Поглед към по-високите измерения
От Мичио Каку

Съществуват ли по-високите измерения? Има ли невиждани светове отвъд нашия поглед, отвъд нормалните закони на физиката? Въпреки, че по-високите измерения са били от историческа гледна точка царството на шарлатаните, мистиците, и писателите на научна фантастика, много сериозни теоретични физизи сега вярват че по-високите измерения не само съществуват, но също могат да обяснят някои от най дълбоките тайни на природата. Въпреки, че предупреждаваме, че все още няма експериментално доказателство за по-високите измерения, по принцип те могат да решат крайния проблем във физиката: финалната унификация на цялото физично знание на фундаментално ниво.

Интересът ми към по-високите измерения се породи в ранното ми детство. Един от най-щастливите ми спомени беше, когато се навеждах над езерцето в известната Японска Чайна Градина в Сан Франциско, очарован от удивително оцветения шаран плуващ бавно под водните лилии.  По време на тези спомени, се запитах един глупав въпрос, който само дете може да си го зададе: как би изглеждал света през очите на шарана в езерцето? Прекарващи целия си живот на дъното на езерцето, шарана ще вярва, че тяхната “вселена” се състои от вода и водни лилии; те едва едва ще предполагат, че някакъв чужд свят може да съществува над повърхността. Моят свят ще е отвъд техните възприятия. Аз бях интригуван, че мога да стоя буквално на сантиметтри от шарана, и въпреки това да сме разделени от огромна бездна. И заключих, че ако има някакви “учени” сред шарана, те ще се подиграват на всяка риба, която заяви, че съществува паралелен свят точно над лилиите. Невиждан свят над езерцето не звучи научно обосновано. Веднъж се замислих, какво ли ще стане ако се пресегна долу и хвана един от учените “шарани” и го изтегля извън езерцето. Чудех се как ли ще изглежда това от гледна точка на шарана? Изумения шаран “учен” би разказал удивителна история, че някакси е повдигнат от вселената (езерцето) и е захвърлен в мистериозен свят, друго измерение с ослепителни светлини и странно-оформени обекти, които не са виждани от нито един шаран. Най-странното от всичко би било масивното същество отговорно за това престъпление, което изобщо не прилича на риба. Шокиращото ще е, че то няма да има изобщо перки, но въпреки това ще може да се движи и без тях. Очевидно, познатите закони на физиката няма да важат в този странен свят!

Теория на всичко

Понякога вярвам, че ние сме като шаран живеещ постоянно на дъното на това езерце; ние живеем живота си блажено, без да подозираме за други светове, които могат да съществуват с нас, смеейки се на каквото и да е било предложение за паралелни вселени.Всичко това се промени драматично през последните години. Теорията за по-високо измерения космос сега може да се окаже главното парче в отключването на тайната за произхода на вселената. В центъра на тази концептуална революция е идеята, че нашата позната триизмерно пространство е “много малко” за да обясни безбройните сили управляващи нашата вселена. За да обяснението на нашия физически свят, с всичките му безкрайни варианти на форми, се нуждаем от цели библиотеки заляти с планини от технически журнали и купчини с научени книги. Някои вярват, че крайната цел на физиката е да придобие едно единствено уравнение или израз, от който може да произтекат всички тези колосални обеми информация. Днес, много физици вярват, че са намерили “единната теория на полетата”, която се е изплъзвала на Айнщайн през последните години от живота му. Въпреки, че теорията на по-високо измерното пространство не е доказана (и, ще видим, че е много скъпа за експериментално доказване), почти 5000 статии, при последното преброяване, са били публикувани във физичната литература, засягащи теориите за по-високите измерения, започвайки с пионерните трудове на Теодор Калуза и Оскар Клайн през 20-те и 30-те години на 20-ти век, минавайки през супергравитационната теория през 70-те, и най-накрая стигайки до суперструнната теория през 80-те и 90-те. В действителност, суперструнната теория, която постулира, че материята се състои от мънички струни вибриращи в хиперпространството, предсказва точния брой на измеренията на пространството и времето: 10.

Защо не можем да видим четвъртото измерение?

