0'dan 10'a kadar boyut: Bu uzay zamanında, iki zaman boyutu aynı anda var olabilir.
Bir gün başka bir evrenden bir fizikçi bilinmeyen bir yöntemle sessizce dünyaya geldi ve görevi evrenimizdeki her şeyi olabildiğince anlamaktır. Merak ettiği ilk soru şuydu: Evrenimizin kaç boyutu var?
Çok sayıda edebiyatı gözden geçirdi ve yıldızlara bakmaya başladı, yıldızların davranışlarını dikkatlice gözlemleyip kaydediyordu. Yakında, yerçekimi etkisiyle yıldızların birbirine çekileceğini ve aralarındaki mesafenin karesi ile yerçekiminin büyüklüğünün azalacağını keşfetti. Bunun uzayın üç boyutlu olduğunu gösterdiğini düşündü. Bununla birlikte, yıldız ışığının uzayda nasıl yayıldığının denklemini türetmeye başladığında, dört boyutlu bir dilin en uygun açıklama olduğunu buldu. Sonra daha zor bir soru üzerinde düşünmeye başladı: Yerçekimini ve ışığı tanımlamak için tek bir teorik çerçeve kullanılabilir mi? Sonunda, böyle bir teorinin en az on boyut gerektirdiğini keşfetti. Böylece defterinde şu sonuca vardı: "Üç boyutlu, dört boyutlu, belki daha fazla."
Bu sonuca nasıl ulaştı? En temel sıfır boyutla başlayalım ve boyut keşif yolculuğuna başlayalım.
Yukarıdaki metinde, bazı noktalama işaretlerinin nokta "." İçerdiğini fark ettiyseniz, tebrikler, 0 boyutunu gördünüz.
0 boyutlu kavramı, imparatorun yeni kıyafetlerine dair bir ipucu veriyor. 0 boyutlu olduğu için, bu, hiçbir şeyi tutacak alan olmadığı anlamına gelir, yani 0 boyutlu uzay hiçbir şeye eşit olmalıdır, değil mi? Şart değil. Fizikte 0 boyutlu yarı iletken bir yapı vardır Kuantum noktaları . Her şey, ne kadar büyük veya küçük olursa olsun, tek bir boyuta sahiptir, ancak elektronlar çok sıkı bir şekilde sıkıştırılabilir ve hiçbir hareket boşluğuna sahip olmayabilir, böylece sıfır boyutlu bir yük tuzağı oluşturur ve bu tuzağa bağlanır. Elektronların çok garip ama faydalı davranışları olabilir. Kuantum noktalarına enjekte edilen herhangi bir enerji, elektronları transfer etmek için kullanılamaz ve sadece ışık şeklinde serbest bırakılabilir. Bu, kuantum noktalarını verimli ve düşük güçlü bir ışık kaynağı yapar.
1 boyutlu
Tek boyutlu bir dünyada, bir kuş yalnızca bir yönde uçabilir ve konumunu belirlemek için yalnızca bir sayıya ihtiyacımız var.
Bu, bir çizgi boyunca sadece ileri veya geri gidebileceğiniz bir dünya ... İster gözünüzün önünde ister arkanızda, sadece bir noktayı görebiliyorsunuz. Bu tek boyutlu dünya, Newton'un hareket yasaları gibi klasik kavramları kullanan mükemmel bir dünya.
Ancak kuantum teorisinde tek boyutlu fizik canlanmaya başlar. Örnek olarak elektronların davranışını alın: Genellikle, birbirlerinden kaçınmak için her şeyi yaparlar, ancak 1 boyutlu bir kanala hapsolduklarında, sadece ileri geri hareket edebilir, etkileşime girebilir ve sonra bir bütün olarak birlikte hareket edebilirler. Bununla birlikte, koşullar uygun olduğunda, işler ters yönde ilerleyecektir: Bağlı bir elektron, biri elektronun yüküyle diğeri elektronun dönüşüyle olmak üzere iki parçacık gibi davranabilir. Bu tür pek çok fenomen var, bunlar sadece fizikçilerin keyfi değil, aynı zamanda olağanüstü uygulama önemine de sahip.
1.26 boyut
Koch kar tanesinin boyutluluğu yaklaşık 1.26 boyuttadır.
