Zamanın ve uzayın ötesinde, n-boyutlu
Kaynak: Science Squirrel Association Süper matematiksel modelleme
Çevirmen: Mayıs kafur;
Redaksiyon: CS;
Üç boyutlu problemlerde çok rahatız ve gerektiğinde dört boyutlu problemlerle başa çıkabiliriz. Katı ve sonsuz uzaylı üç boyutlu bir dünyayı hiç çaba harcamadan kabul edebiliriz. Dördüncü boyut zamanını ekledikten sonra durum biraz daha karmaşıktır.
Ancak, az ya da çok boyutluluk içeren dünyayı incelemeye başladığımızda, durum gerçekten karmaşık hale gelir.
Bu harika dünyalar biraz baş ağrısa da, gerçekten önemli.
Örneğin, evrensel teori için en umut verici adayımız olan sicim teorisinin, 10 boyutun altındaki zaman ve uzayda hiçbir anlamı yoktur.
Başka bir örnek olarak, katıların süper iletkenlik gibi bazı garip ama faydalı özelliklerinin iki boyutlu, tek boyutlu ve hatta sıfır boyutlu teoriler kullanılarak açıklanması gerekir.
Şimdi boyutları açıklamanın en zor kısmı ile başlıyoruz: boyut nedir? Neden bu kadar tanımlanmış? Hangi uygulaması var? Bu süreçte deli olmayın veya dikkatinizi dağıtmayın.
Boyut nedir?
Böylesine basit bir soru için basit bir cevabımız olduğunu düşünebilirsiniz, ancak maalesef durum böyle değil. Gerçekler sadece boyutu tanımlamanın çok zor bir sorun olduğunu kanıtladı.
En sezgisel ve en eski boyut tanımı şudur: Bir sistemin sahip olduğu boyutların sayısı, bir nesnenin hareket edebileceği bağımsız yönlerin sayısıdır.
Yukarı ve aşağı yalnızca bir boyut olarak kabul edilir, çünkü yukarı ve aşağı aynı madalyonun iki yüzüdür ve yukarı çıkmak, alttan uzağa gitmek demektir. Aynı şey sol ve sağ, ön ve arka için de geçerlidir, ancak üst ile sağ, alt ve arka arasında böyle bir ilişki yoktur.
Böylece antik Yunan geometri uzmanı şöyle dedi: Üç boyutlu bir dünyada yaşıyoruz.
Artık her şey basit ama işler yakında kontrolden çıkmaya başlayacak.
Ayrıca ihtiyacımız var Uzay ve zaman Evrendeki yerimizi tanımlamak için.
18. yüzyılın sonlarında, Fransız D'Alembert ve Lagrange, zamanı tanımlamak için kullanılan matematik dilinin, uzayı tanımlamak için kullanılan matematik diline çok benzediğini keşfettiler.
Bu nedenle, o zamanki matematikçiler hızlı bir şekilde şu sonuca vardılar: Dördüncü boyut zaman .
Böylelikle düşünce kapısı açılır ve zaman dördüncü boyut olarak kabul edilir.Bu yeni anlayış orijinal tanımının çok ötesine geçer ve boyut kavramını büyük ölçüde genişletir.
O zamandan beri, boyut artık sadece fiziksel uzay koordinatlarını tanımlamıyor, bağımsız koordinatları veya herhangi bir nesnenin durumunu belirleyen değişkenlerin sayısını açıklamak için genel bir terim olarak kullanılıyor.
Bu el gerçekten zekice, çünkü o zaman matematikçiler geometrik analizi incelemek istedikleri hemen hemen her şeyle başa çıkmak için keskin bir araç olarak kullanabilirler.
Örneğin, bir iktisatçı artık tüm ekonomik faaliyeti devasa bir çok boyutlu nesne olarak görebilir. Buharda pişirilmiş ekmeğin veya soya fasulyesi hamurunun fiyat yükselişi ve düşüşü, çok boyutlu bir alanda fiyat koordinatlarının hareketi olarak tanımlanabilir ki bu, bizim hareketimize tamamen önden ve arkadan veya yukarı aşağı yönlerde benzerdir.Tabii bunlar, ekonominin durumunu tanımlayan milyonlarca boyuttan sadece ikisi. .
Boyutu anlamak
Lütfen önce bu cümlenin sonundaki noktayı doldurun ve sonra ona bakın.
Tebrikler, sıfır boyutlu uzaya şahit oldunuz.
Şimdi kağıdın kenarı boyunca hareket etmek için parmağınızı kullanın ve bu sayfaya bir sayfa olarak bakın.
Bu sırasıyla tek boyutlu ve iki boyutlu uzaydır, kolay değil mi?
Ama şimdi, üç boyutun ötesinde bir alan hayal etmeye çalışın.
Başım ağrıyor? Merak etmeyin, birçok insan sizin gibidir.