За да разберем тези по-високи измерения, спомняме си, че ни трябват три числа за да локализираме всеки обект във Вселената, от върха на носа ви до краищата на света. Например, ако искате да се срещнете с приятели в Манхатън, ще им кажете да се срещнете в сградата на ъгъла на 42-ра улица и 5-то авеню, на 37-мия етаж. Нужни са 2 числа за да посочите позицията си на картата, и едно число за да посочите разстоянието над картата. Следователно са ви нужни три числа за да локализирате мястото за вашия обяд. (Ако ние срещнем приятелите си на обяд, тогава са нужни четири числа за определяне на пространството и времето на срещата.)Въпреки това, колкото и да се опитваме, за нашите мозъци е невъзможно да визуализираме четвъртото пространствено измерение. Компютрите обаче, както и се подразбира, нямат проблем работейки в N измерно пространство, но пространствените измерения отвъд познатите ни три, не могат да бъдат осмислени от нашите слаби мозъци. (Причината за този нещастен инцидент трябва да се търси в биологията, отколкото във физиката. Човешката еволюция е сложила награда за това, че можем да визуализираме обектите движещи се в три измерения. Имало е селективна принуда, която е била поставена над хората, които са можели да избегнат зъбите на разярен тигър или бивната на засилил се мамут. Тъй като тигрите не ни атакуват в четвъртото пространствено измерение, просто няма смисъл да развиваме мозък, който има способността да визуализира обекти движещи се в четири измерения.)

Срещайки същество от по-високите измерения

За да разберем някои от затормозяващите съзнанието черти и особености на по-високите измерения, представете си двуизмерен свят, наречен Плоско-свят (след известната новела на Едуин А. Абът), който прилича на плоската повърхност на маса. Ако някой от обитателите на Плоско-свят се загубят, ние можем набързо да сканираме целия Плоско-свят, като поглеждаме директно във всяка къща, и дори в скритите места. Ако някой от обитателите на света се разболее, ние можем директно да влезем вътре в него и да му направим операция, дори без да прорежем кожата му. Ако някой от плоско-святчаните бъде затворен в затвор (което ще представлява кръг около него), ние можем лесно да го дръпнем в третото измерение и да го оставим обратно някъде другаде в Плоско-свят. Ако бъдем по амбициозни и размахаме ръцете си над Плоско-свят, плоско-святчаните биха видели само кръгове от плът, които ще кръжат над тях, постоянно менейки формата си и сливащи се в други кръгове. И накрая, ако захвърлим един от плоско-святчаните в нашия триизмерен свят, той ще вижда само пространствените сечения на нашия свят, т.е. фантасмагория от кръгове, квадрати, и т.н. които постоянно биха менели форма и се сливали. (виж фиг. 1 и 2). Сега си представете, че ние сме “триизмерни плоскосвятчани”, и че сме посетени от по-високоизмерно същество. Ако ние се загубим, по-високоизмерното същество може да сканира нашата цяла вселена наведнъж, директно поглеждайки в най-тайните и скрити места. Ако се разболеем, по-високо измерното същество може да достигне до нашите вътрешности и да ни направи операция дори без да реже кожата ни. Ако сме максимално охранявани, в затвор с максимална сигурност, по-високо измерното същество просто ще ни “издърпа” в по-високо измерение и ще ни остави на някакво друго място. Ако по-високо измерното същество прекара “пръстите си” в нашата вселена, ние ще ги видим като постоянно сливащи се и разделящи се кръгове от плът, които витаят над нас. И накрая, ако ние бъдем издърпани в хиперпространството, ще видим колекция от сфери, балони, и многостени, които ще се появяват изведнъж, постоянно ще менят формата си и цвета си, и след това мистериозно ще изчезват. По-високоизмерните хора обаче, ще имат способности подобни на богове: те ще могат да минават през стените, да изчезват и да се появяват обратно, когато си поискат и да виждат през сградите. Те биха били всезнаещи и всемогъщи. Не е изненадващо, че спекулациите за по-висоните измерения разпалиха огромен литературен интерес пред последните десетилетия.

