Теоретичната физика е увлекателна и на моменти – забавна област. Макар че повечето хора не биха твърдели, че знаят много за тази област на изследванията, много от по-модерните ѝ концепции се появяват в популярната култура през цялото време. Всъщност думи като ядрен, квантов и мултивселена често са ключови за сюжета на любимите ни телевизионни предавания и филми.

От друга страна някои от по-напредналите концепции в теоретичната физика звучат повече като философия и метафизика, отколкото като наука. Всъщност някои теории дори успяват да размият границите между наука и религия и обикновено се посрещат или със страхопочитание, или с отхвърляне (в зависимост от това, кой слуша).

Допълнителните измерения

Говорейки за „допълнителни измерения“, много хора биха предположили, че се отнася до съществуването на измерения, успоредни на нашите собствени, където нещата са малко или значително различни – самата теория е известна още като Теория на мултивселената. Всъщност теорията за допълнителните измерения се занимава с възможното съществуване на допълнителни измерения извън тези, за които непосредствено осъзнаваме.

Въпреки че всичко това може да ви звучи пресилено или чисто спекулативно, „Теорията“ е жизненоважна част от нашето разбиране за това, как работи нашата Вселена. Ако някога успеем да определим колко измерения има нашата Вселена (и какво прави всяко от тях), най-накрая ще имаме Теория на всичко (ToE) и ще знаем как всичко се вписва заедно в нея.

Терминът „измерение“ се отнася до всяко математическо измерване. Това обикновено може да се отнася до физическо измерване (обект или пространство) или времево измерване (време). Както всички знаем, има три измерения, които изпитваме ежедневно, които определят дължината, ширината и дълбочината на всички обекти в нашата Вселена.

Учените обаче твърдят, че за да разберем законите на природата, трябва да включим четвърто измерение, което е времето. Без тази координата позицията, скоростта и ускорението на обектите в нашата Вселена не могат да бъдат правилно измерени.

Четирите фундаментални сили

След хиляди години изследвания на природата и законите, които я управляват, учените са установили, че четири фундаментални сили управляват всички взаимодействия материя-енергия. Тези сили и основните частици, които изграждат цялата материя (кварки, лептони, бозони и скаларни бозони), са част от Стандартния модел на физиката на елементарните частици. Тези сили са: електромагнетизмът, слабата ядрена сила, силната ядрена сила и гравитацията.

Първите три сили са описани от областта на квантовата механика и са свързани със специфични субатомни частици. Електромагнетизмът е свързан с електрони (лептони), които са отговорни за електричеството, магнетизма и всички форми на електромагнитно излъчване. Това включва видима светлина (цвят), топлина, микровълни, радиовълни, ултравиолетова радиация и гама-лъчи.

Слабата ядрена сила се занимава с взаимодействията между субатомните частици, отговорни за радиоактивния разпад на атомите, и е свързана с частиците, по-малки от протон (бозони). При по-високи енергии тази сила се слива с електромагнетизма, което е довело до единния термин „електрослаба сила“. Силната ядрена сила управлява частиците с размерите на протони и неутрони (адрони) и е наречена така, защото е приблизително 137 пъти по-силна от електромагнетизма, милиони пъти по-силна от слабата ядрена сила и 1038 пъти по-силна от гравитацията. Тя кара кварките да се събират, за да образуват по-големи протони и неутрони, и ги свързва, за да създадат атомни ядра.

И накрая любимата на всички гравитация, на която се дължат взаимодействията между масивните обекти (астероиди, планети, звезди, галактики и мащабната структура на Вселената.) За разлика от другите три сили няма никаква сила или известна субатомна частица, която да описва гравитацията или гравитационните взаимодействия.

Теории и още теории

Опитите за създаване на единна полева теория на гравитацията и електромагнетизма могат да бъдат проследени до немския физик Теодор Калуза (1885–1954). През 1921 г. той публикува статия, в която представя разширена интерпретация на уравненията на полето на Айнщайн. Тази теория е изградена върху идеята за 5D вселена, която включва измерение извън общото 4D пространство и време.

През 1926 г. шведският физик-теоретик Оскар Клайн предлага квантова интерпретация на 5D теорията на Калуза. През 30-те години на миналия век Айнщайн и неговите колеги в Принстън са предприели работа по теорията на полето на Калуза. До 40-те години на миналия век теорията е официално завършена и получава името теория на Калуза – Клайн.