" Şahsen üç boyutun ötesinde bir alan hayal edemiyorum ", Imperial College London'da bir sicim teorisi uzmanı olan Michael Duff, çalışmalarının genellikle on boyutlu veya on bir boyutlu nesnelerle uğraşması gerektiğini söyledi.
Bu açık cevapla şaşkına dönen teorik fizikçiler teorilerine neden güvenebilirler?
17. yüzyılda Fransız matematikçi Descartes, problemi onlar için çözdü ve gerçek geometrik uzayı soyut cebirsel denklemlere dönüştürdü.
Örneğin, belirli bir uzunlukta bir doğru parçası verildiğinde, bir ucu sabittir ve diğer ucu iki boyutlu bir uzayda döndürülür, o zaman doğru parçası döndürüldüğünde x ve y koordinatları arasındaki ilişkiyi tanımlayan bir denklem yazabilirsiniz.Bu bir dairenin cebirsel ifadesidir.
Bu fikir gerçekten çok güçlü ve o andan itibaren boyutsallık sadece daha fazla koordinat eklenerek "herhangi bir boyutta" artırılabilir.
Örneğin, yeni bir koordinat z ekleyerek, üç boyutlu bir küreyi tanımlamak için denklemi sağlayan x ve y koordinatlarıyla iki boyutlu bir daireyi tanımlama yöntemini kullanabiliriz.
Öyleyse neden bundan sonra dört, beş veya altı boyutlu "hiper küre" için denklemleri yazmaya başlamıyorsunuz?
1854'e kadar Alman matematikçi Riemann yengeç yiyen ilk kişi oldu. Üç boyutlu geometriyi herhangi bir sayıda boyuta genelleştirin. Bu çok boyutlu denklem çok önemli değil. Princeton İleri Araştırmalar Okulu'ndan sicim kuramcısı Witton, "Sonuçların üstesinden gelmek zor değil" dedi.
Matematiksel olarak bu doğru, ama yardım edemiyoruz ama merak ediyoruz, bu yüksek boyutlu nesneler aslında neye benziyor?
New York Üniversitesi'nden fizikçi Gia Dvali, kafanızda bazı yararlı görüntüler düşünebildiğiniz sürece bunun aslında alakasız olduğunu düşünüyor.
Denklemlerin özü, resimler ve animasyonlarla kolayca hatırlanabilir. "Dedi.
Ona göre, Newton'un yerçekimi yasasının görüntüsü şudur: Bir kütle nesnesi tarafından üretilen yerçekimi alanının kuvvet çizgileri her yönden sonsuzluğa uzanır. Uzayın kaç boyutu olduğunu hayal ederseniz edin, bu görüntü eşit derecede geçerlidir.
Dvali kabul ediyor: "Bu tür bir fiziksel görüntünün gerçek boyut dışı uzay ile hiçbir ilgisi yoktur, ancak kanunu kolayca yüksek boyutlu uzaya genişletmemize izin verir."
Sıfır boyutlandırma noktası
İmparatorun yeni kıyafetleri gibi sıfır boyutlu şeyler?
Aslında bu ifade çok çelişkilidir. Boyutlar olmadan hiçbir şeye yer olmadığından, sıfır boyut hiçbir şey ifade etmemelidir.
Kesinlikle?
Şart değil.
Fizikteki en popüler nesnelerden bazılarına kuantum noktaları denir Sıfır boyutlu yarı iletken yapı . Nanometreden mikrometreye kadar her şey olabilir Fiziksel ölçeği sıfır olmamasına rağmen, elektronlar o kadar yoğun bir şekilde paketlenmiştir ki, serbest boyutları yoktur.
Hollanda'daki Delft Üniversitesi'nden Leo Kouwenhoven şunları söyledi: "Bu, elektrik yükü için sıfır boyutlu bir tuzaktır." Bu şekilde hapsedilen elektronlar çok özel bir şekilde çalışır ve bu da bazı son derece yararlı özellikler getirir.
Her şeyden önce, kuantum noktalarında hapsolmuş elektronların hareket etmesi zor olduğundan, kuantum noktalarına herhangi bir enerji girdisi, buralardaki elektronları rahatsız etmek için kullanılamaz, ancak yalnızca ışık biçiminde salınabilir, bu da kuantum noktalarının üretilmeyi umutlu kılar. Yüksek verimli ve düşük güçlü ışık kaynağı.
Çok küçük oldukları için, bu kuantum noktaları, canlı organizmalardaki biyokimyasal süreçlerini izlemek için antikorlar gibi biyomolekülleri tanımlamak için floresan işaretler olarak da kullanılabilir.
Kouwenhoven, kuantum noktalarının uygulanmasının hala çok uzakta olduğunu kabul ediyor. Önce kuantum noktaları yapmak için toksik olmayan malzemeler kullanmamız gerektiğini söyledi. Kendi araştırması, başka bir potansiyel uygulama sıcak noktasına odaklanmaktadır. Bir kuantum noktaya yapışan her uyarılmış elektron, doğru bir şekilde bir foton ürettiğinden, bilgiler fotonlar ve elektronlar arasında güvenilir bir şekilde ileri geri aktarılabilir, bu da kuantum noktalarının verileri kontrol etmek ve depolamak için ilk nesil kuantum bilgisayarlarda kullanılabilmesini sağlar Uygun ortam.