Мистика и Математика

Фьодор Достоевски, в Братя Карамазови, е създал герой наречен Иван Карамазов, който спекулира относно съществуването на по-високи измерения и не-Евклидова геометрия по-време на дискусия касаеща съществуването на Бог. В Невидимия Човек на Х. Г. Уелс, източника на невидимост на героя е неговата способност да манипулира четвъртото измерение. Оскар Уайлд дори приписва четвъртото измерения в пиесата си Кентървилските Призраци, като земята на призраците.Четвъртото измерение също се появява в литературните творби на Марсел Пруст и Джоузеф Конрад; инспирира някои от музикалните творби на Александър Скрябин, Едгар Вареж, и Джордж Антейл. То вдъхновява такива различни личности като психолога Уилиям Джеймс, литературния герой Гертруд Стейн, и революционера социалист Владимир Ленин. Ленин дори е водил полемика относно N-тото измерение с философа Ернст Мах в неговия материализъм и Емпирико-Критицизъм. Ленин е хвалел Мах, който “е повдигнал много важен и полезен въпрос относно вероятно пространство с n-измерения,” но след това го наел със задачата да настоява, че Царят може да бъде премахнат от престола само в третото измерение.Творците се интересували особено от четвъртото измерение, поради възможностите за откриване на нови закони на перспектива. В Средните Векове, религиозното изкуство е било отличително поради преднамерената си липса на перспектива. Крепосниците, селяните, и кралете са били изобразявани сякаш са плоски, също както децата рисуват хората. Тъй като Бог е бил всемогъщ и следователно е можел да вижда всички части от света еднакво, изкуството трябвало да рефлектира Неговата гледна точка, така че света е бил рисуван двуизмерен. Ренесансовото изкуство е било бунт срещу тази плоска Бого-центрирана перспектива. Широките и разстлани пейзажи, триизмерните хора били рисувани от гледна точка на човешкото око, като линиите на перспективата изчезвали в хоризонта. Ренесансовото изкуство отразявало начина по който човешкото око вижда света, от единичната гледна точка на наблюдателя. С други думи, Ренесансовото изкуство открило третото измерение. С началото на ерата на машините и капитализма, артистичния свят се разбунтувал срещу студения материализъм, който изглежда, че доминирал индустриалното общество. За Кубистите, позитивизма е бил усмирителна риза, която ние ограничила в нещо, което може да се измери в лаборатория, подтискаща плодовете на нашето въображение. Те попитали: Защо изкуството трябва да бъде клинично “реалистично”? Кубистите “възстанали срещу перспективата” и завзели четвъртото измерение, защото то докосвало третото измерение от всички възможни перспективи. Просто казано, Кубисткото изкуство разкрило четвъртото измерение. Картините на Пикасо са блестящ пример, показващи ясно отричане на триизмерната перспектива, като лицата на жените се виждат от различни перспективи едновременно. Вместо една единствена гледна точка, картините на Пикасо показват мултиплицирани перспективи, сякаш са били нарисувани от същество от четвъртото измерение, можещо да види всички перспективи едновременно. Линда Хендерсън, която е историк на изкуството е написала, “четвъртото измерение и не-Евклидовата геометрия се появяват сред най-важните области обединяващи голяма част от модерното изкуство и теория.”

Обединението на Четирите Сили

Исторически погледнато, физиците са пропускали теорията за по-високите измерения, защото те нито можели да се измерят, нито пък имали някакво практическо приложение. Но за да разберем как добавянето на по-високи измерения може в действителност да опрости физичните проблеми вижте следния пример. За древните Египтяни времето е било пълна мистерия. Каква е била причината за сезоните? Защо е ставало все по-топло като се пътувало на юг? Времето е било невъзможно за обяснение от ограничената гледна точка на древните Египтяни, за които Земята изглеждала плоска, като двуизмерна плоскост.Но сега си представете, че пращате египтяните на ракета в Космоса, откъдето те могат да видят земята в нейната простота и цялост. Изведнъж, отговорите на тези въпроси стават очевидни. От космоса е явно, че Земята е наклонена с около 23 градуса около оста си в орбитата й около Слънцето. Поради този наклон, северното полукълбо поличава много по-малко слънчева светлина по-време на една част от орбитата си отколкото другата част. Ето защо имаме зима и лято. И тъй като екватора поличава средно повече светлина в сравнение с северните и южните полярни региони, ето защо става по-топло с приближаването ни към екватора.Общо казано, законите на метеорологичното време са лесно разбираеми ако видим земята от космоса. Следователно, решението на проблема е да отидем в космоса, в третото измерение. Фактите, които са били невъзможни за разбиране в плоския свят изведнъж стават ясни, когато видим обединената картина на триизмерната земя.

