Cum este posibil ca universul să aibă mai multe dimensiuni

Teoria corzilor este o presupusă teorie a tuturor lucrurilor care, speră fizicienii, va explica într-o zi… totul.

Toate forțele, toate particulele, toate constantele, toate lucrurile sub un singur acoperiș teoretic, în care tot ceea ce vedem este rezultatul unor corzi minuscule, care vibrează. Teoreticienii lucrează la această idee încă din anii 1960, iar unul dintre primele lucruri de care și-au dat seama este că, pentru ca teoria să funcționeze, trebuie să existe mai multe dimensiuni decât cele patru cu care suntem obișnuiți.

Dar această idee nu este atât de nebunească pe cât pare.

Relaționat: Alternativele la teoria Big Bang-ului explicate (infografic)

Dezastru dimensional

În teoria corzilor, mici bucle de corzi vibrante (în teorie, ele sunt obiectul fundamental al realității) se manifestă ca diferite particule (electroni, quarci, neutrini etc.) și ca purtători de forță ai naturii (fotoni, gluoni, gravitoni etc.). Modul în care fac acest lucru este prin vibrațiile lor. Fiecare coardă este atât de mică încât nu ne apare decât ca o particulă punctiformă, dar fiecare coardă poate vibra cu moduri diferite, la fel cum se pot obține note diferite din coarda unei chitare.

Se crede că fiecare mod de vibrație este legat de un tip diferit de particulă. Astfel, toate corzile care vibrează într-un mod seamănă cu electronii, toate corzile care vibrează în alt mod seamănă cu fotonii, și așa mai departe. Ceea ce vedem ca și coliziuni de particule sunt, în viziunea teoriei corzilor, o grămadă de corzi care fuzionează împreună și se despart.

Dar pentru ca matematica să funcționeze, trebuie să existe mai mult de patru dimensiuni în universul nostru. Acest lucru se datorează faptului că spațiul-timp obișnuit al nostru nu oferă corzilor suficient „spațiu” pentru a vibra în toate modurile de care au nevoie pentru a se exprima pe deplin ca toate varietățile de particule din lume. Ele sunt pur și simplu prea constrânse.

Cu alte cuvinte, corzile nu doar se mișcă, ci se mișcă în mod hiperdimensional.

Versiunile actuale ale teoriei corzilor necesită un total de 10 dimensiuni, în timp ce o ipotetică și mai ipotetică teorie a corzilor, cunoscută sub numele de teoria M, necesită 11 dimensiuni. Dar când ne uităm în jurul universului, vedem întotdeauna doar cele trei dimensiuni spațiale obișnuite plus dimensiunea timpului. Suntem destul de siguri că, dacă universul ar fi avut mai mult de patru dimensiuni, am fi observat până acum.

Cum se poate împăca cerința teoriei corzilor pentru dimensiuni suplimentare cu experiențele noastre de zi cu zi în univers?

Încurcate și compacte

Din fericire, teoreticienii corzilor au fost capabili să indice un antecedent istoric pentru această noțiune aparent radicală.

În 1919, la scurt timp după ce Albert Einstein și-a publicat teoria relativității generale, matematicianul și fizicianul Theodor Kaluza se juca cu ecuațiile, doar pentru distracție. Și a descoperit ceva deosebit de interesant atunci când a adăugat o a cincea dimensiune la ecuații – nu s-a întâmplat nimic. Ecuațiilor relativității nu le pasă cu adevărat de numărul de dimensiuni; este ceva ce trebuie adăugat pentru ca teoria să fie aplicabilă universului nostru.

Dar apoi Kaluza a adăugat o întorsătură specială la acea a cincea dimensiune, făcând-o să se înfășoare în jurul ei însăși în ceea ce el a numit „condiția cilindrului”. Această condiție a făcut să apară ceva nou: Kaluza a recuperat ecuațiile obișnuite ale relativității generale în cele patru dimensiuni obișnuite, plus o nouă ecuație care reproducea expresiile electromagnetismului.

Se părea că adăugarea dimensiunilor ar putea unifica potențial fizica.

În retrospectivă, aceasta a fost un pic o pistă falsă.

