Istnieje wiele zasadniczych pytań związanych z nauką, na które w zasadzie nie można spodziewać się znalezienia odpowiedzi. Są to pytania, wręcz filozoficzne, zaczynające się od nieznośnego słowa – Dlaczego? Dlaczego powstał świat? Dlaczego światło ma akurat taką prędkość? Dlaczego wszelkie parametry pozwalają na istnienie życia? Wymyślać można w nieskończoność, co pokazuje wyjątkową skłonność ludzkości do pytania o sens lub przyczynę. Dorzucę do listy jeszcze jedno: Dlaczego wszechświat ma akurat 3 wymiary przestrzenne?

Natura w pewien sposób pozwo­liła nam odsłonić już wiele swoich tajemnic, Jak daleko możemy zajść? Nie będziemy wiedzieć, aż nie spró­bu­jemy.
— Joseph Lykken
Tak naprawdę uważam, że w powyż­szym pytaniu czai się pułapka. Najpierw należy zapytać: czy aby na pewno rze­czy­wi­stość jest trój­wy­mia­rowa?

Stan rzeczy widoczny na pierwszy rzut oka nikogo nie dziwi. Każdy przed­miot może mieć długość, sze­ro­kość i wysokość. Do tego naukowcy dorzu­cają tzw. 4 wymiar, czyli wymiar czasowy*. Wyobraźmy sobie, że kosmos ulega dziwnej meta­mor­fo­zie, w efekcie której znika jeden z wymiarów. Dla nas, graczy, to sytuacja znajoma. Nagle uświa­da­miamy sobie co musiałby czuć Mario, PacMan, Super Frog i setka innych boha­te­rów znanych z wir­tu­al­nej klasyki. Jesteśmy abso­lut­nie płascy, nasze ruchy są bardzo ogra­ni­czone: góra, dół, lewo, prawo. Czy poczu­li­by­śmy jaką­kol­wiek różnicę w porów­na­niu do stanu poprzed­niego? Być może, trudno to empi­rycz­nie zbadać. Pokuszę się jednak o stwier­dze­nie, że jeśli uro­dzi­li­by­śmy się w dwu­wy­mia­ro­wym świecie, to nie czu­li­by­śmy żadnego skrę­po­wa­nia. Nie zdzi­wi­łoby nas, że niczym sym­pa­tyczny hydrau­lik musimy każdą prze­szkodę prze­ska­ki­wać, gdyż nie ma moż­li­wo­ści by ją obejść bokiem. Wręcz trudno ocze­ki­wać od dwu­wy­mia­ro­wej istoty aby mogła rozumieć jak działa trój­wy­mia­rowa rze­czy­wi­stość. Płaskie dzieci nie uczyłyby się w szkołach o sze­ścia­nach, walcach i kulach. Aż ciekawe jak dzia­łałby płaski globus. Nawet gdyby płaskim naukow­com udało się obliczyć model trój­wy­mia­ro­wej prze­strzeni, to i tak mieliby problemy z wyobra­że­niem sobie brył, nie mówiąc już o nie­moż­li­wo­ści ich skon­stru­owa­nia.
mario3d
Aby zro­zu­mieć jak wielki wpływ na rozu­mie­nie rze­czy­wi­sto­ści ma postrze­ga­nie wymiarów, wyobraźmy sobie teraz, że umiemy wyska­ki­wać z pła­skiego uni­wer­sum, albo, że nasz Mario potrafi “oderwać” się na chwilę od ekranu monitora. W tym momencie dzieją się rzeczy, z punktu widzenia innych dwu­wy­mia­ro­wych istot, prze­dziwne. Mario, omija prze­ciw­nika wyska­ku­jąc w wyższy wymiar! Zasko­czony grzybek praw­do­po­dob­nie widzi jak bohater znika i pojawia się za nim. Podobnie, gdybyśmy byli garstką jedynych ludzi mogących wyska­ki­wać poza dwu­wy­mia­rowy świat, zyska­li­by­śmy moc niemal boską. Mówimy o tak zwanym stopniu swobody. Im więcej wymiarów do dys­po­zy­cji, tym więcej stopni swobody i tym więcej potra­fimy zrobić. Bez prze­szkód mogli­by­śmy omijać prze­szkody i stawać się nie­wi­dzialni. Dla płaskich miesz­kań­ców, dosłow­nie zni­ka­li­by­śmy z obser­wo­wal­nego wszech­świata.