Четирите фундаментални сили

По подобен начин, текущото вълнение относно по-високите измерения е породено от възможността те да държат ключа към унификацията на всички познати сили. Кулминацията на 2000 години ревностно наблюдение е осъзнаването на това, че нашата Вселена се управлява от четири фундаментални сили. Тези четири сили, обаче, могат да бъдат унифицирани в пространство с по-високи измерения. Светлината например, може да бъде видяна просто като вибрации в петото измерение. Другите сили на природата могат да бъдат видяни като вибрации на увеличаващи се по степен измерения. На пръв поглед, четирите фундаментални сили изглежда, че нямат никаква прилика по-между си. Те са:

Гравитацията е силата, която държи краката ни закотвени върху въртящата се земя и задържа слънчевата система и галактиките заедно. Без гравитацията, ние бихме незабавно хвръкнали в космоса със скорост 1000 мили в час. Още повече, без гравитацията, която задържа Слънцето цяло, то би избухнало по катастрофичен начин. Електромагнетизма е силата, която осветява нашите градове и дава енергия на домакинствата. Електронната революция, която ни даде крушката, ТВ, телефона, компютрите, радиото, радара, микровълните, и миялните чинии е продукт на електро-мaгнитната сила.

Силната ядрена сила е силата, която захранва Слънцето. Без ядрената сила, звездите ще угаснат и небесата ще станат тъмни. Ядрената сила не само прави живота на земята възможен, това е и също унищожителната сила на водородната бомба, която може да се сравни с парченце от Слънцето донесено на Земята. Слабата сила е силата отговорна за радиоактивния разпад включващ електроните. Слабата сила е овладяна в модерните болници под формата на радиоактивни следящи устройства, които се използват в ядрената медицина. Слабата сила също причини бедствието в Чернобил. Исторически, когато учените разкриват тайните на една от четирите фундаментални сили, това необратимо променя курса на модерната цивилизация, от господството на механиката и Нютоновата физика през 1700-те, до обуздаването на електро-магнетизма през 1800-те, и накрая до разкриването на ядрената сила през 1900-те. В някакъв смисъл, някои от най-велите пробиви в историята на науката могат да се проследят обратно до поетапното разбиране на тези четири фундаментални сили. Някои дори са твърдели, че прогреса в науката през последните 2000 години може да бъде разгледан като успешно обуздаване на тези четири фундаментални сили. Придавайки важност на тези четири сили, следващият въпрос е: може ли те да се обединят в една супер сила? Дали те са проявявания или израз на много по-дълбока реалност? Поради безплодните усилия вече половин век, на обърканите нобелови лауреати – повечето физици са съгласни, че Теорията на Всичко, трябва да бъде радикално отклонение от всичко, което е било опитвано в миналото. Например, Нилс Бор, основателят на модерната атомна теория, веднъж е слушал обяснението на Волфганг Паули за неговата версия на унифицираната теория на полето. Разстроен, Бор накрая се изправил и казал, “Всички сме съгласни, че теорията ти е напълно смахната. Но това, което ни интересува е дали твоята теория е достатъчно смахната.”Днес, обаче, след десетилетия грешни стартове и отчайващи краища, много от водещите световни физици мислят, че най-накрая са открили теория “достатъчно смахната” за да бъде унифицираната теория на полето. Съществува широко разпространено мнение (въпреки, че със сигурност не е единодушно във всякакъв аспект) в световните главни изследователски лаборатории, че най-накрая сме открили Теорията на Всичко.

