Các chiều không gian

Người ta thường nói “khác chiều” (ở chiều không gian khác) khi có điều gì đó vượt quá sự kỳ vọng hoặc nói chung là không thể hiểu được. Những hành động hoặc suy nghĩ ở mức độ đơn giản đôi khi được thể hiện là “cấp thấp” (ở chiều thấp hơn) và những hành động hoặc suy nghĩ ở mức độ phức tạp được thể hiện là “cấp cao” (ở chiều cao hơn). Trong những trường hợp như vậy, một chiều không gian có nghĩa là lập trường nhìn hoặc suy nghĩ về sự vật, hoặc tiêu chuẩn của tư tưởng hoặc học vấn hỗ trợ điều đó.

Tuy nhiên, có định nghĩa khác về chiều không gian mà chúng ta đã biết. Ngoài chiều theo nghĩa nêu trên, nó còn là chiều theo nghĩa vật lý toán học, được sử dụng khi nói về mặt phẳng 2 chiều hoặc không gian 3 chiều. Tuy nhiên, điều thú vị là khi nói đến việc nhận biết các chiều không gian, có thể nói rằng chúng ta đang ở “cấp thấp”. Vì giống như những sinh vật trong thế giới 2 chiều không thể biết chính xác về thế giới 3 chiều, chúng ta không thể nhận thức được thế giới nhiều chiều hơn từ thế giới 3 chiều mà chúng ta đang nhìn thấy.

Vậy thì vũ trụ có bao nhiêu chiều? Có thể có chiều không gian mới trong vũ trụ hoàn toàn khác với chiều không gian mà chúng ta có thể cảm nhận được. Vì vậy, các nhà toán học và vật lý học đã cố gắng tìm hiểu vũ trụ bằng cách đưa ra nhiều chiều không gian khác nhau.

Mức độ mà chúng ta có thể cảm nhận được

Trong vật lý toán học, chiều không gian là số trục tọa độ cần thiết để biểu thị vị trí của một điểm trong không gian. Các đường thẳng đứng, mặt phẳng tọa độ và không gian tọa độ mà chúng ta đã được học trong môn toán là những biểu thị toán học của các chiều. Điều này được giải thích bằng các đại lượng vật lý như chiều dài, diện tích và thể tích.

0 chiều được biểu thị dưới dạng điểm, không có chiều dài, diện tích hoặc thể tích. Vì vậy, không có trục tọa độ nào có thể thể hiện được vị trí. (Không gian) 1 chiều chỉ có một trục và có chiều dài nhưng không có diện tích hoặc thể tích. Vị trí trên đường thẳng chỉ được biểu thị bằng một tọa độ. (Không gian) 2 chiều là mặt phẳng, có chiều dài và diện tích nhưng không có thể tích. Vị trí trên mặt phẳng được biểu thị bằng giá trị tọa độ của trục tung và trục hoành. Không gian 3 chiều có chiều dài, diện tích và thể tích và vị trí có thể được biểu thị bằng 3 giá trị tọa độ, gồm trục hoành, trục tung và trục cao.

Theo đó, một khái niệm mới xuất hiện từ thuyết tương đối của Einstein là khái niệm Không-thời gian 4 chiều. Không-thời gian 4 chiều gồm đại lượng vật lý gọi là thời gian như một chiều trong không gian 3 chiều. Trước đây, vì người ta cho rằng thời gian trôi qua ở mọi nơi là giống nhau nên các nhà khoa học coi việc đưa trục tọa độ thời gian vào không gian 3 chiều là vô nghĩa. Tuy nhiên, với việc công bố thuyết tương đối, quan điểm về thời gian bắt đầu thay đổi.

Theo thuyết tương đối, thời gian trôi qua là khác nhau ở các vật thể có tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, hoặc trong không gian có lực hấp dẫn rất lớn như lỗ đen, và thời gian và không gian được cho là có mối liên hệ với nhau. Vì vậy, trục thời gian có thể trở thành một giá trị tọa độ với ý nghĩa mới thông qua thuyết tương đối, và chúng ta có thể nghĩ về không-thời gian 4 chiều.

Thế giới nhiều chiều mà chúng ta không thể cảm nhận được

Cuốn tiểu thuyết “Flatland” (Bình nguyên) của nhà toán học Edwin Abbott đã đề cập một cách ẩn dụ đến các vấn đề về chiều không gian. Câu chuyện kể về anh Square (hình vuông) sống ở thế giới 2 chiều Flatland, đến thăm thế giới 1 chiều Lineland, thế giới 3 chiều Spaceland và Pointland, nơi không có khái niệm về chiều và nói chuyện với mọi người sống trong những thế giới đó.