Работата на Калуза и Клайн пък предсказва появата на „теорията на струните“, която е предложена за първи път през 60-те години на миналия век. До 90-те години на миналия век се появяват множество интерпретации, включително теория на суперструните, кръгово-квантова гравитация, М-теория и супергравитация. Всяка от тези теории предполага съществуването на „допълнителни измерения“, „хиперпространство“ или нещо подобно.

Теорията на суперструните изисква съществуването на 10 пространствено-времеви измерения. Те включват четирите измерения, които непосредствено се виждат (дължина, ширина, дълбочина, време) и още шест, които не са видими. Тези допълнителни шест измерения са свити в компактно пространство. Според теорията петото и шестото измерение се занимават с възможни светове, които са започнали със същите начални условия.

Петото измерение обхваща светове с малко по-различни резултати от нашите, докато шестото е мястото, където се вижда равнината от възможните светове. Седмото измерение е мястото, където човек ще може да види възможните светове, които започват с различни първоначални условия и след това се разклоняват безкрайно – следователно терминът „безкрайност“ се използва за тяхното описание. Осмото измерение по подобен начин ще ни даде равнина на тези „безкрайности“, докато в деветото измерение могат да се видят всички възможни вселени и закони на физиката. В десетото измерение всичко и всичко възможно по отношение на космическата еволюция е достъпно. Отвъд това нищо не може да се види от живи същества, които са част от пространствено-времевия континуум. Звучи объркващо, нали?

Нещата става още по-многоизмерни и сложни

Чували ли сте за М-теорията, която съчетава пет различни теории за суперструните и предполага съществуването на 11 измерения – десет пространствени и едно време? Тази вариация на теорията на суперструните е интересна поради явленията, които предсказва. От една страна М-теорията предсказва съществуването на гравитона, което е в съответствие с теорията на струните като цяло и предлага обяснение за квантовата гравитация.

Тя също така обяснява и явление, подобно на изпаряването на черна дупка, при което черните дупки излъчват „радиация на Хокинг“ и губят маса с течение на времето. Някои вариации на теорията на суперструните пък говорят за съществуването на мостовете на Айнщайн – Розен, известни още като „червееви дупки“. Друг подход – Loop Quantum Gravity (LQG), посочва, че гравитацията е напълно различна от другите фундаментални сили и че самото пространство-време е направено от квантувани, дискретни битове, под формата на малки, едномерни бримки. Някои версии на теорията на супергравитацията дават 11-D модел на пространство-времето, с 4 общи измерения и 7 измерения на хиперпространството. Съществува и „теория на браните“, според която Вселената е съставена от многоизмерни вибриращи „мембрани“, които имат маса и заряд и могат да се разпространяват през пространство-времето.

Към днешна дата няма експериментални доказателства за съществуването на „допълнителни измерения“, „хиперпространство“ или нещо извън четирите измерения, което можем да възприемем.

Как да ги намерим?

В случай че Вселената наистина има допълнителни измерения, които са незабележими за нас, как ще намерим доказателства за тяхното съществуване и ще определим техните свойства? Една от възможностите е да ги потърсим чрез експериментите по физика на елементарните частици като тези, провеждани от Европейската организация за ядрени изследвания (CERN) – операторите на LHC – и други лаборатории за ускоряване на частици.

В CERN учените повишават частиците до високи енергии, преди да ги разбият заедно и да измерят получената каскада от субатомни частици. Детекторите събират улики за частиците като тяхната скорост, маса и заряд, които могат да се използват за установяване на тяхната идентичност. Теориите, включващи допълнителни измерения, предвиждат, че трябва да има по-тежки версии на стандартните частици, които се повтарят при все по-високи енергии, докато се движат по-малки измерения. Те биха имали точно същите свойства като стандартните частици (и така ще бъдат видими за детектори като тези в CERN), но с по-голяма маса. Ако се намерят доказателства за тях, това може да предполага наличието на допълнителни измерения. Друг начин е да погледнем назад във времето към периода, известен като космическа зора, приблизително 100 до 500 милиона години след Големия взрив, когато са се образували първите звезди и галактики. Дори ако допълнителните измерения са незабележими за откриване днес, те биха повлияли на еволюцията на Вселената от самото начало. Досега астрономите не бяха в състояние да видят толкова далеч назад във времето, тъй като никой телескоп не е бил достатъчно чувствителен. Това може би ще се промени в близко бъдеще благодарение на инструментите и телескопите от следващо поколение.

Вижте още: 5 научнофантастични концепции, които изглеждат (поне на теория) възможни в реалния живот