Теория на полето в по-високо измерение

За да видим как по-високите измерения помагат да унифицираме законите на природата, физиците използват математическо приспособление наречено “теория на полето”. Например, магнитното поле на пластинка магнит наподобява мрежа на паяк, която изпълва цялото пространство. За да обясним магнитното поле, ние представяме полето като серии от цифри, дефинирани във всяка точка в пространството, които обясняват интензитета и посоката на силата в тази точка. Джеймс Кларк Максуел, през миналия век, доказал, че електро-магнитната сила може да бъде описана с четири числа във всяка точка във четири измерно пространство-време (означени като A _ 1, A _ 2 , A _ 3 , A _ 4 ). Тези четири числа, в замяна, се подчиняват на комплект уравнения (наречени уравнения на полето на Максуел).За гравитационната сила, Айнщайн е показал, че полето изисква общо 10 числа във всяка една точка в четири измерения. Тези 10 числа могат да бъдат обединени в областта показана във фиг. 3. (Тъй като g _ 12 = g _ 21 , само 10 от 16-те цифри съдържащи се в областта са независими.) Гравитационното поле пък се подчинява на уравненията на полето на Айнщайн. Ключовата идея на Теодор Калуза през 1920-те е била да напише 5 измерна теория на гравитацията. В пет измерения, гравитационното поле има 15 независими числа, които могат да се подредят в пет измерна област (виж. Фиг. 4). Калуза след това пре-дефинирал 5-тата колона и ред на гравитационното поле да бъде електромагнитно поле на Максуел. Истински чудотворната черта на тази конструкция е, че петизмерната теория на гравитацията се редуцира прецизно до оригиналната теория на Айнщайн на гравитацията плюс теорията на светлината на Максуел. С други думи, чрез добавянето на петото измерение, ние имаме безпроблемно обединени светлина и гравитация. С други думи, светлината сега се разглежда като вибрации в петото измерение. В пет измерения, “стаята е достатъчно голяма” за унифициране на гравитацията и светлината.Този номер е лесно продължим. Например, ако генерализираме теорията до N измерения, тогава N измерното гравитационно поле може да се раздели на следните парчета (виж фиг.5). Сега, има и генерализация на електромагнитното поле, наречено “Янг-Милс поле”, за което се знае, че описва ядрените сили. Ядрените сили, следователно, могат да се видят като вибрации на по-високо измерно пространство. Просто казано, чрез добавянето на повече измерения, ние можем да обясним повече сили. По подобен начин, чрез добавянето на повече измерения и по-нататъшното украсяване на този подход (с нещо наречено “суперсиметрия”), ние можем да обясним целия “зоопарк” от частици, който беше открит през последните тридесет години, със странни имена като кварки, неутринота, мюони, глуони, и т.н. Въпреки, че математиката, от която имаме нужда за да продължим идеята на Калуза достигна наистина спиращи дъха висини, изумяващи дори професионалните математици, основната идея зад унификацията остава изненадващо проста: силите на природата могат да се видят като вибрации в по-високо измерно пространство.

Какво се е случило преди Големия Взрив?