1982'de matematikçi Benoit Mandelbrot "Doğanın Fraktal Geometrisi" adlı kitabında bulutların küre olmadığını, dağların koni olmadığını ve kıyı şeridinin daire olmadığını açıkladı. Gerçek dünyanın boyutlarının düzgün tamsayılar olmadığı ortaya çıktı.
Örneğin, bir kar tanesinin hassas taslağını izlediğinizde, yakınlaştırmaya devam ederken, kendinizi gittikçe karmaşıklaşan bir modelin izlediğini göreceksiniz ve yaklaştıkça çizdiğiniz çizgiler gittikçe daha fazla hale geliyor. uzun. Ancak resminiz hala bir çizgi, ancak kıvrımları düz çizgilerden daha fazla boşluk içeriyor. Ama düz bir çizgi ne kadar bükülmüş olursa olsun, bir boyutu aşamaz, değil mi?
Hoşgeldiniz Fraktal dünya. Fraktal boyutlar, tanıdık 1 boyutlu, 2 boyutlu ve 3 boyutlu dünyalar arasında gidip gelen düzensiz manzaralardır.Alışkın olduğumuz ön, arka, sol ve sağ ve yukarı ve aşağı boyutlardan farklıdır, ancak aynı zamanda yakından ilişkilidir: karmaşık bir nesneyi tanımlarlar. Daha ince bir ölçekte ne kadar alan doldurulur ve daha fazla ayrıntı ölçülür.
2D
1884'te matematikçi Edwin A Abbott büyüleyici bir çalışma olan "Uçak Ülkesi" ni yayınladı. Bu roman, iki boyutlu bir dünyada yaşayan ve yüksek boyutlu dünyayı ilk kişide keşfeden Bay Box'ın hikayesini anlatıyor. Yukarıdaki resim Ping An Country'deki sıradan bir evi gösteriyor.
Fizik için, iki boyutlu "düzlem ülkesi" tam doğru bir dünya gibi görünüyor. Tek boyutlu dünyanın fiziği kadar basit, üç boyutlu dünyanın fiziği kadar karmaşık ve kaotik de değil.İki boyutlu dünya yeterli alana sahip. İlginç ve kullanışlı bir şey yapmak için. Bunlar arasında en kullanışlı ve en iyi bilinen iki boyutlu malzeme olabilir Grafen İnce tabakalar, bu malzeme yalnızca tek bir karbon atomu tabakası kadar kalındır ve yaygın olarak kullanılmaktadır ve elektronlar bu tabakadan neredeyse hiç engel olmadan geçebilirler. Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlikle ilgili gizem de bu iki boyutlu malzemelerde gizlenebilir.
Elektronlar, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda güçlü bir manyetik alan tarafından iki boyutlu bir yarı iletken malzeme tabakasına hapsedildiğinde, bölünmez temel elektron parçacıkları farklı parçacıklara ayrışıyor gibi görünür ve her parçacık küçük bir parçacık taşır. Bazı elektronların yükü. Bu fenomen denir Kesirli Kuantum Salonu Etkisi , Ortaya çıkan parçacıklara " Anyon "Anyonların ortaya çıkışı, bizi elektronların doğasını da yeniden düşünmeye zorluyor.
Bu nedenle, iki boyutlu "uçak ülkesi" çok pratik ve çok derindir.
Düşüncelerimiz iki boyutlu bir ülkeye veya çok boyutlu bir hiperuzaya doğru yüzebilir, ancak vücut üç boyutlu bir uzaydadır. Neden sadece 3 boyutlu?
1917'de Avusturyalı fizikçi Paul Ehrenfest aydınlatıcı bir makale yazdı "Uzayın üç boyutu olduğu fiziğin temel yasalarında nasıl ortaya çıkıyor?" Makalede, 3B'nin neden dünyamızı tanımlamak için en mükemmel boyut olduğuna dair kanıtları sıraladı. Ehrenfest, güneş sistemindeki gezegenlerin kararlı yörüngelerinin ve atomlardaki elektronların sabit durumunun kuvvet gerektirdiğini fark etti. Ters kare kanunu . Örneğin, yerçekimi, kare yerine uzaklığın küpüyle ters orantılıysa, gezegenin yörüngesi sabit ve eliptik olmayacaktır.