Kuantum bilgisayarların işlevleri şaşırtıcı derecede güçlüdür Yeterince büyük bir kuantum bilgisayar inşa edebilirsek, bilgiyi işleme şeklimizi kesinlikle değiştirecektir.
Kouwenhoven, "Belki birkaç yıl içinde kuantum noktaları kullanan prototiplere sahip olacağız. Ticari uygulamalara gelince, yaklaşık on yıl sürebilir."
Biraz neşe değil mi? Görünüşe göre "hiçlik" içinde "olmak" tamamen imkansız değil.
Düz bir çizgi boyunca tek boyutlu yürüyüş
Tek boyutlu fizik biraz tanıdık gelmeye başlıyor. Bir boyut, Newton'un hareket yasası gibi klasik fiziksel yasaların çalıştığı ideal bir ortam olan düz bir çizgidir.
Ancak, antik tek boyutlu dünyanın hayata geçmeye başladığı nokta kuantum fiziğidir. İsviçre, Cenevre Üniversitesi'nde tek boyutlu malzeme uzmanı olan Thierry Giamarchi, "Tek boyutlu bir dünyada, başka hiçbir boyutta bulunmayan yeni efektler elde edebilirsiniz" dedi.
Örneğin, elektronların davranışı, normal şartlar altında, aynı türden kaçınmak için ellerinden geleni yaparlar, ancak yalnızca ileri geri hareket edebilen tek boyutlu bir kanala hapsolduklarında, etkileşime başlarlar ve bütün bir elektron gibi hareket eder. Doğru koşullar altında, elektronların özellikleri değişir: sıkışmış bir elektron, biri yüküyle diğeri dönüşüyle olmak üzere iki parçacık gibi davranabilir. Giamarchi: "Bu tür bir fenomen, tek boyutlu bir dünyada nadir değildir."
Elektronların bu özellikleri teorik önemden daha fazlasına sahiptir. Elektronik bileşenler küçüldükçe, tek boyutlu fizik efektleri gittikçe daha önemli hale geliyor. Tek boyutlu karbon nanometre kontrolünü gerektiğinde iletkenlere veya yarı iletkenlere dönüştürebiliriz.Bu, gelecekte birkaç nesil için bilgisayar çipi imalat endüstrisinde sıcak bir alan olacak.
1½ boyutlu fraktal manzara
Sınırı iki boyutlu bir yüzey ve iki boyutlu bir yüzeyin sınırı tek boyutlu bir çizgi olan üç boyutlu bir dünyada yaşıyoruz. Bu rahat, anlaşılması kolay, tamsayı boyutlu bir dünya.
Bu doğru mu? Matematikçi Mandebro, 1982'de yayınlanan "Doğanın Fraktal Geometrisi" nde şunu belirtmiştir: Bulutlar küresel değildir, dağlar konik değildir ve kıyı şeritleri yuvarlak değildir. Gerçek dünyanın boyutları aslında düzgün tamsayı boyutları değildir.
Kar tanelerinin güzel dış çevresinin izini sürmek istediğinizi düşünüyorsanız, ne kadar yakınlaştırırsanız, kendinizi o kadar karmaşık bir şekle karşı karşıya bulacaksınız ve ne kadar yakın çizerseniz, çizgi o kadar uzun olacaktır. Hala bir çizgi çiziyorsunuz, ancak düz bir çizgiden çok daha fazla kıvrımı var. Bir çizgi, ne kadar sert eğilirse eğilsin, yine de tek boyutlu bir nesnedir, değil mi?
Öyle değil. Fraktal boyuta hoş geldiniz: tanıdık tek boyutlu, iki boyutlu ve üç boyutlu dünyalar arasında düzensiz bir boyut. Fraktal boyutlar, genellikle aşina olduğumuz sol ve sağ, ön ve arka ve üst ve alt boyutlarından farklıdır. Yakından ilişkilidirler: Karmaşık bir nesnenin ayrıntılarını daha küçük ölçekte gözlemleyip ölçtüğünüzde, nesnenin fazladan ne kadar yer kapladığını açıklarlar. Uzay. (Grafiğe bakınız)
Sadece kar taneleri değil, birçok doğal nesnenin fraktal şekilleri vardır: nehir ağları, dal şimşekleri, bulutlar, brokoli. Hatta dünyanın neresinde olduğunuza bağlı olarak fraktal bir manzarada yaşadığınızı bile iddia edebilirsiniz.
