Išlipkime iš mums visiems sukurtų ir primestų rėmų ;)

Slaptieji visatos matmenys

Slaptieji visatos matmenys

ILIUSTRUOTASIS MOKSLAS

Egzistuoja ir kiti erdvės matmenys, ne tik ilgis, plotis ir aukštis. Albertas Einsteinas pradėjo savotišką Visatos matmenų „infliaciją“. Šiandien fizikai teigia, kad gyvename devynių matmenų pasaulyje. Tik įrodžius, kad egzistuoja devyni Visatos matmenys, pavyktų sujungti visas keturias gamtoje egzistuojančias fundamentaliąsias sąveikas į vieną bendrą teoriją.

Kodėl mūsų Visata yra būtent trimatė? Į šį klausimą fizikai bando atsakyti nuo to laiko, kai Albertas Einsteinas paskelbė savo bendrąją reliatyvumo teoriją, t. y. beveik prieš šimtą metų. Pats Einsteinas dar teigė, jog egzistuoja tik keturi matmenys: trys erdvės, o ketvirtasis –  laiko matmuo. Netrukus po reliatyvumo teorijos paskelbimo buvo iškelta nauja teorija apie penktojo matmens egzistavimą. Nuo tada fizika vis rimčiau kelia klausimą, keliamatėje erdvėje gyvename. Šiandien fizikai kalba apie ne mažiau negu devynių matmenų Visatą, o jeigu laiką irgi laikytume matmeniu, išeitų, kad gyvename dešimtmatėje Visatoje.

 

Pasaulis yra susiraizgęs į 9 matmenis. Kiekvienas mūsų matomas trimatės Visatos taškas iš tikrųjų yra labai suspausta šešių matmenų erdvė. Galime tik spėlioti, kaip atrodo vadinamoji Calabi ir Yau erdvė.

 

Iš pirmo žvilgsnio šis teiginys gali atrodyti visiškai absurdiškas. Tačiau norint suvokti teorijas apie daugiamatę erdvę, pirmiausia reikia apibrėžti, kas yra matmuo. Esame įpratę suvokti mus supantį pasaulį kaip trijų matmenų sistemą, tai yra visi objektai joje turi ilgį, plotį ir aukštį. Norint suvokti daugiau matmenų, reikia mąstyti abstrakčiau. Žmogus gali įsivaizduoti tik trimatę erdvę. Tačiau matematikoje galima lengvai įvesti daugiau negu tris matmenis, jei to reikalauja uždavinio sprendimas.

Iš geometrijos visi žinome koordinačių sistemą, joje kiekvieno taško padėtį apibūdina dvi koordinatės – x ir y. Tokia pat nesudėtinga yra ir trimatė koordinačių sistema, kurią sudaro viena kitai statmenos trys ašys – x, y ir z. Šioje koordinačių sistemoje visų taškų padėtį apibūdina trys skaičiai, arba koordinatės x, y ir z. Tačiau norint apibūdinti, pavyzdžiui, skrajojančio drugelio padėtį, trijų koordinačių erdvės lyg ir nepakanka. Reikia nurodyti laiko momentą, kad nusakytume, kuriuo metu drugelis atsiduria konkrečioje padėtyje. Taigi norint  sekti drugelio padėtį reikalinga ketvirtoji koordinatė – laikas. Gauname koordinačių (x, y, z, t) sistemą. Kaip pasakytų matematikas – šią erdvę aprašyti galima keturiais matmenimis.

Matematikoje kalbėti apie daugiau negu trijų matmenų erdvę, pavyzdžiui, apie dešimtmatę erdvę, yra įprasta. Tai tiesiog reiškia, kad taško padėčiai apibūdinti įvedama dešimt koordinačių. Vietoje koordinačių sistemos (x, y, z) gauname koordinačių sistemą (x1, x2, …, x10). Kraštutiniu atveju matematikoje įmanoma įvesti net begalybę koordinačių. Begalybės koordinačių erdvė vadinama Hilberto erdve, pavadinta garsaus matematiko Davido Hilberto (1862–1943) garbei. Fizikoje begalybės koordinačių erdvė yra neįmanoma. Kol kas.

Kūnai ant guminės plėvelės

Visą mus supantį pasaulį fizikos mokslas grindžia keturmatės erdvės prielaida. Taigi, jeigu egzistuoja daugiau negu keturi matmenys, jie slypi kur nors giliai. Trečiąjį XX amžiaus dešimtmetį mokslininkų Theodoro Kaluzos ir Oscaro Kleino paskelbtas teiginys apie penktojo matmens egzistavimą tapo reikšmingu fizikai mąstymo šuoliu. Šis teiginys remiasi tuo, jog bendroji reliatyvumo teorija yra tik teorija apie gravitacinę sąveiką ir jos poveikį erdvės formai. Tačiau norint, kad ši teorija būtų baigta, ji turi apimti visas keturias fundamentaliąsias sąveikas, įskaitant ir elektromagnetinę sąveiką.

