Universul nostru are si alte dimensiuni? Stim ca exista trei dimensiuni spatiale (in care ne miscam) si dimensiunea timpului. Insa exista dimensiuni ascunse care nu ne sunt accesibile, dimensiuni in care ne-am putea aventura, dimensiuni in care ar putea pandi extraterestrii rauvoitori? Ideea de alte dimensiuni a fost o tema recurenta in cartile si filmele SF, de la Wells si Lovecraft pana in prezent. In acest articol vom porni in cautarea altor dimensiuni ale universului, dintr-un punct de vedere stiintific, nu stiintifico-fantastic.
Fizicienii au incercat sa furnizeze o teorie globala care sa includa cele trei forte naturale puternice (fortele puternice, fortele electromagnetice si fortele slabe) si gravitatia (cealalta forta cunoscuta). Munca lor sugereaza ca spatiul in care traim si locuim nu are patru dimensiuni, ci unsprezece – in plus fata de cele trei dimensiuni spatiale familiare si cea a timpului ar putea exista inca sapte (sau mai multe) dimensiuni “pierdute”, asemanatoare cu dimensiunile spatiale obisnuite, numai ca acestea sunt ghemuite in bucle mici. Aceasta este teoria Kaluza-Klein a dimensiunilor suplimentare.
Teoria Kaluza-Klein si electronul
Probabil va intrebati de ce brusc am inceput sa vorbim despre dimensiuni, in loc de forte. Ce ar putea avea de-a face dimensiunile cu fortele? Vom incepe cu cea mai simpla aplicare a teoriei Kaluza-Klein, care se ocupa cu sarcina electrica. Fiecare electron se invarte in jurul axei sale, cam la fel cum se invarte Pamantul in jurul propriei axe. Dar, in timp ce rotatia Pamantului ar putea, in principiu, sa fie incetinita sau oprita, in cazul electronului doar directia sa de rotatie ar putea fi schimbata – ea trebuie sa aiba intotdeauna aceeasi magnitudine, deoarece toti electronii au acelasi volum de centrifugare. De asemenea, atunci cand un sistem atomic sau nuclear se roteste, momentul sau unghiular (o masura a vitezei de rotatie) poate avea doar o valoare care este o unitate multipla a rotatiei electronului. Se spune ca rotatia electronului poate fi cuantificata, cu o valoare constanta ireductibila.
Electronul mai are o caracteristica ce poate fi cuantificata, si anume sarcina sa electrica. Toate particulele gasite in natura sau produse in laborator au sarcini cu magnitudini care sunt multiplii intregi ai sarcinii electronului. Deoarece rotatia si sarcina sunt cuantificate, exista oare o legatura intre cele doua? O sugestie timpurie a acestui fapt vine din fizica nucleara.
In anii 1940 s-a descoperit ca matematica folosita la descrierea rotatiilor geometrice ale vitezei particulei in spatiul tridimensional normal putea fi aplicata si pentru a descrie comportamentul sarcinilor electrice, prin inventarea unei cantitati numite “izospin”. Izospin nu este un vector obisnuit cu 3 spatii, ci este un vector intr-un spatiu extra-dimensional fictiv care proiecteaza o singura dimensiune in universul nostru. Acesta este un concept util, deoarece exista forte care actioneaza intr-un nucleu care pot roti sau “rasturna” acest vector – neutronii pot fi “rasturnati” in protoni sau electronii in neutrini printr-o reorientare extra-dimensionala a izospinului.
Buclele Kaluza-Klein
Teoria Kaluza-Klein, condamnata la anonimat timp de sase decenii ca o varianta curioasa, dar netestabila, a teoriei generale a relativitatii a lui Einstein, a aparut brusc ca una din cele mai tari “noi” teorii, deoarece aceasta ofera o modalitate de a lega fortele de dimensiunile suplimentare. Mecanismul de baza al teoriei Kaluza-Klein initiale este ca forta electromagnetica poate fi incorporata in cadrul relativitatii generale prin adaugarea unei dimensiuni spatiale suplimentare, una care sa fie ghemuita intr-o bucla mica. Fiecare punct de spatiu normal devine o bucla extrem de mica a acestui spatiu extra-dimensional.
O particula care se deplaseaza in aceasta dimensiune suplimentara calatoreste in jurul buclei si se intoarce curand in locul de unde a pornit. Conform teoriei Kaluza-Klein, ceea ce numim sarcina electrica reprezinta de fapt miscare in aceasta dimensiune. O particula incarcata calatoreste in mod repetat in jurul buclei Kaluza-Klein, chiar daca in spatiul normal se afla in stare de repaus. Daca, de exemplu, aceasta se misca in sensul acelor de ceasornic in jurul buclei, atunci are o sarcina electrica pozitiva, in timp ce miscarea impotriva acelor de ceasornic ii da o sarcina negativa.