Con người ở mỗi thế giới đều cho rằng thế giới mình đang sống là tất cả và chỉ hiểu được mọi thứ thông qua quy luật của thế giới đó. Ví dụ, Square đến thăm thế giới Lineland1 chiều và cố gắng để giải thích cho những người sống ở đó về sự tồn tại của Flatland2 chiều, là thế giới có chiều cao hơn. Tuy nhiên, người dân Lineland hiểu “trước” và “sau” nhưng chưa bao giờ nghe nói đến hay thậm chí tưởng tượng ra thế nào là “trái” và “phải”, nên không tin những gì Square nói. Square đi đến Spaceland3 chiều và cũng cảm thấy Spaceland là thế giới bí ẩn vì lần đầu tiên Square được tiếp xúc với khái niệm “trên” và “dưới”.

Giống như trong tiểu thuyết trên, những sự tồn tại ở chiều không gian thấp hơn không thể hiểu được trọn vẹn chiều không gian cao hơn. Làm thế nào để những tồn tại ở thế giới 1 chiều chỉ có các đường thẳng, có thể hiểu được diện tích ở thế giới 2 chiều và không gian ở thế giới 3 chiều? Những sinh vật sống trong thế giới 2 chiều chắc chắn sẽ không thể hiểu được những sinh vật sống trong thế giới 3 chiều mà có không gian mới gọi là “chiều cao”.

Hơn nữa, vẫn còn quá sớm để nói rằng các thắc mắc về không gian 3 chiều mà chúng ta đang sống và không-thời gian 4 chiều bên ngoài đã được trả lời thỏa đáng.1 Phần cuối của phim “Interstellar” mô tả rất ấn tượng về thế giới cao chiều hơn mà chúng ta không thể nắm bắt được, dựa trên lý thuyết khoa học và trí tưởng tượng vô hạn. Đó là câu chuyện về người cha đã đi vào chiều không gian cao hơn thông qua lỗ đen và gặp lại cô con gái nhỏ của mình trong quá khứ trong phòng đọc sách ở nhà. Và những ai đã xem phim có lẽ đều cảm thấy hồi hộp vì người cha có thể nhìn thấy con gái nhưng con gái không thể nhìn thấy cha. Người con gái không hiểu được thông điệp mà cha đang muốn truyền đạt cho mình. Vì bị mắc kẹt trong không gian 3 chiều nên cô không thể nhận ra cha mình đang ở chiều không gian cao hơn.

1. Thế giới chúng ta đang sống thường được biểu hiện là không gian 3 chiều và theo thuyết tương đối của Einstein, nó cũng được xem là không-thời gian 4 chiều có thêm thời gian.

Đã từng có cuộc tranh cãi lớn về việc liệu có thể du hành xuyên thời gian ở không gian 4 chiều được không. Dù các tiểu thuyết và phim ảnh thường nói về chủ đề du hành xuyên thời gian, nhưng nhiều nhà vật lý cho rằng du hành xuyên thời gian trong không-thời gian 4 chiều gần như là không thể. Ví dụ, nếu người A du hành về quá khứ, liệu người A của quá khứ và người A của hiện tại có thể tồn tại trong cùng một thời gian và không gian được không? Việc hai vật thể giống hệt nhau tồn tại trong không-thời gian có chiều đồng nhất là trái với các định luật vật lý.2

2. Nếu hai vật thể giống hệt nhau cùng tồn tại trong một không-thời gian thì mọi định luật vật lý đều bị phá vỡ, bắt đầu từ định luật cơ bản nhất về bảo toàn khối lượng-năng lượng là “tổng khối lượng và năng lượng của vũ trụ luôn không đổi”.

Hãy tưởng tượng về vũ trụ có chiều cao hơn

Thật thú vị khi ngắm bức tranh “Guernica” của Picasso. Phương pháp thể hiện cấu trúc 3 chiều trên mặt phẳng 2 chiều của ông rất độc đáo. Những người được vẽ trong tác phẩm này của Picasso có cả mặt chính diện và mặt nhìn nghiêng, cả phía sau đầu và phía trước mặt. Đó là không gian 4 chiều được tạo trên canvas bằng cách vẽ từng mặt của vật thể 3 chiều mà ông quan sát được từ nhiều góc độ khác nhau. Nó dường như chứa đựng diện mạo 3 chiều vốn không thể biểu hiện được trên mặt phẳng 2 chiều, cũng như nỗi đau và sự tuyệt vọng vô hình. Picasso đã trở thành nghệ sĩ vĩ đại nhất thế kỷ 20 bởi trí tưởng tượng vượt qua các chiều không gian.