Örneğin, ölçümün doğruluğunun kıstas veya kaliper seviyesi olmasına bağlı olarak, Birleşik Krallık'ın engebeli kıyı şeridinin uzunluğu büyük ölçüde değişir ve fraktal boyutu yaklaşık 1,25 olarak hesaplanır. Düzgün Güney Afrika düz bir çizgiden sadece biraz daha pürüzlüdür ve fraktal boyutu 1.02'dir.
Düz bir ülkenin iki boyutlu manzarası
Birleşik Krallık'taki Manchester Üniversitesi'nden Andre Geim şunları söyledi: "İki boyut harika." Bir boyut tatmin edici olamayacak kadar basitken, üç boyut çok karmaşık ve dağınık. İki boyutlu "düz ülke" tam olarak doğru ve alanı ilginç ve faydalı şeylerin ortaya çıkmasına izin verecek kadar doğru. Geim, "Bir fizikçi olarak bu boyutta yaşamak istiyorsunuz." Dedi.
Elbette öyle derdi. Geim'in ekibi ilk iki boyutlu grafeni 2004 yılında üretti. Sadece bir karbon atomu kalınlığındaki bu iki boyutlu karbon levha elektronların neredeyse engelsiz bir şekilde geçmesine izin veriyor.Bu malzemenin uygulama olanakları çok büyük. Gelecekte bilgisayar telleri tek boyutlu nanotüplerden yapılırsa, grafen devre kartı yapmak için ideal bir malzeme olacaktır.
İki boyutlu dünyanın faydaları bundan daha fazlasıdır. Başka bir örnek de yüksek sıcaklık süperiletkenleridir. Süperiletkenlerin 130K civarında var olduğunu uzun zamandır biliyoruz, ancak fiziksel mekanizmaları tam olarak anlaşılmadı. 20 yıllık zorlu araştırmalardan sonra, artık sadece süperiletkenliğin elektrik yüklerinin etkileşiminden kaynaklanabileceğini biliyoruz. Boyutlu "şerit". Süperiletkenliğin arkasına gizlenmiş iki boyutlu dünyanın anlaşılması, oda sıcaklığında süperiletkenler üzerinde araştırma yapmamıza yardımcı olacaktır.
İki boyutlu düzlem hem gerçekçi hem de derindir. Elektronlar, 0.33K'dan daha düşük bir sıcaklığa sahip iki boyutlu katmanlı yarı iletken bir malzemede güçlü bir manyetik alanla hapsedildiğinde, temelde uzun süre ayrılmaz olarak kabul edilen elektronlar, fraksiyonel yüklerle parçacıklara bölünmüş gibi görünür.Bu fenomen fraksiyonel kuantum Hall etkisi olarak adlandırılır. Parçacıklara anyon denir.
Anyon bizden sadece elektronların doğasını yeniden düşünmemizi istemiyor, aynı zamanda sıfır boyutlu kuantum noktaları gibi, bize bir süper kuantum bilgisayar inşa etme umudu veriyor. Bu tür bir makine, kuantum sistemlerinin davranışını sadık bir şekilde simüle edebilir.Eğer büyük ölçekte kullanıma sokulabilirse, bilgi işleme süreci başka bir devrimi başlatacaktır.
Sonuç olarak, "iki boyutlu" düzlükte, yeni ilaçların geliştirilmesinden paralel evrene kadar neredeyse her şeyin geleceğine giden yollar var.
Üç boyutlu - öyleyse öyleyim?
İki boyutlu düzlükler ve çok boyutlu hiper uzay, hayal gücü için güzel eğlence mekanları haline geldi, ancak bedenlerimiz üç boyutlu uzayda sıkışmış gibi görünüyor. Neden iki boyutta, dört boyutta, beş boyutta ya da daha fazla yaşamıyoruz? Son zamanlarda, fizikçiler uzay-zamanın doğasını açıklamak için evrensel çekim ve kuantum teorisini bütünleştirmeye çalıştıklarında, bu eski soru da yeniden gündeme gelecektir.
Kuantum yerçekimine giden bir yol olarak, sicim teorisi tatmin edici olmayan bulanık bir cevap verir: 0 ila 10 boyut arasında boşluklar mümkündür. Bu, teorik fizikçileri antropik ilkeye başvurmaya teşvik eder: çeşitli boyutlarda evren mümkündür Gördüğümüz dünyanın üç boyutlu olmasının nedeni, eğer değilse, o zaman insanlar onun içinde var olamaz ve elde edemezler. Bu gözlem. (Not: "Antropik ilke" nin gözlemlendiği evrenin çevresi, gözlemcilerin varlığına izin vermelidir.)
2005'te Seattle'daki Washington Üniversitesi'nden Andreas Karch ve Harvard Üniversitesi'nden Lisa Randall, bu sorunu açıklığa kavuşturmak için fiziksel ilkelere daha çok dayanan bir açıklama önerdiler. Teorik bir model oluşturdular.Bu modelin uzay-zamanı, sicim kuramında en çok kabul gören on boyutlu uzay-zamandır.Zamanla genişleyen bu hiper uzayda, içlerinde yüzen çeşitli boyutlarda evrenler vardır ve çarpıştıklarında yok olurlar. Hesaplamalar, üç ve yedi boyutlu evrenlerin büyük olasılıkla bu çarpışmadan sağ çıkacağını gösteriyor.