Fizikçiler hala bu sorunu araştırıyorlar. Teorisyenler önerdi Antropik ilke : Evrende çeşitli olası boyutlar vardır, ancak gördüklerimizi görebilmemizin nedeni bizim gibi canlıların üç boyutlu bir yaşam alanına ihtiyaç duymalarıdır.
2005 yılında Lisa Randall ve Andreas Karch bir olasılık önerdi. Modellerinde, farklı boyutlardaki birçok evren genişleyen 10 boyutlu bir hiper uzayda yüzüyor. Bu evrenler çarpıştığında birbirlerini yok edecekler. Hesaplamalar, 3B ve 7B evrenlerin büyük olasılıkla bu tür çarpışmalardan sağ çıkacağını gösteriyor. Bu ayarı kabul ederseniz, bu soruyu yanıtlamışsınız demektir. Peki neden 7 boyutlu geniş bir uzayda değil, dar bir 3 boyutlu evrende kalabalık halde yaşıyoruz? Bu, mekanın birleşik bir bütün olmadığı, sayısız küçük parçadan inşa edildiği şeklinde açıklanabilir.
4 boyutlu
Dört boyutlu uzay-zamanda konumumuzu belirlemek için üç uzay koordinatı ve bir zaman koordinatı gereklidir.
Yukarıdaki aşina olduğumuz üç boyutlu uzaydır, dördüncü boyut var mı? Aslında, 18. yüzyılın sonlarında, Fransız matematikçiler Jean le Rond d'Alembert ve Joseph-Louis Lagrange, matematiksel dilin ve zamanın tanımının Uzayın matematiksel dili aslında çok benzer. Kısa süre sonra matematikçiler zamanın dördüncü boyut olduğu konusunda fikir birliğine vardılar.
Uzay ve zaman neden bu kadar farklı? Aslında değil. Mekan ve zaman ayrı ayrı düşünülemeyecek kavramlardır. Albert Einstein'ın Özel görelilik İçinde, tek bir varlık halinde birleşirler. Bir kişinin gözünde sadece uzayda ayrılmış gibi görünen iki nesne, başka bir kişinin gözünde uzay ve zamanda ayrılabilir. Aynı şekilde sadece zamanla ayrılmış gibi görünen iki olay, farklı yerlerde meydana geldiği başka bir açıdan da görülebilir. Bu, günlük deneyimlerimize aykırı çünkü yeterince hızlı değiliz. Ancak iki gözlemcinin göreceli hızı ışık hızına yakın olduğunda bu bariz fark ortaya çıkacaktır.
1907'de Hermann Minkowski, özel göreliliğin dört boyutlu uzay-zaman dilinde tanımlanabileceğini fark etti. Einstein yeni bir yerçekimi teorisi geliştiriyor Genel görelilik Bu fikri kullanırken. Uzay ve zaman birleşmiş olsa da Zaman ve uzay , Ama ikisi arasında da bariz farklılıklar var. Teoride, üç boyutlu uzayda herhangi bir yönde hareket edebiliriz, ancak zamanla sadece bir yönde, yani şimdiden geleceğe yavaşça hareket edebiliriz.
(Genel görelilik, yıldız ışığının güneşi geçerken büküleceğini öngörür, okuyucular daha fazla okuyabilir: "Einstein'ın 1919")
Hikaye dört boyutlu zaman ve mekanda bitmiyor. 1919'da Alman matematikçi Theodor Kaluza, Einstein'a bir makale gönderdi. Makalede Kaluza, ek bir uzaysal boyut eklendiği sürece, yerçekimi ve elektromanyetik kuvvetin aynı kuvvet içinde birleştirilebileceğini gösterdi! Einstein bu fikirden etkilendi, ama Kaluza haklıysa, bu ekstra boyut nerede saklı?
1926'da fizikçi Oskar Klein cevabı verdi: Beşinci boyut çok küçük bir daireye dönüşecek . Klasik bir örnek pipettir. Uzaktan bakıldığında tek boyutlu bir nesneye benziyor, ancak yeterince dikkatli bakarsanız ikinci bir boyutu olduğunu göreceksiniz. Yani uzayda her yerde bulunan beşinci boyut çok küçük bir daire olmalıdır. Kaluza ve Klein'ın teorileri başarısızlıkla sonuçlansa da, düşünceleri onlarca yıl sonra yeniden canlandı.