Krzyż na obrazie jest niczym innym jak trój­wy­mia­rową siatką hiper­sze­ścianu.

Skoro potra­fimy wyobra­zić sobie świat o nie­ty­po­wej, mniej­szej liczbie wymiarów, to dlaczego nie pomyśleć o prze­strzeni od nad­mia­ro­wej ilości wymiarów? Jest to bardzo trudne. Ewo­lu­owa­li­śmy w ten sposób, że nawet gdyby 4 wymiar był tuż obok, to i tak praw­do­po­dob­nie nie wyczu­li­by­śmy go. Jednak z pomocą przy­cho­dzą nam modele mate­ma­tyczne i geo­me­tryczne. Skoro potra­fimy przed­sta­wić w formie dwu­wy­mia­ro­wej siatki, trój­wy­mia­rowe bryły, to ana­lo­gicz­nie możemy spró­bo­wać roz­ry­so­wać hiper­bryłę. Naj­prost­szą czte­ro­wy­mia­rową figurą wydaje się być tesserak, czyli hiper­sze­ścian. Co ciekawe trój­wy­mia­rowy plan hiper­sze­ścianu, złożony ze zbioru sze­ścia­nów, można zaob­ser­wo­wać na obrazie Salva­dora Dali, który zamie­ści­łem powyżej. Drugim sposobem przed­sta­wie­nia czte­ro­wy­mia­ro­wej bryły jest stwo­rze­nie dyna­micz­nego modelu, pod­le­ga­ją­cego geo­me­trycz­nym prze­obra­że­niom.
Hiper­prze­strzeń okazuje się inte­re­su­jącą sprawą, trzeba było jednak zasta­no­wić się, czy ma jakie­kol­wiek zasto­so­wa­nie. Już na początku XX wieku, mate­ma­tyk z Królewca, Teodor Kaluza, zapro­po­no­wał model pię­cio­wy­mia­ro­wego uni­wer­sum. Kaluza bawił się dodat­ko­wymi wymia­rami prze­strzeni aby zuni­fi­ko­wać elek­tro­ma­gne­tyzm z teorią względ­no­ści. Sam Einstein  zachwy­cał się tym ele­ganc­kim pomysłem, mimo jego nie­we­ry­fi­kal­no­ści. Nie­miecki mate­ma­tyk twier­dził, że wymy­ślony przez niego piąty wymiar musi być po prostu inny od pozo­sta­łych. Wpadł więc na pomysł, że będzie on zwinięty do wiel­ko­ści nie­zwy­kle małej, nie­ob­ser­wo­wal­nej nawet przy użyciu mikro­sko­pów.

Teoria Kaluzy, choć osta­tecz­nie nie odniosła spek­ta­ku­lar­nego sukcesu, pozo­sta­wiła po sobie istotną spu­ści­znę. Po kil­ku­dzie­się­ciu latach, kon­cep­cja hiper­prze­strzen­nego wszech­świata, ze zwi­nię­tymi do nie­wia­ry­god­nie małych roz­mia­rów wyższymi wymia­rami wróciła do łask. Stało się tak za sprawą głównej kan­dy­datki na teorię wszyst­kiego, czyli teorii strun. Jej naj­now­sza wersja zwana M-teorią, prze­wi­duje ist­nie­nie aż 11 wymiarów! Z natych­miast nasu­wa­ją­cym się pytaniem – dlaczego akurat tyle wymiarów – związana jest dość długa historia. Stresz­cza­jąc ją do minimum: począt­kowo istniało 5 kon­cep­cji dzie­się­cio­wy­mia­ro­wych teorii strun, z których każda świetnie opi­sy­wała funk­cjo­no­wa­nie wszech­świata. Oczy­wi­stym było jednak, iż nie może istnieć 5 teorii wszyst­kiego, toteż naukowcy musieli tę kwestię roz­wi­kłać. Na genialny pomysł wpadł Edward Witten, który wykazał, że wszyst­kie kon­cep­cje teorii strun są odbiciem jednej, a całość uni­fi­kuje się właśnie w 11 wymia­rach.

Wersja mul­ti­me­dialna, czyli Carl Sagan o pła­sko­lan­dii i hiper­sze­ścia­nie.