Едно от предимствата на теорията на всички сили, е че можем да решим едни от трънливите, дълго-стоящи въпроси във физиката, също като произхода на вселената, и съществуването на “червееви дупки” и дори машини на времето. 10 Пространствената суперструнна теория например, ни дава завършено обяснение за произхода на Големия Взрив, космическата експлозия която се случила преди 15-20 милиарда години, която изхвърлила звездите и галактиките във всички посоки. В тази теория вселената първоначално е започнала като перфектна 10 пространсвена Вселена с нищо вътре в нея. В началото Вселената е била напълно празна. Въпреки това тази 10 пространствена Вселена не била стабилна. Първоначалното 10 пространствено пространство-време се е "пречупило" на 2 парчета, на 4 измерна и 6 измерна Вселена. Вселената е направила "квантов скок" към друга Вселена в която 6 от 10-те измерения колапсирали и се накъдрили в малка топчица, позволявайки на останалите 4 измерения да експлоадират навънка с огромна скорост. 4 измерната Вселена (нашия свят) се разширил бързо, създавайки Големия Взрив, докато 6 измерната Вселена се свила в себе си в мъничка топчица с безкрайно малък размер. Това обяснява произхода на Големия Взрив. Текущото разширение на Вселената, което може да измерим с нашите инструменти е по-скоро миниатюрен последващ шок (резонанс) от по-катаклизмичен колапс: разрушаването (разделянето, счупването) на 10 измерната Вселена в 4 и 6 измерна Вселена.В частност, това също обяснява защо ние не можем да измерим 6 измерната Вселена, защото тя се е свила до размер много по малък от атом. Ето защо, нито един земен експеримент не може да измери тази Вселена, защото тя се е свила до мъничка топчица, която не може да се анализира дори и от нашите мощни инструменти. Това би било доста отчайващо за тези които биха искали да посетят тези по-високи измерения през живота си. Тези по-високи измерения са просто много мънички за влизане).

Машини на времето?

Предсъздаване на Съзиданието

Въпреки, че 10 измерната суперструнна теория е наричана най-впечатляващото откритие в теоретичната физика през миналите десетилетия, критиците й са се фокусирали върху най-слабата й точка, която е почти невъзможна за тестване. Енергията, при която четирите фундаментални сили се сливат в една, обединена сила се случва в митичната “Планкова енергия”, която е милиард милиард пъти по-голяма от енергията, която е открита в протон. Дори ако всички нации на Земята се обединят в едно и построят най-големия атомен разбивач в историята, той пак няма да е достатъчно силен за тестване на теорията. Поради това, някои физици се присмиват на идеята, че суперструнната теория дори може да се счита за легитимна “теория”. Нобеловия лауреат Шелдън Глашоу, например, е сравнил суперструнната теория с програмата Междузвездни Войни на бившия президент Рейгън (поради това, че не може да се тества и хаби най-добрия научен талант). Причината, порати която теорията не може да се тества е доста проста. Теорията на Всичко е необходимо да е теория на Съзиданието, тоест, тя трябва да обяснява всичко от произхода на Големия Взрив до лилиите в полето. Пълната й сила е манифестирана незабавно още при Големия Взрив, където всичките й симетрии били непокътнати. За да тестваме тази теория следователно, трява да пресъздадем Съзиданието на земята, което е невъзможно с днешната технология. (Този критицизъм се прилага, в действителност, към която и да е теория на Създаването. Философа Дейвид Хюм, например е вярвал, че научна теория на Съзиданието е философски невъзможна. Това е така поради факта, че основата на науката лежи на предъздаването (репродуцирането), а Съзиданието е едно събитие, което никога не може да се пресъздаде в лаборатория.)

Въпреки, че това е доста обезкуражително, едно парче от пъзела може да се предостави от Суперпроводимия Суперразбивач (Superconducting Supercollider - SSC), който, ако се построи ще бъде най-големия атомен разбивач в света. SSC (който най-вероятно ще бъде отменен от Конгреса) е направен така, че да ускорява протоните с енергии от порядъка на десетки трилиони електрон волтове. Когато тези суб-атомни частици се сблъскат една в друга при тези невероятни енергии в SSC, ще бъдат генерирани такива температури, които не са били виждани още от създаването на Големия Взрив. Ето защо това понякога е наричано “прозорец към Съзиданието”. Струващ 8-10 милиарда, SSC се състои от мощни магнити, които са разположени в тръба дълга 50 мили. В действителност, тя може да пасне перфектвно в околовръстното на Вашингтон. Ако и когато се построи, физиците се надяват, че SSC ще открие някакви суб-атомни частици за да допълни днешното разбиране за четирите сили. Въпреки това, също има малък шанс, физиците да открият “супер-симетрични” частици, които може да бъдат останките от оригиналната суперструнна теория. С други думи, въпреки че суперструнната теория не може да бъде тествана директно от SSC, ние се надяваме, че ще открием резонансите от суперструнната теория сред останките от сблъскалите се протони при енергии невиждани от Големия Взрив насам.