1999'da Lisa Randall ve Raman Sundrum, beşinci boyutun Klein'ın düşündüğü kadar küçük olmadığını öne sürdüler. Yüksek boyutlu uzay-zamanda asılı duran devasa bir zar üzerinde yaşadığımızı düşünüyorlar. Böyle bir Membran teorisi Fizikteki büyük bir sorunu çözebilir: Yerçekimi diğer üç temel kuvvete (elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet) kıyasla neden bu kadar zayıf? Cevap basit: Yerçekimi ekstra boyuta girecek.
Ek bir zaman boyutu varsa, zaman ileri veya geri gidebilir.
Evrende altıncı boyut var mı? Eğer öyleyse, altıncı boyut uzay boyutu veya zaman boyutu olacaktır. Daha yüksek boyutlara gelince, zaman boyutunu arttırmanın tercih edilmediğini göreceksiniz. Bunun bir sebebi var. Çünkü daha fazla zaman benzeri boyut varsa, nesneler tek boyutlu zamandaki herhangi bir nokta arasında sırayla diğer zaman boyutlarına gidip gelebilir ve ışık hızındaki sınırlamadan kaçınabilir. Başka bir deyişle, zamanda yolculuk mümkündür. Ancak evrenimizde durum böyle görünmüyor.
1995 yılında fizikçi Itzhak Bars bir Zamanın ikinci boyutunun var olmasına izin veren teorik bir çerçeve. Bu çerçevede zamanda yolculuk yasaktır. Bu iki boyutlu teori çok çekici. Örneğin, parçacık fiziğinin Standart Modelindeki bazı kusurları ortadan kaldırabilir. Sorun şu ki, bu durum yalnızca ek uzamsal boyutlar olduğunda geçerli.
Balsh bunu keşfetti Gördüğümüz dünya sadece altı boyutlu bir dünyanın "gölgesi" dir Elimiz gibi üç boyutlu bir nesne ve duvarda oluşturduğu iki boyutlu gölge gibidir. Işık kaynağının konumuna bağlı olarak duvardaki elin gölgesinin birçok farklı versiyonu olabileceği gibi, altı boyutlu dünyanın da her biri dünyamızda bir dizi farklı fenomene neden olacak birçok farklı dört boyutlu gölgesi olabilir. .
Balsh ayrıca Standart Modelin aslında altı boyutlu teorisinin gölgesi olduğunu keşfetti. Ballsh'ın araştırmasına göre, yerçekimi başka gölgelerde ve sonunda standart modelle birleştirilebilir.
8 boyutlu
E8
8 boyutlu uzay ender bir uzaydır, Sekizgen köken. Oktonyon tuhaf bir varlıktır. Bölmeye izin veren tek sayı sisteminden biridir, bu nedenle tüm cebirsel işlemler gerçekleştirilebilir. Bununla birlikte, oktonyonların etkileşim biçimi, aşina olduğumuz herhangi bir geleneksel sayı sisteminden farklı olarak, özellikle zordur.
Öyleyse neden sekiz ton kullanalım? Bunun nedeni, teorik fizikteki bazı problemler için son derece değerli bir araç olmalarıdır. Sekiz tonlardan oluşan matris tuhaf bir matematiksel yapıdır E8 özel Li Qun Temel birim.
2007 yılında, E8, bir fizikçi yerçekimini diğer üç temel kuvvetle birleştirmek için E8 grubunu kullanmaya çalıştığında manşetlere çıktı. Fizikçinin adı Garrett Lisi, herhangi bir üniversiteye bağlı değil, zamanının çoğunu Hawaii'de sörf yaparak geçiriyor. Reese'in keşfi hararetli bir tartışmaya yol açtı. Ancak oktonyonlardan türetilen teori henüz deneylerle test edilmemiştir, bu nedenle oktonyonların gerçek dünya ile ilişkili olup olmadığı fizikçilerin hala düşünmesi gereken bir sorudur.
Sicim kuramında, uzaydaki her noktadaki şekil bir daire veya küre değil, altı ek boyutu olan bir şekildir.
