Kymmenen ulottuvuuden maailmankaikkeus

Kun joku mainitsee ”eri ulottuvuudet”, ajattelemme yleensä rinnakkaisuniversumien kaltaisia asioita – vaihtoehtoisia todellisuuksia, jotka ovat olemassa rinnakkain omamme kanssa, mutta joissa asiat toimivat tai tapahtuivat eri tavalla. Kuitenkin ulottuvuuksien todellisuus ja se, miten niillä on merkitystä maailmankaikkeutemme järjestyksessä, on todellisuudessa aivan erilainen kuin tämä suosittu luonnehdinta.

Perustellakseni asian, ulottuvuudet ovat yksinkertaisesti sen eri puolia, mitä havaitsemme todellisuudeksi. Olemme välittömästi tietoisia kolmesta ulottuvuudesta, jotka ympäröivät meitä päivittäin – niistä, jotka määrittelevät kaikkien universumissamme olevien esineiden pituuden, leveyden ja syvyyden (vastaavasti x-, y- ja z-akselit).

Tutkijat uskovat, että näiden kolmen näkyvän ulottuvuuden lisäksi voi olla paljon muitakin. Itse asiassa supersäieteorian teoreettisessa viitekehyksessä esitetään, että maailmankaikkeus on olemassa kymmenessä eri ulottuvuudessa. Nämä eri ulottuvuudet ohjaavat maailmankaikkeutta, luonnon perusvoimia ja kaikkia sen sisältämiä alkeishiukkasia.

Ensimmäinen ulottuvuus, kuten jo todettiin, on se, joka antaa sille pituuden (eli x-akseli). Hyvä kuvaus yksiulotteisesta kohteesta on suora viiva, joka on olemassa vain pituuden suhteen eikä sillä ole muita havaittavia ominaisuuksia. Kun siihen lisätään toinen ulottuvuus, y-akseli (eli korkeus), saadaan esine, josta tulee kaksiulotteinen muoto (kuten neliö).

Kolmas ulottuvuus liittyy syvyyteen (z-akseli), ja se antaa kaikille esineille pinta-alan ja poikkileikkauksen. Täydellinen esimerkki tästä on kuutio, joka on olemassa kolmessa ulottuvuudessa ja jolla on pituus, leveys, syvyys ja siten tilavuus. Näiden kolmen ulottuvuuden takana on seitsemän ulottuvuutta, jotka eivät ole meille välittömästi havaittavissa, mutta joilla voidaan silti havaita olevan suora vaikutus maailmankaikkeuteen ja todellisuuteen sellaisena kuin me sen tunnemme.

Tiedemiehet uskovat, että neljäs ulottuvuus on aika, joka säätelee kaiken tunnetun aineen ominaisuuksia missä tahansa pisteessä. Kolmen muun ulottuvuuden ohella kohteen sijainnin tunteminen ajassa on olennaista sen sijainnin hahmottamiseksi maailmankaikkeudessa. Muissa ulottuvuuksissa tulevat esiin syvemmät mahdollisuudet, ja niiden vuorovaikutuksen selittäminen muiden ulottuvuuksien kanssa on se, missä asiat muuttuvat erityisen hankaliksi fyysikoille.

Superstring-teorian mukaan viidennessä ja kuudennessa ulottuvuudessa syntyy käsitys mahdollisista maailmoista. Jos voisimme nähdä viidennen ulottuvuuden läpi, näkisimme omastamme hieman poikkeavan maailman, joka antaisi meille keinon mitata maailmamme ja muiden mahdollisten maailmojen samankaltaisuuksia ja eroja.

Kuudennessa ulottuvuudessa näkisimme mahdollisten maailmojen tason, jossa voisimme vertailla ja asemoida kaikkia mahdollisia maailmankaikkeuksia, jotka alkavat samoista alkuolosuhteista kuin tämä maailmankaikkeus (eli alkuräjähdyksestä). Teoriassa, jos hallitsisit viidennen ja kuudennen ulottuvuuden, voisit matkustaa ajassa taaksepäin tai mennä eri tulevaisuuksiin.

