Hiperprzestrzeń

Z encyklopediafantastyki.pl
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
LEKSYKON FANTASTYKI
science


Hiperprzestrzeń (czasami też nadprzestrzeń czy też wielowymiarowa czasoprzestrzeń) ściśle wiąże się z rozwojem teorii fizycznych. Jest ona współcześnie traktowana jako najbardziej obiecująca hipoteza pozwalająca na unifikację wszystkich praw fizyki.

Koncepcja ilości wymiarów wszechświata jest związana z ciągiem teorii fizycznych:

  • przestrzeń – trójwymiarowa przestrzeń euklidesowa w mechanice Newtona
  • czasoprzestrzeń – czterowymiarowa przestrzeń pseudoriemannowska opisywana przez teorię względności
  • hiperprzestrzeń albo czasoprzestrzeń o więcej niż 4 wymiarach (n-wymiarowa przestrzeń)

Spis treści

Teoria Kaluzy-Kleina

Pierwszą znaną teorią fizyczną wykorzystującą przestrzeń o liczbie wymiarów większej od 4 była teoria Kaluzy-Kleina, która za pomocą postulatu istnienia czterech wymiarów przestrzeni i jednego wymiaru czasowego łączyła ogólną teorię względności i elektromagnetyzm. Była ona jednak niekompletna. Po pierwsze, nie obejmowała wszystkich oddziaływań, a po drugie była niesprawdzalna. Tłumaczyła, że czwartego wymiaru przestrzeni nie widać, ponieważ jest ciasno zwinięty do rozmiarów bliskich długości Plancka (10-35 m), a jego eksperymentalne badanie wymagałoby użycia astronomicznych energii rzędu 1028 elektronowoltów.

Teorie unifikacji

W tym czasie rozwinął się inny ważny dział fizyki, mechanika kwantowa, która doprowadziła do narodzin tzw. Modelu Standardowego. Korzysta on z pola Yanga-Millsa, które wprawdzie wywodzi się z teorii Kaluzy-Kleina, ale pomija istnienie dodatkowych wymiarów przestrzennych. Mimo sukcesów doświadczalnych Modelu Standardowego w skali mikroświata nie udawało się uzasadnić wielkiej ilości zaobserwowanych cząstek elementarnych, ani zintegrować go w spójną całość z obowiązującą w skali makro teorią grawitacji. Z powodu porażki teorii wielkiej unifikacji (GUT), idea symetrii w wyższych wymiarach została ponownie podjęta. Stało się jednak jasne, że w tym celu należy użyć większej ilości wymiarów niż w pierwotnej teorii Kaluzy-Kleina.

Teoria strun

Postulowana ilość wymiarów jest różna w zależności od teorii. W latach 70. teoria supergrawitacji zakładała, że czasoprzestrzeń ma 11 wymiarów, a tzw. teoria strun bozonowych mówiła o 26 (3x8+2) wymiarach. Jej nowsza wersja z lat 80., czyli teoria superstrun, mówi, że wymiarów tych jest 10 (8+2). Założenia obu teorii strun wynikają z właściwości matematycznych funkcji modularnych, a ściślej funkcji Ramanujana (dodatkowe dwa wymiary wiążą się z teorią względności). W M-teorii z lat 90., która unifikuje wszystkie pięć odmian teorii superstrun, czasoprzestrzeń ma 11 wymiarów.

Fizyka hiperprzestrzeni

W największym uogólnieniu wszystkie oddziaływania i cząstki (przy założeniu, że są to drgające struny) można potraktować jako odkształcenia wielowymiarowej czasoprzestrzeni. Jest to podejście analogiczne do uznania grawitacji za zagięcie 4-wymiarowej czasoprzestrzeni w teorii względności, ale dzięki przyjęciu większej liczby wymiarów "pojemność" tej koncepcji jest znacznie większa. Czyni to wielowymiarową czasoprzestrzeń dobrym narzędziem do próby stworzenia Ogólnej Teorii Wszystkiego. Symetryczna wielowymiarowa czasoprzestrzeń to prawdopodobnie pierwotny kształt naszego wszechświata sprzed Wielkiego Wybuchu. W myśl tej teorii obecnie obserwowana czterowymiarowa forma powstała poprzez złamanie owej pierwotnej symetrii i ciasne zwinięcie pozostałych wymiarów. Uznanie wielowymiarowej czasoprzestrzeni jako naturalnego stanu z czasów początku wszechświata wyjaśnia dlaczego tak trudno byłoby wykazać ją eksperymentalnie. Oznaczałoby to bowiem konieczność laboratoryjnego odtworzenia panujących wtedy ekstremalnych warunków. Mimo że te zwinięte wymiary mają być o wiele mniejsze niż rozmiary atomu, a więc normalnie niedostrzegalne, to ich istnienie ma poważne konsekwencje. Pozwalają one mianowicie wyrazić prawa fizyczne za pomocą praw geometrii, czyli zredukować fizykę do czystej matematyki. Wobec tego pytanie, jak pośrednio zweryfikować istnienie ukrytych wymiarów, pozostaje zasadne. Niemożność przeprowadzenia takiego dowodu oznaczałaby, że mimo prostoty i piękna takiej konstrukcji jest ona tylko bytem matematycznym, pozbawionym fizycznego sensu.

Hiperprzestrzeń w SF

W fantastyce naukowej hiperprzestrzeń (częściej nadprzestrzeń) to rodzaj alternatywnej przestrzeni, w której możliwe jest pokonywanie odległości w krótszym czasie niż potrzebuje do tego światło (podróże FTL).

Jest to tłumaczone faktem poruszania się statków kosmicznych z prędkością większą od prędkości światła przy użyciu tzw. hipernapędu lub napędu nadprzestrzennego. Jest to napęd wykorzystujący dane właściwości czasoprzestrzeni. Najczęściej dzięki niemu statek kosmiczny przyspiesza tak, że wszystkie kolory "za oknem" rozmazują się i statek zaczyna pędzić przez kosmos. Dobrym przykładem właśnie takiego naukowego podchodzenia do nadprzestrzeni jest cykl Fundacja Asimova. Wg owego cyklu trzeba najpierw dokonać dokładnych obliczeń, trwających nawet kilkanaście dni, w których uwzględnia się głównie siły grawitacyjne obiektów na drodze, a potem następuje skok i w ułamku sekundy statek przenosi się we wskazane miejsce. W świecie Gwiezdnych wojen, nadprzestrzeń w pewnym sensie odwzorowuje przestrzeń standardową i korzystanie w niej nie odbywa się na zasadzie korzystania z "pozawymiarowego tunelu" - a osiągane tam prędkości mogą być większe od prędkości światła ze względu na różnice we właściwościach fizycznych hiperprzestrzeni i przestrzeni zwykłej.

Inną możliwością jest stworzenie przejścia w czasoprzestrzeni wszechświata do wyższego wymiaru (patrz Tunel Czasoprzestrzenny, w którym droga między dwoma odpowiadającymi punktami jest krótsza.

Patrz też:

Osobiste
Przestrzenie nazw
Warianty
Działania
Nawigacja
Narzędzia
Pomoc
Szablony