Dimensiuni suplimentare în teoria corzilor din gravitația cuantică

 (Un exemplu de compactare: La distanțe mari, o suprafață bidimensională cu o dimensiune circulară pare unidimensională.)

În viața de zi cu zi există trei dimensiuni familiare ale spațiului: înălțime, lățime și lungime. Teoria generală a relativității a lui Einstein tratează timpul ca o dimensiune asemănătoare cu cele trei dimensiuni spațiale; în relativitatea generală, spațiul și timpul nu sunt modelate ca entități separate, ci sunt unite într-un spațiu-timp patru-dimensional. În acest context, fenomenul de gravitație este privit ca o consecință a geometriei spațiu-timpului.

În ciuda faptului că universul este bine descris de spațiu-timpul tridimensional, există mai multe motive pentru care fizicienii iau în considerare teoriile în alte dimensiuni. În unele cazuri, prin modelarea spațiu-timpului într-un număr diferit de dimensiuni, o teorie devine mai matematic tractabilă și se pot efectua calcule și se pot obține mai ușor informații generale. Există, de asemenea, situații în care teorii în două sau trei dimensiuni ale spațiu-timpului sunt utile pentru descrierea fenomenelor din fizica materiei condensate. În cele din urmă, există scenarii în care ar putea exista de fapt mai mult de patru dimensiuni ale spațiului, care totuși au reușit să scape detecției.

O caracteristică notabilă a teoriilor corzilor este că aceste teorii necesită dimensiuni suplimentare ale spațiu-timpului pentru consistența lor matematică. În teoria corzilor bosonice, spațiu-timpul este 26-dimensional, în timp ce în teoria supercorzilor este 10-dimensional, iar în teoria-M este 11-dimensional. Pentru a descrie fenomenele fizice reale folosind teoria corzilor, trebuie să ne imaginăm scenarii în care aceste dimensiuni suplimentare nu ar fi observate în experimente.

 (O secțiune transversală a unei varietăți chintice Calabi-Yau)

Compactarea este o modalitate de a modifica numărul de dimensiuni într-o teorie fizică. În procesul de compactare, unele dintre dimensiunile suplimentare sunt presupuse a se „închide” pe ele însele pentru a forma cercuri.  La limita în care aceste dimensiuni curbate devin foarte mici, se obține o teorie în care spațiu-timpul are efectiv un număr mai mic de dimensiuni. O analogie standard pentru acest lucru este de a considera un obiect multidimensional, cum ar fi un furtun de grădină. Dacă furtunul este văzut de la o distanță suficientă, pare că are doar o dimensiune, lungimea acestuia. Cu toate acestea, pe măsură ce ne apropiem de furtun, se descoperă că acesta conține o a doua dimensiune, circumferința sa. Astfel, o furnică târâtoare pe suprafața furtunului s-ar mișca în două dimensiuni.

Compactarea poate fi utilizată pentru a construi modele în care spațiu-timpul este efectiv patru-dimensional. Cu toate acestea, nu orice mod de compactare a dimensiunilor suplimentare produce un model cu proprietățile corecte pentru a descrie natura. Într-un model viabil al fizicii particulelor, dimensiunile compactate suplimentare trebuie să fie în formă de varietate Calabi-Yau. O varietate de Calabi-Yau este un spațiu special care este de obicei considerat a fi șase-dimensional în aplicațiile teoriei corzilor. Este numit după matematicienii Eugenio Calabi și Shing-Tung Yau.

O altă abordare în vederea reducerii numărului de dimensiuni este așa-numitul scenariu al cosmologiei brane. În această abordare, fizicienii presupun că universul observabil este un subspațiu tridimensional al unui spațiu dimensional superior. În astfel de modele, bozonii de forță ai fizicii particulelor apar din corzi deschise cu puncte finale atașate la subspațiul tridimensional, în timp ce gravitația provine din corzile închise care se propagă prin spațiul ambiant mai mare. Această idee joacă un rol important în încercările de a dezvolta modele de fizică a lumii reale bazate pe teoria corzilor și oferă o explicație naturală pentru slăbiciunea gravitației în comparație cu celelalte forțe fundamentale.

(Include texte traduse și adaptate din Wikipedia de Nicolae Sfetcu)