán học người Đức Theodor Kaluza, sử dụng các phương trình của thuyết tương đối, đã tạo ra một lý thuyếtmà lần đầu tiên kết hợp trọng lực và điện từ. Theo lý thuyết này, không gian có năm chiều (bao gồm cả thời gian).
Năm 1926, nhà vật lý người Thụy Điển Oscar Klein đã suy luận ra lý do cho khả năng tàng hình của chiều thứ năm, được mô tả bởi Kaluza. Nó bao gồm thực tế là các kích thước cao hơn được nén thành một giá trị cực kỳ nhỏ, được gọi là giá trị Planck và là 10-35. Sau đó, điều này hình thành nền tảng của các lý thuyết khác về không gian đa chiều.
Lý thuyết chuỗi
Lĩnh vực vật lý lý thuyết này cho đến nay là hứa hẹn nhất. Lý thuyết dây khẳng định là thứ mà các nhà vật lý đã tìm kiếm kể từ khi thuyết tương đối rộng ra đời. Đây là cái gọi là lý thuyết về mọi thứ.
Thực tế là hai nguyên lý vật lý cơ bản - lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử - mâu thuẫn không thể giải quyết được với nhau. Lý thuyết về mọi thứ là một khái niệm giả thuyết có thể giải thích nghịch lý này. Đổi lại, lý thuyết dây phù hợp hơn với vai trò này.
Bản chất của nó là ở cấp độ hạ nguyên tử của cấu trúc của thế giới, các hạt rung động, tương tự như sự rung động của dây thông thường, ví dụ, một cây đàn vi-ô-lông. Đây là nơi lý thuyết được đặt tên. Hơn nữa, kích thước của những sợi dây này cực kỳ nhỏ và dao động xung quanh độ dài Planck - giống như kích thước xuất hiện trong lý thuyết Kaluza-Klein. Nếu một nguyên tử được phóng to bằng kích thước của một thiên hà, thì chuỗi sẽ chỉ đạt đến kích thước của một cây trưởng thành. Lý thuyết dây chỉ hoạt động trong không gian nhiều chiều. Và có một sốcác phiên bản. Một số yêu cầu không gian 10 chiều, trong khi những người khác yêu cầu không gian 26 chiều.
Vào thời điểm ra đời, lý thuyết dây được các nhà vật lý học với sự hoài nghi lớn lao. Nhưng ngày nay nó là phổ biến nhất, và nhiều nhà vật lý lý thuyết đang tham gia vào sự phát triển của nó. Tuy nhiên, vẫn chưa thể chứng minh các điều khoản của lý thuyết bằng thực nghiệm.
Không gian Hilbert
Một lý thuyết khác mô tả các chiều cao hơn là không gian Hilbert. Nó được nhà toán học người Đức David Hilbert mô tả trong khi nghiên cứu lý thuyết về phương trình tích phân.
Không gian Hilbert là một lý thuyết toán học mô tả các tính chất của không gian Euclide trong chiều vô hạn. Nghĩa là, nó là một không gian đa chiều với vô số chiều.
Khoảng trống trong khoa học viễn tưởng
Ý tưởng về không gian đa chiều đã dẫn đến nhiều âm mưu khoa học viễn tưởng - cả văn học và điện ảnh.
Vì vậy, trong bộ tứ "Bài hát của Hyperion" của Dan Simmons, nhân loại sử dụng một mạng lưới các cổng rỗng siêu không gian có khả năng chuyển các vật thể ngay lập tức qua một khoảng cách xa. Trong Đội quân Phi thuyền của Robert Heinlein, những người lính cũng sử dụng siêu không gian để di chuyển.
Ý tưởng về chuyến bay siêu không gian đã được sử dụng trong nhiều bộ phim opera không gian, bao gồm cả Star Wars saga nổi tiếng và loạt phim truyền hình Babylon 5.
Cốt truyện của bộ phim "Interstellar" gần như hoàn toàn gắn liền với ý tưởngkích thước cao hơn. Để tìm kiếm một hành tinh thích hợp để thuộc địa, các anh hùng du hành xuyên không gian thông qua các lỗ sâu - một đường hầm siêu không gian dẫn đến một hệ thống khác. Và về cuối, nhân vật chính bước vào thế giới không gian đa chiều, với sự giúp đỡ của anh ta để chuyển thông tin về quá khứ. Bộ phim cũng cho thấy rõ ràng mối liên hệ giữa không gian và thời gian, theo suy luận của Einstein: đối với các phi hành gia, thời gian trôi chậm hơn so với các nhân vật trên Trái đất.
Trong bộ phim "Cube 2: Hypercube", các nhân vật thấy mình bên trong một mảnh tinh hoàn. Vì vậy trong lý thuyết các chiều cao hơn được gọi là hình lập phương nhiều chiều. Để tìm một lối thoát, họ thấy mình ở trong các vũ trụ song song, nơi họ gặp các phiên bản thay thế của mình.
Ý tưởng về một không gian đa chiều vẫn còn tuyệt vời và chưa được chứng minh. Tuy nhiên, ngày nay nó gần hơn và thực hơn nhiều so với vài thập kỷ trước. Rất có thể trong thế kỷ tới, các nhà khoa học sẽ khám phá ra cách di chuyển trong các chiều không gian cao hơn và do đó, du hành trong các thế giới song song. Cho đến lúc đó, mọi người sẽ mơ tưởng rất nhiều về chủ đề này, tạo ra những câu chuyện tuyệt vời.