Bu modeli kabul ederseniz, üç boyutlu uzay için neden yumuşak bir noktaya sahip olduğumuz sorusuna neredeyse cevap verir. Son soru dışında, neden kalabalık üç boyutlu yerine daha geniş yedi boyutlu olmasın?
Bu sorun, son zamanlarda Avrupalı bir araştırma grubu tarafından yapılan çalışmayla açıklanabilir. Uzay-zamanın tek tip bir bütün olmadığına, çok küçük parçalardan oluşan bir mikro element olduğuna inanıyorlar. Bu nedenle, zaman ve uzayı, tüm uzayı ve zamanı oluşturmak için farklı şekillerde birbirine yapıştırılmış basit basit şekillere böldüler.
Simplex (simpleks olarak da adlandırılır) uzaydaki en basit polihedrondur ve düzlem geometrisindeki üçgen kavramının yüksek boyutlarda doğal uzantısıdır. Kuantum teorisi bize, evrenin gerçek şeklinin, tüm bu farklı bağlanma yöntemlerinin olasılıksal bir üstüste binmesi gerektiğini söyler.Bu evren modelindeki nedensel ilişkinin kesin olarak karşılanmasını isteyerek, araştırma ekibi, evrenin zamanının tek boyutlu, uzay Kesin üç boyutludur.
Bu araştırmaya göre uzay-zaman boyutlarının ölçeğinde bir dönüm noktası olduğu söylenebilir: son derece küçük ölçeklerde uzayın boyutları değişecek, üç boyuttan biri kaybolacak ve yalnızca iki boyut kalacaktır (Not: metinde Uzay-zaman çok düşük bir ölçekte 2 boyutlu hale gelecektir Bu, yazarın anladığı gibi, üç boyutlu olanın 2 boyutlu olarak kaybolmasından ziyade, 4 boyutlu uzay-zamanın 2 boyutlu hale gelmesidir. Orijinal metin için bakınız "NewScientist", 2009-8-29, s. 34).
Belki de son derece küçük ölçekler görecek kadar dikkatli gözlemlerseniz, o zaman hala 2 boyutlu bir dünyada yaşadığımızı göreceksiniz.
Dört Boyut-Zaman, Büyük Yalancı
Uzay üç boyuttan oluşur ve zaman da bir boyuttur, öyleyse neden bu kadar farklı?
Cevap: Farklı değil. Fizikçi Penrose, Gravity adlı kitabında şöyle yazdı: "Uzay ve zaman bağımsız kavramlar değildir." Einstein'ın özel görelilik teorisinde, zaman ve uzay bir bütün halinde birleşir. Bir gözlemci için, farklı uzaysal koordinatlara sahip iki nesne, başka bir gözlemcinin gözünde farklı zaman ve uzay koordinatlarına sahip olabilir; benzer şekilde, bir gözlemcinin gözünde aynı yerde meydana gelirler. Başka bir gözlemcinin gözünde iki olayın zaman ve mekan koordinatları farklı olabilir.
Bu, günlük deneyimlerimizden çok farklı çünkü yeterince hızlı değiliz. İki gözlemcinin gözlemleri arasındaki fark, ancak göreli hızları, evrenin hızının üst sınırı olan ışık hızına yaklaştığında belirginleşir.
Einstein'ın fiziksel teorisi derin bir gerçeği ortaya çıkarır: zaman ve uzay, tıpkı bir kumaşın çözgü ve atkıları gibi yakından iç içe ve ayrılmazdır. Ama ikisi arasında da bariz bir fark var: Prensipte üç boyutlu uzayda herhangi bir yöne gidebiliriz, ancak zamanla yalnızca tek yönlü bir yolculuğumuz olabilir: geçmişten geleceğe. Bu farkı nasıl anlayabilirim?
New York'taki Clarkson Üniversitesi'nde fizikçi olan Lawrence Schulman açıkladı: Bu aynı zamanda evrenin hızının üst sınırından da kaynaklanıyor. Şu varsayımsal deneyi düşünün: Güneşli bir sabah saat 7'de perdeleri açın. Güneşin 6: 55'te patladığını varsayalım, ancak bunu hissedemiyoruz ve etrafımızda hala güneş ışığı var, çünkü ışığın güneşten dünyaya gitmesi sekiz buçuk dakika sürüyor.