Rotatia si miscarile similare din spatiul normal sunt cuantificate in bucati unitare ale momentului unghiular, deoarece o singura rasturnare rotationala prin 360 de grade nu poate fi diferentiata de lipsa unei rotatii. In acelasi mod, miscarea completa in jurul unei bucle te aduce inapoi de unde ai pornit, iar acest lucru duce in mod analog la cuantificarea sarcinii electrice. Marimea unitatii de sarcina si puterea fortei electrice sunt invers proportionale cu distanta in jurul buclei – cu cat bucla este mai mica, cu atat unitatea de sarcina este mai mare.
Fortele naturii
Exista, de asemenea, alte conexiuni incorporate in teorie. Cea de-a treia lege a lui Newton (actiune = reactie) aplicata de-a lungul dimensiunii Kaluza-Klein este echivalenta cu legea conservarii sarcinii electrice. Teoria Kaluza-Klein este “puternica” deoarece dezvaluie conexiuni intre legile fizice care aparent nu au nicio legatura. Dar versiunea moderna a acestei teorii este si mai ambitioasa – aceasta urmareste sa incorporeze nu doar forta electromagnetica, ci si fortele puternice si slabe in cadrul relativitatii generale. Acest lucru se realizeaza prin adaugarea unui numar suficient de dimensiuni suplimentare pentru a avea grija de toate fortele cunoscute. Proprietatile cuarcilor, cum ar fi aroma si culoarea, devin dansuri orbitale in buclele multidimensionale.
Aceasta nu este o simpla schimbare a teoriei Kaluza-Klein deoarece fortele puternice si cele slabe sunt mai complicate decat electromagnetismul. In timp ce electromagnetismul poate fi vazut ca schimbul unei singure particule (fotonul), interactiunea slaba necesita trei particule diferite pentru un schimb (W+, W- si Z0), iar interactiunea puternica necesita opt particule diferite pentru schimb (gluoni). Ati putea crede ca a fost nevoie de 12 dimensiuni suplimentare, insa analizele arata ca doar sapte dimensiuni plus spatiul-timp normal pot acomoda toate fortele naturale cunoscute.
Existenta posibila a 40 de dimensiuni suplimentare
Cu toate acestea, exista deja motive pentru a considera ca ar putea exista un numar si mai mare de dimensiuni prabusite. S-a discutat scenariul inflationist al cosmologiei Big Bang-ului – ideea ca universul timpuriu a trecut printr-o faza de expansiune extrem de rapida, in care volumul sau s-a extins pana la 1088 inainte de a se stabili la rata de expansiune mai lejera de astazi. Problema cu acest scenariu este ca, pentru a specifica conditiile initiale ale universului timpuriu, ar fi nevoie de 1088 de parametrii fundamentali. Acesta este considerat a fi un numar absurd de mare de conditii initiale.
Expansiunea timpurie poate fi specificata intr-un mod mai compact prin luarea in considerare a faptului ca universul initial era un spatiu aleatoriu dezordonat cu mai multe dimensiuni. Pe masura ce universul se extinde, majoritatea acestor dimensiuni suplimentare se prabusesc in bucle mici, transferand dezordinea in cele trei dimensiuni “normale” din lumea noastra. Calculele arata ca este nevoie de aproximativ 40 de dimensiuni suplimentare pentru ca acest proces sa corespunda cu ceea ce stim despre Big Bang-ul timpuriu.
Si astfel, utilizarea teoriei Kaluza-Klein pentru a explica diverse fenomene fizice ne-a condus de la o singura dimensiune suplimentara pentru electromagnetism la sapte dimensiuni suplimentare pentru toate fortele si, in final, la aproximativ 40 de dimensiuni suplimentare pentru a umfla universul timpuriu. Aplicarea teoriei Kaluza-Klein in acest fel este o idee foarte noua. Implicatiile depline si aplicarea cantitativa ar putea avea nevoie de ani de dezvoltare. Deasemenea, este posibil ca intreaga linie de dezvoltare sa fie complet gresita. Dar 40 de dimensiuni suplimentare? Ce idee minunata din punctul de vedere stiintifico-fantastic. Chiar si scriitorii de carti SF ar fi fost probabil un pic reticenti sa sugereze ca exista 40 de dimensiuni suplimentare, insa fizicienii nu sunt atat de modesti, asa ca au mers inainte cu aceasta idee.
 si dimensiunea timpului.){kind=link}