Cu toate acestea, câteva decenii mai târziu, un alt fizician, Oskar Klein, a încercat să dea ideii lui Kaluza o interpretare în termeni de mecanică cuantică. El a descoperit că, dacă această a cincea dimensiune exista și era responsabilă într-un fel de electromagnetism, acea dimensiune trebuia să fie micșorată, înfășurându-se în jurul ei însăși (la fel ca în ideea originală a lui Kaluza), dar mult mai mică, până la doar 10^-35 de metri.

Multele manifolduri ale teoriei corzilor

Dacă o dimensiune (sau dimensiuni) suplimentară(e) este într-adevăr atât de mică(e), nu am fi observat până acum. Este atât de mică încât nu am putea spera să o sondăm direct cu experimentele noastre de înaltă energie. Și dacă acele dimensiuni sunt înfășurate pe ele însele, atunci de fiecare dată când vă deplasați în spațiul cvadridimensional, de fapt ocoliți acele dimensiuni suplimentare de miliarde și miliarde de ori.

Și acelea sunt dimensiunile în care trăiesc corzile din teoria corzilor.

Cu o înțelegere matematică suplimentară, s-a descoperit că cele șase dimensiuni spațiale suplimentare necesare în teoria corzilor trebuie să fie înfășurate într-un anumit set de configurații, cunoscute sub numele de colectoare Calabi-Yao, după numele a doi fizicieni proeminenți. Dar nu există o singură manifoldă unică care să fie permisă de teoria corzilor.

Există în jur de 10^200.000.

Se pare că atunci când ai nevoie ca șase dimensiuni să se încolăcească pe ele însele și le dai aproape orice mod posibil de a face acest lucru, … se adună.

Sunt o mulțime de moduri diferite de a înfășura aceste dimensiuni suplimentare pe ele însele. Și fiecare configurație posibilă va afecta modul în care vibrează corzile din interiorul lor. Deoarece modurile în care vibrează corzile determină modul în care acestea se comportă aici, în lumea macroscopică, fiecare alegere de manifold conduce la un univers distinct, cu propriul set de fizică.

Deci doar un singur manifold poate da naștere lumii așa cum o experimentăm noi. Dar care dintre ele?

Din păcate, teoria corzilor nu ne poate da un răspuns, cel puțin nu încă. Problema este că teoria corzilor nu este finalizată – dispunem doar de diverse metode de aproximare care sperăm să se apropie de realitate, dar în acest moment nu avem nicio idee cât de mult avem dreptate. Așadar, nu avem nicio tehnologie matematică pentru a urmări lanțul, de la manifestul specific la vibrația specifică a corzilor până la fizica universului.

Răspunsul teoreticienilor corzilor este ceva numit Peisaj, un multivers al tuturor universurilor posibile prezise de diversele manifesturi, cu universul nostru ca fiind doar un punct printre multe altele.

Și iată unde se află astăzi teoria corzilor, undeva pe Peisaj.

• Teoria relativității a lui Einstein explicată (infografic)
• Imagini: Peering back to the Big Bang & universul timpuriu
• Ce urmează pentru cosmologie după descoperirea de referință a undelor gravitaționale?

Paul M. Sutter este astrofizician la SUNY Stony Brook și la Flatiron Institute, gazda emisiunii Ask a Spaceman și Space Radio și autorul cărții Your Place in the Universe.

Aflați mai multe ascultând episodul „Merită teoria corzilor? (Partea 3: Dimensiunea este destinul)” din cadrul podcastului Ask A Spaceman, disponibil pe iTunes și pe web la http://www.askaspaceman.com. Mulțumiri lui John C., Zachary H., @edit_room, Matthew Y., Christopher L., Krizna W., Sayan P., Neha S., Zachary H., Joyce S., Mauricio M., @shrenicshah, Panos T., Dhruv R., Maria A., Ter B., oiSnowy, Evan T., Dan M., Jon T., @twblanchard, Aurie, Christopher M., @unplugged_wire, Giacomo S., Gully F. pentru întrebările care au dus la acest articol! Puneți propria întrebare pe Twitter folosind #AskASpaceman sau urmărindu-l pe Paul @PaulMattSutter și facebook.com/PaulMattSutter.

Să ne urmăriți pe Twitter @Spacedotcom și pe Facebook.

.