Aşağıdaki şekle bakın (basitleştirmek için yalnızca bir boyutlu zaman ve iki boyutlu uzay çizilmiştir) Bu örnekte, evrendeki patlayan güneş, pencerenin yanında durmamız gibi herhangi bir olay zaman olarak ifade edilebilir. Uzay haritasında bir nokta. Noktadan yayılan iki ışık ışınından oluşan ışık konisi, biri olay noktasından başlayan ışık prensibini, olay noktasının zaman ve uzayda hareket ettiğini, diğeri ise olay noktasına doğru hareket eden ışığı temsil eder. Pencereden güneş patladığında güneşin patlayan davranışını görebilirsek, bilgiyi bulunduğumuz yerdeki ışık konisini aşacak şekilde yaymamız ve evrende izin verilmeyen ışık hızından daha hızlı hareket etmemiz gerekir.
Schulman, "Evrenin bir kısmını erişilemez kılan, evrenin hızının üst sınırıdır" dedi. Zamanın ve uzayın simetrisini kırar, böylece elde ettiğimiz bilgi ancak geçmişten geleceğe akabilir. Bu zamandır. Tek yön.
Beş boyut - görünmez alana girin
Evrenin kaç boyutu var? Bu sorunun tek bir cevabı olmayabilir.
Zamanı dördüncü boyut olarak görmek, Einstein'ın teorisinin özüdür. Alman matematikçi Kaluta daha büyük bir tasarım yaptı. 1919'da Einstein'a uzay-zamana beşinci bir boyut ekleyerek elektromanyetik kuvvet ve evrensel çekimin bir kuvvetin iki farklı yönü olarak tanımlanabileceğini savunduğu bir makale gönderdi.
Birkaç yıl sonra İsveçli matematikçi Klein, Kaluta'yı bir adım daha ileri götürdü. Açıkçası, günlük yaşamda sadece dört boyutlu uzay-zaman görüyoruz .. Klein'ın bunun için açıklaması şudur: Beşinci boyut uzay çok küçüktür ve dört boyutlu uzay-zamanın her noktasında oldukça kıvrılmış olabilir. Böylece, hiperuzayın gizli ekstra boyutlarında kuvvet birliğini bulmada fizik fikrini açtı ve bu fikir günümüzün sicim teorisinde de devam etti.
Ancak, belki de beşinci boyut Klein'ın düşündüğü kadar küçük değildir. 1999'da, Harvard Üniversitesi'nde fizikçi olan Lisa Randall ve Maryland, Baltimore'daki Johns Hopkins Üniversitesi'nden Raman Sundrum, yüksek boyutlu uzayın özelliklerini analiz etmek için sicim teorisini kullandılar ve büyük bir beşinci boyut getirerek çözmenin mümkün olabileceğini keşfettiler. Fizik dünyasını her zaman rahatsız eden bir sorun: Evrensel çekim neden diğer kuvvetlerden daha zayıf? Modelleri, tanıdık dört boyutlu uzay-zamanın sonsuz beş boyutlu uzay-zamanda negatif eğrilikle yüzdüğüne inanıyor. Elektromanyetik kuvvet ve nükleer kuvvet, dört boyutlu uzayın iç kısmıyla sınırlıdır, ancak evrensel yerçekimi beşinci boyuta nüfuz edebilir, bu nedenle bize göre yerçekimi elektromanyetik kuvvet ve nükleer kuvvetten çok daha zayıftır.
Aynı zamanda, Kanada, Ontario'daki Waterloo Üniversitesi'nden Paul Wesson, dört boyutlu uzayın içinde yaşadığımız uzay-zaman olduğu beş boyutlu uzay-zamanın var olduğuna ve beşinci boyutun bu dört boyutlu uzay-zaman üzerindeki etkisinin kaliteli birçok ekstra boyut üretmek olduğuna inanıyor. parçacık. Bu çözüm, parçacık fiziği topluluğunu uzun zamandır rahatsız eden bir sorunu açıklayabilir: kütlenin nasıl üretildiği ve parçacık kütlesinin geometrik bir kökene sahip olduğuna inanması. Aynı zamanda, bu teori, Büyük Patlama'nın tekilliği sorununu da çözer: Büyük Patlama başladığında, evren sonsuz derecede yüksek bir sıcaklık ve yoğunluk durumundaydı (not: bu sonuç, temel fizik yasalarının geçersiz olduğu kabul edilen bir sonuç değildir). 5 boyutlu evren açısından bakıldığında, Büyük Patlama sadece bir yanılsamadır, dolayısıyla böyle bir sorun yoktur.
Beş boyutlu uzayın varlığı bazı daha ince sonuçlar getirir. 1997'de teorik fizikçi Juan Maldacena, beş açılım boyutuna sahip ve yerçekimi içeren bazı sicim teorilerinin dört boyutlu yerçekimsiz alt alan teorisine eşdeğer olduğu varsayımını öne sürdü. İkincisi, birincisinin holografik bir izdüşümü olarak kabul edilebilir, bu da bizim Günlük dünya, evrenin sınırından bir izdüşüm kadar eteriktir.