Bendroji reliatyvumo teorija aprašo gravitacinę sąveiką geometriškai. Erdvę būtų galima palyginti su gumine plėvele, ant kurios uždėjus sunkų kūną, pavyzdžiui, Saulę, plėvelė įdumba, t. y. erdvė deformuojasi. Atsiradus įdubimui, ant tos pačios plėvelės esantis mažesnis kūnas ima riedėti jau kitokia trajektorija ir krypsta didesniojo kūno link. Kitaip tariant, įdubimas plėvelėje mažesnįjį kūną veikia taip pat kaip traukos jėga.

Geometrinis gravitacinės sąveikos aprašymas įkvėpė mokslininkus Th. Kaluzą ir O. Kleiną išplėtoti reliatyvumo teoriją ir įtraukti į ją elektromagnetinę sąveiką. Jų sprendimas, kaip ir A. Einsteino gravitacinės sąveikos teorija, buvo pagrįstas erdvės geometrija. Mokslininkai tiesiog įvedė penktąjį matmenį. Kadangi jo neįmanoma pamatyti, buvo padaryta prielaida, kad jis labai mažas. Galima įsivaizduoti, kad kiekvienas erdvės taškas susideda iš penktojo  matmens mažo apskritimo. Šis apskritimas yra daug mažesnis už atomo skersmenį. Tokio dydžio dalelė negali būti ramybės būsenos. Ir nors mes, kad lengviau suprastume, galime įsivaizduoti mūsų regimoje trimatėje erdvėje ši penktąjį matmenį nejudantį, iš tikrųjų gali būti, jog ši dalelė nesustodama juda apskritimu. Jos judėjimą galima palyginti su elektros krūvio judėjimu. Taigi Th. Kaluza ir O. Kleinas pateikė išsamų geometrinį elektromagnetinės sąveikos dėsnių aprašymą.

Netrukus paaiškėjo, kad net ir penkių matmenų nepakanka, kad fizinis pasaulis būtų išsamiai aprašytas. Šiandien fizika nagrinėja keturias fundamentaliąsias sąveikas: gravitacinę, elektromagnetinę, silpnąją branduolinę ir stipriąją branduolinę. Idėja pasitelkti daugiau matmenų buvo plėtojama ilgą laiką. Kai elektromagnetinė sąveika bus aprašyta penktojo matmens judėjimo dėsniais, galbūt bus galima suvokti silpnąją ir stipriąją sąveikas kaip dalelių judėjimo daugiamatėje erdvėje rezultatą.

Paaiškėjo, kad šiuo tikslu teks įvesti net šešis papildomus matmenis. Kiekvienas iš šių erdvės matmenų, kaip ir Th. Kaluzos ir O. Kleino atrastas penktasis matmuo, susiraizgęs į be galo mažą formą. Galima padaryti prielaidą, kad iš tikrųjų kiekvienas erdvės taškas yra šešiamatis rutulys arba kita daugiamatė figūra ir jos įsivaizduoti žmogaus protas negali. Tačiau matematikoje net ir neįsivaizduojamiems kūnams galima suteikti pavadinimus. Kiekvieną erdvės tašką atitinkanti mažytė šešiamatė erdvė vadinama Calabi ir Yau erdve. Taip ji buvo pavadinta šios teorijos autorių, fizikų Eugenio Calabi ir Shing-Tungo Yau, garbei.

3 matmenys: Trimatėje figūroje, pavyzdžiui, rutulyje, galima judėti ilgio, pločio ir gylio kryptimis.

 

Ši aukštosios matematikos sritis sudaro vadinamosios stygų teorijos pagrindą. O stygų teorija yra kol kas geriausias fizikos bandymas aprašyti mūsų Visatą. Remiantis šia teorija, keturios fundamentaliosios sąveikos atsiranda, kai dalelės vienaip ar kitaip pradeda judėti aukštesniuose – apskrituosiuose – matmenyse. Ir nors šios sąveikos kyla Calabi ir Yau erdvėje, jos pasireiškia tik mūsų keturmačiame pasaulyje, išimtis galbūt yra tik gravitacinė sąveika.

Gravitonai pradeda veikti penktajame matmenyje 

 Keistąją Calabi ir Yau erdvę galima vertinti įvairiai. Vertinant iš mūsų trimatės Visatos perspektyvos natūralu teoriją aiškinti remiantis prielaida, kad kiekviename įprastos erdvės taške slypi begalinė šešiamatė Calabi ir Yau erdvė.

Tačiau galbūt galime apversti teoriją aukštyn kojomis ir pažvelgti į Visatą iš Calabi ir Yau erdvės pozicijos. Žvelgiant iš šios pozicijos, mūsų tris matmenis teturinti Visata atrodo skurdi ir lėkšta. Trimatė erdvė yra viso labo sudėtingesnės formos Calabi ir Yau erdvės „paviršius“, fizikoje vadinamas brana.