Jak mogliśmy się prze­ko­nać przez eks­pe­ry­ment myślowy doty­czący dwu­wy­mia­ro­wej prze­strzeni, wyska­ki­wa­nie w wyższe wymiary daje nowe moż­li­wo­ści i zupełnie zmienia spoj­rze­nie na świat. Pojawia się również następne pytanie: czy w hiper­prze­strzeni obo­wią­zy­wać będą nowe prawa fizyki? Wszystko wskazuje na to, że w tym miejscu leży klucz do naj­więk­szych zagadek współ­cze­snej nauki. Mimo to, co bardziej tra­dy­cyjni fizycy wzbra­niają się przed nad­pro­gra­mo­wymi wymia­rami. Trudno aby nie­we­ry­fi­ko­walne doświad­czal­nie teorie nie wzbu­dzały wewnętrz­nego sprze­ciwu umysłów ścisłych. Z drugiej jednak strony już w historii bywało, że to co miało być tylko mate­ma­tyczną zabawką, oka­zy­wało się zdu­mie­wa­jącą rze­czy­wi­sto­ścią.
podpis-czarny
  • PawełP

    Świetny artykuł, potra­fisz zacie­ka­wić czy­tel­nika!
    Będę tu regu­lar­nie zaglądał, bo podoba mi się Twój sposób pisania i zagad­nie­nia poru­szane w Twym blogu.
    Pozdra­wiam 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/15804286059020704417 Juliusz Bilbo

    Czy drgania strun mogą stanowić układ odnie­sie­nia dla zli­cza­nia czasu?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.blogger.com/profile/11397196611078180548 Adam Adamczyk

      Jak rozumiem chodzi o wyko­rzy­sta­nie strun ana­lo­gicz­nie do atomów cezu w zegarach ato­mo­wych? Nie spo­tka­łem się nigdy z takim roz­wa­ża­niem, ale myślę że teo­re­tycz­nie byłoby to możliwe. Pod­kre­ślam — teo­re­tycz­nie — bo trzeba się liczyć z tym, że tech­nicz­nie nigdy nie znaj­dziemy sposobu aby sięgnąć tego poziomu.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.blogger.com/profile/15804286059020704417 Juliusz Bilbo

    W jaki sposób w mteori jest roz­wa­żany czas?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://resonance.is/ maxtron

    odnośnie świata 2-wymia­ro­wego polecam: Flatland: A Romance of Many Dimen­sions. Książka daje nam także narzę­dzia jak można rozwinąć postrze­ga­nie 4 wymiaru prze­strzeni.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • mazi04

    Mozna wywnio­sko­wac ze ze dziwne wla­sno­sci mecha­niki kwan­to­wej moga wynikac z wiekszej ilosci wymiarow w ktorych poru­szaja sie czastki

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Pingback: Kosmiczna symfonia cz.5: M-Teoria | Kwantowo.pl()

  • PS

    Ja tylko dla porządku dodam, że nie tylko naukowcy lecz również piloci dorzu­cają czwarty wymiar — czasowy 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Mariusz

    Zagadka żarcik. Świat prostej to świat jed­no­wy­mia­rowy w którym mamy dwa kierunki. Prościak w tym świecie będzie się poruszał w przud i w tył. Jeżeli dwie proste się przetną(dwa światy jed­no­wy­mia­rowe) , to prościak zyska nowe możliwości;cztery kierunki. Ile kie­run­ków ma hipo­teczny świat , złożony z dwóch prze­ni­ka­ją­cych się trój­wy­mia­ro­wych światów?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • man from the blue water

    Gene­ral­nie fajna strona, brawo. Porusza wiele zagad­nień, którymi pasjo­nuję się od dziecka, od wielu lat. 🙂
    Oprócz mecha­niki kwan­to­wej oraz odkryć zwią­za­nych z kosmosem zawsze inte­re­so­wało mnie zagad­nie­nie: czy nauka może potwier­dzić lub zaprze­czyć wierze w Boga. Ostatnio spo­tka­łem się z teorią, ze Bóg jest istotą wie­lo­wy­mia­rową. … I w chwilach wolnych własnie się nad tym zasta­na­wiam.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      W takim razie dziękuję za gene­ral­nie pozy­tywny komen­tarz. 😉

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0