Seitsemännessä ulottuvuudessa sinulla on pääsy mahdollisiin maailmoihin, jotka alkavat eri alkuehdoilla. Kun viidennessä ja kuudennessa ulottuvuudessa alkuehdot olivat samat ja myöhemmät toimet olivat erilaisia, täällä kaikki on erilaista ajan alusta alkaen. Kahdeksas ulottuvuus taas antaa meille tason tällaisia mahdollisia universumihistorioita, joista jokainen alkaa erilaisista alkuehdoista ja haarautuu äärettömästi (siksi niitä kutsutaan äärettömyyksiksi).

Yhdeksännessä ulottuvuudessa voimme vertailla kaikkia mahdollisia universumihistorioita, jotka alkavat kaikilla erilaisilla mahdollisilla fysiikan laeilla ja alkuehdoilla. Kymmenennessä ja viimeisessä ulottuvuudessa saavumme pisteeseen, jossa kaikki mahdollinen ja kuviteltavissa oleva on katettu. Tätä pidemmälle me alhaiset kuolevaiset emme voi kuvitella mitään, mikä tekee siitä luonnollisen rajoituksen sille, mitä voimme kuvitella ulottuvuuksina.

Näiden kuuden ylimääräisen ulottuvuuden olemassaolo, joita emme voi havaita, on välttämätöntä jousiteorialle, jotta luonnossa vallitsisi johdonmukaisuus. Se, että pystymme hahmottamaan vain neljä avaruuden ulottuvuutta, voidaan selittää jollakin kahdesta mekanismista: joko ylimääräiset ulottuvuudet tiivistyvät hyvin pieneen mittakaavaan, tai sitten maailmamme saattaa elää kolmiulotteisella osakokonaisuudella, joka vastaa branea, johon kaikki tunnetut hiukkaset gravitaation lisäksi olisivat rajoittuneet (aka. brane-teoria).

Jos lisäulottuvuudet ovat kompaktifioituja, kuuden ylimääräisen ulottuvuuden on oltava Calabi-Yaun moninaisuuden muodossa (kuvassa yllä). Vaikka ne ovat aistiemme kannalta huomaamattomia, ne olisivat hallinneet maailmankaikkeuden muodostumista alusta alkaen. Siksi tutkijat uskovat, että kurkistamalla ajassa taaksepäin ja havaitsemalla kaukoputkilla valoa varhaisesta maailmankaikkeudesta (eli miljardeja vuosia sitten) he voisivat nähdä, miten näiden lisäulottuvuuksien olemassaolo olisi voinut vaikuttaa kosmoksen kehitykseen.

Samoin kuin muutkin ehdokkaat suureksi yhdistäväksi teoriaksi – eli Kaiken teoriaksi (Theory of Everything, TOE) – uskomus siitä, että maailmankaikkeus koostuu kymmenestä ulottuvuudesta (tai useammasta, riippuen siitä, mitä säieteorian mallia käytetään), on yritys sovittaa yhteen hiukkasfysiikan standardimalli ja gravitaation olemassaolo. Lyhyesti sanottuna se on yritys selittää, miten kaikki tunnetut voimat maailmankaikkeudessamme ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja miten muut mahdolliset maailmankaikkeudet itsessään saattaisivat toimia.

Lisätietoa löytyy Universe Todayn artikkelista rinnakkaisuniversumeista ja toisesta artikkelista rinnakkaisuniversumista, jonka tiedemiehet luulivat löytäneensä, mutta jota ei todellisuudessa olekaan olemassa.

Verkossa on myös muita loistavia lähteitä. On hieno video, joka selittää kymmenen ulottuvuutta yksityiskohtaisesti. Voit myös katsoa PBS:n nettisivuilta tv-ohjelman Elegant universe. Siellä on hieno sivu kymmenestä ulottuvuudesta.

Voit myös kuunnella Astronomy Castia. Jakso 137 The Large Scale Structure of the Universe saattaa olla sinusta aika mielenkiintoinen.