Mokslininkų nuomone, 3 brana, t. y. mūsų trimatė Visata, iš visų dalelių nesulaiko tik gravitonų, gravitacinės sąveikos nešėjų, kurie pasireiškia penktajame matmenyje. Gravitonas yra hipotetinė kvantinės mechanikos dalelė, jos egzistavimas dar neįrodytas. Jeigu gravitacinė sąveika iš tikrųjų yra tokia nestabili, kad gravitonai gali išlėkti už mūsų Visatos ribų, tai paaiškina, kodėl mes suvokiame ją kaip kur kas silpnesnę sąveiką negu kitas tris fundamentaliąsiąs sąveikas.

Visa superstygų teorija, apimanti ir Calabi ir Yau erdvės teoriją, vis dėlto tėra eksperimentais nepatvirtinta teorija, o tai – rimtas iššūkis visiems svarstymams apie slaptuosius matmenis. Patirtis rodo, kad eksperimentais nepatvirtintos fizikos teorijos lengvai nukrypsta nuo tiesos. Vis dėlto daugiamatės erdvės hipotezė gali būti netrukus įrodyta, nes Šveicarijoje veikiančios Europos branduolinių mokslinių tyrimų organizacijos (CERN) mokslininkai sukūrė ir pradėjo naudoti Didįjį hadronų priešpriešinių srautų greitintuvą LHC. Eksperimentai, atliekami šiuo greitintuvu, t. y. stebint, kaip susiduria dideliu greičiu priešingomis kryptimis lekiančios dalelės, gali iš esmės praskleisti aukštesnių matmenų paslapties šydą.

Dalelės dingsta iš greitintuvo

LHC greitintuve susidūrus dviem dalelėms pasipila naujų dalelių liūtis. Naujosios dalelės juda visomis kryptimis, kaip ir numato vienas iš fundamentaliųjų gamtos dėsnių – impulso tvermės dėsnis. Jeigu po susidūrimo fizikai stebėtų viena konkrečia kryptimi judančias daleles, tai galėtų reikšti, kad kai kurios nežinomos dalelės kažkur pranyksta. Išlėkti iš LHC greitintuvo dalelėms nepastebėtoms beveik neįmanoma, tačiau gali būti, kad dalelės tarsi pasirenka trumpiausią kelią, t. y. keliauja pro aukštesnį matmenį. Fizikai daro prielaidą, kad taip galėtų elgtis gravitonai. Be to, jei po susidūrimo dalelės netektų energijos ir masės, tai būtų tvirtas įrodymas, jog iš tiesų egzistuoja tam tikros dalelės, pavyzdžiui, gravitonai, o ne vien rimties masės beveik neturintys neutrinai.

 

Šveicarijoje veikiančios CERN organizacijos LHC greitintuvas galbūt padės įrodyti, kad, be žmogui suvokiamų trijų erdvės matmenų, iš tikrųjų egzistuoja aukštesni erdvės matmenys.

 

Dar vienas metodas, galintis padėti aptikti aukštesniųjų matmenų pėdsakus, – vadinamųjų Kaluzos ir Kleino dalelių susidarymas. Lygiai kaip atomas, kuris gali būti įvairių energijos būsenų, Calabi ir Yau erdvėje esanti dalelė taip pat gali patekti į aukštesnės energijos, tai yra sužadintąją, būseną. LHC greitintuve susidūrus pakankamai didelės energijos dalelėms, susidariusios naujos dalelės gali turėti tokią didelę energiją, kad prasiskverbtų į Calabi ir Yau erdvę ir ten egzistuotų įvairiomis aukštesnės energijos būsenomis – tai būtų galima patvirtinti eksperimentiškai, jeigu greitintuve po susidūrimo mokslininkai aptiktų supersunkių dalelių. Pavyzdžiui, tai galėtų būti elektronas arba pozitronas, kurio masė, tarkime, tūkstantį kartų didesnė negu įprasta. Kaluzos ir Kleino dalelių aptikimas eksperimento būdu tikriausiai būtų patikimiausias įrodymas, kad egzistuoja aukštesni matmenys.

Pasitelkę CERN Didžiojo hadronų priešpriešinių srautų greitintuvą, mokslininkai galės įsiskverbti į atomo mikropasaulį. LHC greitintuvas padės paaiškinti tokius mažos apimties reiškinius, kurie vyksta vos 10-19 metro skersmens erdvėje. Kituose greitintuvuose jau atlikti bandymai parodė, kad 10-18 metro skersmens erdvėje vykstantys reiškiniai nepatvirtina aukštesnių matmenų egzistavimo. Įsivaizduokime, kad padidinome atomą iki Žemės dydžio. Tokiame atome aukštesnių matmenų reikėtų ieškoti erdvėje, kurios dydis prilygtų taškui.

Įvedusi kitus, tikrovėje neapčiuopiamus matmenis fizika išėjo į kelią, kuris gali vesti ir į šlovę, ir į pražūtį. Galbūt niekada nesužinosime, ar Visatoje slypi nematomų matmenų, tačiau jeigu šią teoriją pavyktų kaip nors patvirtinti, tai būtų didžiausias fizikos perversmas per pastaruosius šimtmečius.

Informacijos šaltinis IliustruotasisMokslas.lt