Các giác quan của con người chỉ có thể trải nghiệm tối đa 3 chiều. Vì bị mắc kẹt trong không gian 3 chiều, chúng ta có thể dễ dàng hiểu được các chiều 0, 1 và 2, nhưng lại không thể trực tiếp nắm bắt được các chiều cao hơn. Việc hiểu được các chiều không gian cao hơn bằng tư duy thuộc không gian 3 chiều là điều bất khả thi. Điều này có thể là do tất cả các cấp độ hiểu biết và quy luật vật lý của chúng ta chỉ thỏa mãn được trong không gian 3 chiều.

Ngoại trừ sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối chưa được biết đến, được suy ra từ tốc độ quay của các thiên hà và sự giãn nở nhanh chóng của vũ trụ, chúng ta chỉ có thể nhận biết được 4% vũ trụ. Để làm sáng tỏ những hiện tượng trong vũ trụ mà không thể giải thích trọn vẹn bằng các định luật vật lý 3 chiều, các nhà vật lý đã đưa ra khái niệm về chiều. Họ bắt đầu quan sát vũ trụ từ góc nhìn của Picasso. Để giải quyết thách thức lớn nhất của vật lý là lực hấp dẫn và để hoàn thiện lý thuyết trường thống nhất3, là lý thuyết giải thích rằng không-thời gian được tạo thành từ các chiều không gian cao từ 10 đến 11 chiều, họ đã đề xuất lý thuyết dây4 và thuyết M5. Những lý thuyết này xem các hạt cơ bản như sự dao động của dây hoặc màng. Dù chỉ là giả thuyết chưa được chứng minh nhưng khả năng này hoàn toàn rộng mở.

3. Lý thuyết trường thống nhất: Lý thuyết tìm cách tích hợp bốn lực cơ bản tồn tại trong thế giới tự nhiên gồm lực hấp dẫn, lực điện từ, lực mạnh và lực yếu. Lực điện từ, lực mạnh và lực yếu đã được thống nhất trong thế giới vi mô, nhưng lực hấp dẫn mà chỉ tồn tại trong thế giới vĩ mô, vẫn chưa được thống nhất. Lý thuyết xuất hiện để giải thích điều này là “lý thuyết dây” và “lý thuyết màng”.

4. Lý thuyết dây: Lý thuyết vật lý cho rằng đơn vị nhỏ nhất của thế giới tự nhiên là một “dây dao động” chứ không phải là một hạt điểm. Lý thuyết này giải thích rằng tính chất của các hạt và lực cơ bản của tự nhiên được quyết định bởi hình dạng và sự dao động của dây. Nó còn được gọi là lý thuyết siêu dây.

5. Thuyết M: Là thuyết thống nhất tất cả năm lý thuyết siêu dây trong 11 chiều về mặt toán học. Nó giải thích rằng bản chất của vật chất là màng và còn được gọi là lý thuyết màng.

Với khái niệm về chiều, chúng ta có thể giải thích vũ trụ vốn không thể hiểu được bằng giác quan, và những hiện tượng siêu nhiên mà chúng ta không thể hiểu được bằng khả năng nhận thức của mình. Vũ trụ rộng lớn đối với chúng ta chỉ được coi là thế giới 3 chiều, nhưng sâu trong vũ trụ có rất nhiều hình ảnh và hiện tượng mà chúng ta không thể hiểu được.

Chúng ta là những tồn tại bị ràng buộc trong không gian 3 chiều. Thế giới bên ngoài là nơi mà con người không thể hiểu thấu được. Làm thế nào chúng ta có thể trực tiếp nhìn thấy thế giới đó? Và ai có thể cho chúng ta biết về thế giới bên ngoài đó?

“Tôi biết một người trong Ðấng Christ, cách mười bốn năm trước, đã được đem lên đến từng trời thứ ba (hoặc trong thân thể người, hoặc ngoài thân thể người, tôi chẳng biết, có Ðức Chúa Trời biết).” II Côrinhtô 12:2

“Ôi! sâu nhiệm thay là sự giàu có, khôn ngoan và thông biết của Ðức Chúa Trời! Sự phán xét của Ngài nào ai thấu được, đường nẻo của Ngài nào ai hiểu được!” Rôma 11:33

“Vả, chẳng có một cái nhà nào không phải bởi có người dựng nên; mà Ðấng đã dựng nên muôn vật ấy là Ðức Chúa Trời.” Hêbơrơ 3:4