Nihayet sicim teorisinin efsanevi bölgesine 10 boyutlu ulaştık. İnsanlar sicim teorisine çeşitli keskin eleştiriler yapmış olsalar da, şu anda kuantum mekaniğini ve genel göreliliği " Her Şeyin Teorisi "En umut verici teori. Maddeyi oluşturan veya kuvveti ileten tüm parçacıkların küçük sicimlerin titreşimlerinden kaynaklandığına inanıyor. Bu sicimler tek boyutludur, ancak sallandıkları uzay değildir. 10 boyutu vardır: 9 Uzay boyutu, 1 zaman boyutu.
Neden? Kısacası, bu teori daha az boyut için geçerli değildir Planck'ın uzunluğundan (10-35 metre) daha küçük bir ölçekte, ani matematiksel anormallikler zaman ve mekanın yapısında şiddetli dalgalanmalara dönüşebilir.
Ancak bu, 10'un sihirli sayı olduğu anlamına gelmez. Aslında, erken sicim teorisinde 26 boyutlu bir varyasyon vardı. Evreni açıklamak için birbiriyle yarışan on boyutlu beş sicim teorisi var ve hangisinin doğru olduğunu söylememiz için hiçbir işaret yok. Ancak bu farklı teoriler tek bir teoride birleştirilebilir. M teorisi 11 boyuta sahiptir.
M-teorisinin ekstra boyutlarının bir şekilde göremediğimiz bir boyuta sıkıştırılması gerektiğini varsayarsak, bu hedefe ulaşmanın neredeyse sonsuz yolu vardır ve evrenimizi üreten yolu nasıl bulacağımız hala bir problemdir. Bu soru teorisyenleri iki gruba ayırır. Bazı insanlar sonunda bir çözüm bulacağımızı düşünüyor ve giderek daha fazla insan "çoklu evren" görüşünü destekliyor. Tüm olası evrenlerin var olduğu inancı, fizikçilerin yüksek boyutlu uzayı keşfederken düşünebilecekleri belki de en tuhaf görüştür. Bildiğimiz evren öyle çünkü içinde yaşadığımız evren oluyor.
Gerçekten ek boyutlar var mı?
Şimdi soru, beşinci boyutun (veya 6, 7, 8, 9, 10) var olup olmadığına bakılmaksızın, onların varlığının kanıtını nasıl buluruz? Fizikçiler bir zamanlar Büyük Hadron Çarpıştırıcısının ipuçları bulabileceğini umuyorlardı, ancak şimdiye kadar ek boyutların varlığını kanıtlayacak herhangi bir deneysel kanıt bulamadılar. Bilim adamları 2017'de ikiz nötron yıldızlarının birleşmesiyle oluşan kütleçekim dalgalarını keşfettiler, yerçekimi dalgalarının dünyaya geri dönme süresini ölçtüler, ancak yerçekimi kuvvetinin ekstra bir boyuta girdiğine dair herhangi bir kanıt bulamadılar.
Daha yüksek boyutları asla doğrudan göremeyebiliriz, ancak bu ikna edici kanıtlar bulamayacağımız anlamına gelmez. Bir örnek vermek gerekirse, kuark her şeyi oluşturan en temel parçacıktır.Bilim adamları hiçbir zaman izole bir kuark keşfetmemişlerdir, ancak kuark modeli daha büyük bileşik parçacıkların (hadronlar) özelliklerini açıklamada çok başarılıdır. Bu nedenle bilim adamları, kuarkların var olduğu konusunda hemfikirdir. Benzer şekilde, ek boyutlar teorisinin etkili olduğunu kanıtlamak için yeterli kanıt toplayabilirsek, yani teori mevcut verileri açıklayabilir ve başarılı tahminler yapabilirse, o zaman ek boyutların var olduğuna inanmak için nedenimiz olur.
Şimdiye kadar, başka bir evrenden bir fizikçinin neden "üç boyutlu, dört boyutlu, belki daha fazla" sonucuna varacağını zaten anlamış durumdayız. Belki de belli bir teknolojide ustalaşmış, gelecekte belirli bir düğüme gitmiş ve evrenimizde ek boyutlar olup olmadığının sırrını öğrenmiştir.
Kaynak | Institute of New Principles (ID: newprincipia)
(Bu makale bir ağdan alıntı veya yeniden basımdır, telif hakkı orijinal yazara veya yayın ortamına aittir. Çalışmanın telif hakkı sorunuyla ilgiliyseniz, lütfen bizimle iletişime geçin.)
