Jedním z hlavních úkolů dnešní teoretické fyziky je najít odpověď na otázku, zda existují vyšší dimenze. Skládá se prostor skutečně jen z délky, šířky a výšky, nebo je to jen omezení lidského vnímání? Po tisíciletí vědci důrazně odmítali myšlenku existence vícerozměrného prostoru. Vědecká a technologická revoluce se však hodně změnila a dnes už věda není v otázce vyšších dimenzí tak kategorická.
Co je podstatou konceptu „multidimenzionálního prostoru“?
Člověk žije ve světě, který se skládá ze tří dimenzí. Souřadnice libovolného objektu mohou být vyjádřeny ve třech hodnotách. A někdy i dva – pokud jde o to, co je na povrchu Země.
Délku, šířku a výšku lze použít k popisu pozemských objektů i nebeských těles – planet, hvězd a galaxií. Vystačí i na věci obývající mikrokosmos – molekuly, atomy a elementárníčástice. Čtvrtá dimenze je považována za čas.
V multidimenzionálním prostoru musí být alespoň pět dimenzí. Moderní teoretická fyzika vyvinula mnoho teorií pro prostory s různými rozměry – až do 26. Existuje také teorie, která popisuje prostor s nekonečným počtem rozměrů.
Od Euklida k Einsteinovi
Fyzici a matematici starověku, středověku a novověku kategoricky popírali možnost existence vyšších dimenzí. Někteří matematici dokonce odvodili zdůvodnění pro omezení prostoru třemi parametry. Euklidovská geometrie předpokládala pouze tři rozměry.
Před příchodem obecné teorie relativity vědci obecně považovali vícerozměrný prostor za předmět nehodný studia a rozvoje teorií. Když Albert Einstein formuloval koncepty časoprostoru a spojil tři rozměry se čtvrtým, časem, jistota v této záležitosti okamžitě zmizela.
Teorie relativity dokazuje, že čas a prostor nejsou oddělené a nezávislé věci. Pokud například astronauti nastoupí na loď, která se dlouhou dobu pohybuje vysokou rychlostí, budou po návratu na Zemi mladší než jejich vrstevníci. Důvodem je, že jim uplyne méně času než lidem na Zemi.
Kaluza-Kleinova teorie
V roce 1921 vytvořil německý matematik Theodor Kaluza pomocí rovnic teorie relativity teorii, kterákterý poprvé spojil gravitaci a elektromagnetismus. Podle této teorie má prostor pět dimenzí (včetně času).
V roce 1926 švédský fyzik Oscar Klein odvodil zdůvodnění neviditelnosti páté dimenze, kterou popsal Kaluza. Spočívalo v tom, že vyšší dimenze jsou komprimovány na neuvěřitelně malou hodnotu, která se nazývá Planckova hodnota a je 10-35. Následně to vytvořilo základ dalších teorií vícerozměrného prostoru.
Teorie strun
Tato oblast teoretické fyziky je zdaleka nejslibnější. Teorie strun tvrdí, že je to, co fyzici hledali od nástupu obecné teorie relativity. Toto je takzvaná teorie všeho.
Faktem je, že dva základní fyzikální principy – teorie relativity a kvantová mechanika – jsou ve vzájemném neřešitelném rozporu. Teorie všeho je hypotetický koncept, který by mohl vysvětlit tento paradox. Na druhou stranu, teorie strun je pro tuto roli vhodnější.
Podstatou toho je, že na subatomární úrovni struktury světa částice vibrují, podobně jako vibrace běžných strun, například houslí. Odtud dostala teorie svůj název. Navíc jsou rozměry těchto strun extrémně malé a kolísají kolem Planckovy délky - stejné, která se objevuje v Kaluzově-Kleinově teorii. Pokud se atom zvětší na velikost galaxie, pak řetězec dosáhne pouze velikosti dospělého stromu. Teorie strun funguje pouze ve vícerozměrném prostoru. A je jich několikverze. Některé vyžadují 10-rozměrný prostor, zatímco jiné vyžadují 26-rozměrný prostor.
V době svého vzniku byla teorie strun vnímána fyziky velmi skepticky. Dnes je však nejoblíbenější a na jeho vývoji se podílí mnoho teoretických fyziků. Zatím však není možné dokázat ustanovení teorie experimentálně.
Hilbertův prostor
Další teorií popisující vyšší dimenze je Hilbertův prostor. Popsal ji německý matematik David Hilbert při práci na teorii integrálních rovnic.
Hilbertův prostor je matematická teorie, která popisuje vlastnosti euklidovského prostoru v nekonečné dimenzi. To znamená, že je to multidimenzionální prostor s nekonečným počtem dimenzí.
Hyperprostor ve sci-fi
Myšlenka vícerozměrného prostoru vyústila v mnoho sci-fi zápletek – literárních i filmových.
V tetralogii Dana Simmonse „Songs of Hyperion“tedy lidstvo používá síť hyperprostorových nulových portálů schopných okamžitě přenášet objekty na velkou vzdálenost. Ve hře Starship Troopers Roberta Heinleina vojáci také používají hyperprostor k cestování.
Myšlenka hyperprostorového letu byla použita v mnoha filmech vesmírné opery, včetně slavné ságy Star Wars a televizního seriálu Babylon 5.
Děj filmu „Interstellar“je téměř zcela svázán s touto myšlenkouvyšší dimenze. Při hledání vhodné planety pro kolonizaci cestují hrdinové vesmírem červími dírami – hyperprostorovým tunelem vedoucím do jiného systému. A ke konci se hlavní hrdina dostává do světa multidimenzionálního prostoru, s jehož pomocí se mu daří přenášet informace do minulosti. Film také jasně ukazuje spojení mezi prostorem a časem, jak vyvodil Einstein: pro astronauty plyne čas pomaleji než pro postavy na Zemi.
Ve filmu "Cube 2: Hypercube" se postavy ocitnou uvnitř tesseractu. V teorii vyšších dimenzí se tedy nazývá vícerozměrná krychle. Při hledání cesty ven se ocitnou v paralelních vesmírech, kde se setkávají se svými alternativními verzemi.
Myšlenka vícerozměrného prostoru je stále fantastická a neprokázaná. Dnes je však mnohem bližší a skutečnější než před pár desítkami let. Je docela možné, že v příštím století vědci objeví způsob, jak se pohybovat ve vyšších dimenzích, a tedy cestovat v paralelních světech. Do té doby budou lidé o tomto tématu hodně fantazírovat a vymýšlet úžasné příběhy.
