Чому існують три просторові виміри й один часовий вимір?

Одне з найфундаментальніших питань у фізиці — чому Всесвіт має три просторові виміри й один часовий вимір? Проста відповідь ховається за структурою простору-часу, математичною моделлю, яка поєднує простір і час в єдиний чотиривимірний континуум.

Простір-час — це арена, де відбуваються всі фізичні битви, і вона описується теорією відносності Ейнштейна.

Однак теорія відносності не пояснює, чому простір-час має саме таку структуру. Вона лише припускає, що він має таку структуру, і арбітрально робить висновки.

Чому лише 3 просторових та 1 часовий вимір?

Насправді теорія відносності допускає можливість існування альтернативних структур простору-часу, з іншою кількістю вимірів або іншою геометрією. Наприклад, існування простори-часи з більш ніж одним часовим виміром або чотирма просторовими вимірами.

Але чому ми не спостерігаємо таких просторів-часів у нашому всесвіті? Вони фізично неможливі чи просто недоступні? Чи вони виключені якимось глибшим принципом, або є просто випадковими?

Це деякі з питань, на які фізики намагаються відповісти протягом десятиліть.

Один з можливих способів підійти до розв’язання питань — шукати підказки у квантовій механіці, іншому стовпі сучасної фізики. Проблема в тому, що квантова механіка і теорія відносності несумісні одна з одною, хоча інколи мають описувати явища на маргіналіях — початок всесвіту, гравітаційні ефекти, сингулярності.

Багато фізиків намагалися знайти квантову теорію гравітації, яка могла б об’єднати квантову механіку і теорію відносності в єдину структуру. Така теорія могла б стати теорією всього і розкривала б кінцеву природу матеріального світу. Але навіть теорія струн поки що не здатна виповзти за межі надскладних математичних конструкцій.

Деякі з фізичних теорій припускають, що простір-час має більше вимірів, ніж ми сприймаємо. Та ж теорія струн припускає існування 10 або 11 вимірів, але шість або сім з них згорнуті у крихітні форми, які інтегруються до простору Калабі-Яу, і які занадто малі, що їх надскладно виявити звичайним способом. Хоча ці додаткові виміри, ймовірно, впливають на властивості та взаємодію елементарних частинок, їхні маси-заряди.

Ці ж теорії стикаються з багатьма проблемами й труднощами. Вони дуже складні й абстрактні, а головне — експериментально не спостережні. Мало того, вони не відповідають на глибші філософські питання про природу реальності.

Інший можливий спосіб підійти до цих питань — дослідити альтернативні сценарії та гіпотези, які кидають виклик нашим загальним припущенням та інтуїції. Наприклад, що, якби існувало більше одного часового виміру? Як би це вплинуло на наше сприйняття і переживання часу? Як би це вплинуло на причинність і детермінізм? Як би це вплинуло на фізику і математику?

Деякі фізики припускають, що наявність більш ніж одного часового виміру призведе до появи нових явищ і можливостей, які в іншому випадку неможливі або парадоксальні.

Наприклад, існування (у вакуумі) спостерігачів, які рухаються швидше за світло, а це заборонено теорією відносності. Або існування частинок, що рухаються одночасно кількома шляхами, що не допускається навіть квантовою механікою.

Щоб зрозуміти, чому існують три просторові виміри й один часовий, може знадобитися знайти більш фундаментальну теорію, яка пояснить їхнє походження і взаємозв’язок. Така теорія — шлях до відкриття нових аспектів реальності, які ми ще не відкрили або навіть не уявляємо, вважаючи на практичний обсяг наших знань.

З чим працює квантова механіка?

Квантова механіка, розділ фізики, що вивчає поведінку атомних і субатомних частинок, зарекомендувала себе як одна з найуспішніших теорій в історії науки. Попри свою крайню парадоксальність, вона витримала випробування часом, стабільно даючи точні результати порівняно з експериментальними даними.

З цього робиться висновок, що квантова механіка працює. Чому?

А вся справа в концепції хвильово-частинкового дуалізму. Вона стверджує, що частинки квантового масштабу, такі як електрони й фотони, демонструють як хвильову, так і корпускулярну поведінку. Ця дуальність пояснює експеримент з подвійною щілиною, де частинки створюють інтерференційну картину, характерну для світла. Тому вважається, що хвильово-частинкова дуальність дозволяє на квантовому рівні передбачати й описувати поведінку всіх частинок.

По-друге, такі категорії, як “суперпозиція” та “квантові стани” дозволяють частинкам існувати у комбінації декількох станів одночасно, поки вони не будуть виміряні. Тобто ми маємо справу лише з ймовірностями різних станів. А “науковий прогноз” перестає бути напряму залежним як від простору, так і часу. Відповідно, кордони інтерпретації даних стають практично необмеженими. Все пояснюється.

В цьому відношенні “квантова заплутаність” чи принцип невизначеності, сформульований Вернером Гейзенбергом, стають не суть важливими, — адже вимірюються не самі частинки, а фізичні властивості, положення та імпульс. Чого саме, — насправді ми не знаємо. Методологічна концепція Бора перемогла: розрахунки важливіші, ніж спостереження.

Тобто квантова механіка не вивчає фізичні об’єкти. Навіть теоретично можливі. А це вже об’єктивна проблема науки. Поєднати “великий матеріальний” світ з ймовірними математичними категоріями, скоріш за все, неможливо. Не зовсім зрозуміло, з чим саме поєднувати.