Kulağa gizemli geliyor, ancak birçok alanda, bu yüksek-düşük boyutlu teorinin eşdeğerliği, yüksek sıcaklık süperiletken fiziği gibi zor problemlerin hesaplanmasında başarıyla uygulandı. Maldacena'nın görüntülerinde, dört boyutlu teori dünyayı beş boyutlu teoriden daha gerçekçi bir şekilde tanımlamaz. Bu şekilde, "evrenin kaç boyutu vardır?" Sorusunun tek bir cevabı yoktur.
Altı Boyut-İki Kez
Fizikçiler daha fazla boyut içeren bir evren teorisi önerdiklerinde, genellikle sadece uzayın çok boyutlu zaman değil, yüksek boyutlu olduğu anlamına gelir.
Bunun anlaşılması da kolaydır: eğer zaman çok boyutluysa, nesne yüksek boyutlu zaman koordinatında döngü boyunca hareket edebilir, yani yüksek boyutlu zaman, nesnenin içinde bulunduğumuz tek boyutlu zamanda herhangi bir yere seyahat etmesine izin verir. İki nokta, bu ışık hızının üst sınırını ihlal ediyor ve evrene ilişkin mevcut gözlemlerimizle tutarsız olan zamanda yolculuk yapmamızı sağlıyor.
Bununla birlikte, 1995 yılında, Los Angeles'taki Güney Kaliforniya Üniversitesi'nden Itzhak Bars, M teorisi aracılığıyla yüksek boyutlu zamanın varlığı için akıllıca bir teorik çerçeve oluşturdu.Bu teori, sabit ve var olmayan ışık hızını ihlal etmeden ikinci bir zaman boyutunun varlığına izin verir. Zaman yolculuğu, bu model, parçacık fiziğinin Standart Modelinin çözemediği bazı sorunları çözebilir.
(Not: M teorisi, sicim teorisinin bir genellemesidir. Bu teorinin amacı, her şeyin teorisi, tüm etkileşimleri açıklayabilen fiziksel bir teori olmaktır. Dört temel etkileşimi - elektromanyetik kuvvet, yerçekimi, güçlü kuvvet ve zayıf Force-unify.Ayrıca mevcut beş süper sicim teorisini ve 11 boyutlu süper yerçekimi teorisini birleştirmeye çalışır. Edward Witten bunu tam olarak anlamak için yeni matematiksel araçların icat edilmesi gerektiğine inanır. M teorisinin "M" si içerir Sihir, gizem, zar veya matris gibi birçok anlam.)
Ama burada bir tuzak var: Eğer bu yüksek boyutlu zaman teorisi kurulacaksa, aynı zamanda bir boyut dışı uzay da var olmalıdır, bu nedenle Bars tarafından yapılan modelde evrenin 6 boyutu (4 + 2) vardır.Bu evrendeki şeyler bizim aşina olduğumuz ile aynıdır. 4 boyutlu evrendeki şeyler çok benzer, tek fark şudur:
6 boyutlu dünyada, maddenin bileşimini ve etkileşimini tanımlayan teori 6 boyutlu standart modeldir.Bu yüksek boyutlu model dört boyutlu dünyaya yansıtıldığında, birçok farklı dört boyutlu versiyon üretilecek ve her biri bir Farklı dört boyutlu evrenler.
Sekiz Boyut - Sörfçü Cenneti
Sekizinci boyut, oktonyonların doğal olarak var olabileceği uzaydır. Riverside, California Üniversitesi'nde matematikçi olan John Baze'in dediği gibi, oktonyon çok garip bir matematiksel yapıdır: "İnsanların her zaman tavan arasına kilitleneceği çılgın amca."
Sekizli sayılar, bölme işlemlerini gerçekleştirebilen tek dört sayı sisteminden biridir (not: gerçek sayılar, karmaşık sayılar, kuaterniyonlar ve sekizlik sayılar). Tüm cebirsel işlemlere izin verebilir, ancak sekizlik işlemler karmaşık ve sıra dışıdır Aşina olduğumuz geleneksel sayı sistemlerinin aksine, aşağıdaki resme bakın:
Sekiz tonlar neden fiziğe tanıtılmalı? Bunun nedeni, belirli fizik problemlerinde son derece yararlı bir araç olmasıdır. Oktonyonlardan oluşan bir matris, bazı sicim teorisinin temel içeriği olan E8 özel Lie grubu adı verilen karmaşık bir matematiksel yapı oluşturabilir.
2007'de E8 grubu sıcak bir konu haline geldi.Fizikçi Garrett Lisi sicim teorisini kullanmadan birleşik bir birleşik yerçekimi teorisi ve diğer üç etkileşim kuvveti oluşturdu. Teorisi E8 grubunun yapısına dayanıyor. Lisi'nin üniversitede bir pozisyonu yok ve Hawaii'de sörf yapmak için çok zaman harcıyor. Çalışmalarının raporları, Londra'daki İmparatorluk Üniversitesi'nden Miachael Duff gibi bazı insanları kızdırdı. Dedi ki: "Sicim kuramcıları 1970'lerin sonlarından beri E8 üzerinde çalışıyorlar. Bunun ilginç olduğunu bize söylemek için sörfçülere ihtiyacımız yok."
(Not: Lisi'nin kendisi sayı dizisinde iyi bir temele sahiptir, ancak fiziği çok zayıftır ve teorisi tamamen fizikten yoksundur. Bu sadece nispeten doğru bir hesaplama ile matematiksel bir egzersizdir.)
Duff, oktonyonların değerine karşı agnostik bir tutuma sahip ve ortaya konan tüm teorilerin deneylerle test edilmediğine işaret etti. "Oktonyonun gerçek dünya ile ilgili olup olmadığını kimse bilmiyor" dedi.
On Boyut - Sicim Teorisinin Dünyası
"Fizikçilerin daha yüksek boyutlardan getirdiği belki de en şok edici fikir, tüm olası evrenlerin var olmasıdır"
On boyut, sonunda sicim teorisinin efsanevi topraklarına adım attık.
Sicim teorisi hakkındaki tüm sert sözlere rağmen, sicim teorisi şu anda kuantum mekaniğini ve genel göreliliği birleştirmeye çalışan en popüler teoridir ve aynı zamanda "her şeyin teorisi" için de en popüler adaydır.
Teori, maddeyi oluşturan parçacıkların ve etkileşim kuvvetini ileten parçacıkların sicimlerden yapıldığına ve sicimlerin farklı titreşim modlarının farklı parçacıklara karşılık geldiğine inanır. İp 1 boyutludur, ancak 1 boyutlu zaman ve 9 boyutlu uzaydan oluşan 10 boyutlu uzay-zamanda titreşir.
Neden 10 boyutlu? Tek kelimeyle, çünkü teori daha az boyutla çalışmıyor. Fizikçiler Michael Green ve John Schwarz'ın 1984'te belirttikleri gibi, daha az boyutta, Planck ölçeğinde 10 ^ -35 metre kadar küçük matematiksel anormallikler uzay ve zamanda dramatik kuantum artışlarına yol açabilir. Bununla birlikte, bu kuantum etkisi teorinin simetrisini yok edecek ve teorinin artık kendi kendine tutarlı olmasını engelleyecektir.
Bunlar 10'un sihirli bir sayı olduğu anlamına gelmez. Aslında, sicim teorisinin modası geçmiş bir erken formu 26 boyuta sahiptir. Şu anda beş tam ve kendi kendine tutarlı 10 boyutlu sicim teorisi var. Hepsi evrenimizin varlığını açıklayabilir. Kimse diğer teorilerden daha doğru değildir. Bu farklı teoriler daha büyük bir teori-11 boyutlu olarak birleştirilebilir Bu beş sicim teorisi, bazı durumlarda sadece M teorisinin özel durumlarıdır.
M teorisi, bu ekstra boyutların çok küçük ve oldukça kıvrımlı olduğunu ve ölçeklerinin o kadar küçük olduğunu ve mevcut yöntemlerle gözlemlenemeyeceğini savunur. Ve bu yüksek boyutlu uzay bukleleri belirli formlarda var.
Anahtar, olası varoluşlarının sonsuz formlarının olması ve evrenimizi üreten yüksek boyutlu uzayın varlığının nasıl bulunacağının hala bir problem olmasıdır.
Imperial College London'dan Michael Duff, "Bu teorik fizikçileri iki gruba ayırıyor" dedi.
Bu sorunu nihayet çözeceğimizi düşünenler, "polikozmizmi" destekleyen ve giderek artan sayıda muhaliflerle karşı karşıyadır.
Çünkü, M-teorisi sonsuz çeşitlilikte olası evrenlerin varlığına izin verdiğinden ve neden evrenimizde yaşadığımızı açıklayacak fiziksel bir ilke olmadığından, o zaman antropik ilkeyi kabul etmeli ve bugünkü gözlemlediğimizi kabul etmeliyiz. Evren, sırf böyle bir evrende yaşadığımız için mi?
Belki de tüm olası evrenler gerçekte var Bu, fizikçilerin yüksek boyutlu uzayı keşfettikten sonra elde ettikleri en şok edici sonuç.
Orijinal bağlantı:
https://www.newscientist.com/article/mg20327231.200-beyond-space-and-time-fractals-hyperspace-and-more/
* Sorumluluk Reddi: Bu makale yazar tarafından orijinaldir. Makalenin içeriği yazarın kişisel görüşüdür ve yeniden basmanın amacı daha fazla bilgi aktarmaktır Bu, EETOP'un görüşüne katıldığı ve gerçekliğinden sorumlu olduğu anlamına gelmez. Çalışmanın içeriği, telif hakkı ve diğer konuları içeriyorsa, lütfen zamanında bizimle iletişime geçin, en kısa sürede sileceğiz!
Yarı iletken endüstrisinin ilgili kamuya açık hesaplarını görmek için orijinal metni okumak için tıklayın.
