Řada vědců dnes soudí, že čtvrtá prostorová dimenze by mohla být buď velká, a proto i patrná, nebo naopak malá, svinutá, pro nás nepozorovatelná.
Čímž se ocitáme na prahu souvislostí se zapomenutým modelem čtyřrozměrného života profesorů Borůvky a Herčíka z minulého článku, které je třeba trochu rozebrat. Začneme třeba tím, že prostor a čas v předrelativistické fyzice vystupovaly jako nezávislé pojmy pro popis pohybu těles. Novější poznatky pak ukazovaly, že prostor a čas se ve skutečnosti prolínají. Čtyřrozměrný časoprostor tak nabýval hluboký geometricko-fyzikální význam, kde geometrii zakřiveného prostoročasu nelze nijak připodobnit Eukleidově geometrii. To, co předpokládal již německý matematik Theodor Kaluza, pak v roce 1926 jasně vyslovil a upřesnil švédský matematik Oskar Klein: prostorová geometrie našeho vesmíru může mít jak velké, tak i nepatrné, svinuté rozměry. Klein tehdy zkombinoval původní Kaluzovu představu o čtvrté dimenzi s několika myšlenkami z právě se rodící kvantové mechaniky. Jeho výpočty pak naznačovaly, že dodatečná dimenze v kvantové mechanice by mohla mít velikost přibližně Planckovy délky, což je daleko za rozlišovací schopností dnešních přístrojů či aparatur.
Ale jak to s tou Kaluzovou čtvrtou dimenzí vlastně bylo? Inu, německý matematik Theodor Kaluza roku 1919 zaslal Einsteinovi dopis, v němž mu popsal, jak by šlo sjednotit dvě tehdy známé základní interakce, totiž gravitaci a elektromagnetismus. Teorie gravitace a elektromagnetismu ve svých úvahách propojil v pětirozměrném časoprostoru tak, že ke třem nám známým prostorovým dimenzím a jedné časové přidal ještě další dimenzi prostorovou. Pokud si totiž chceme představit zakřivování čtyřrozměrného časoprostoru, přičemž obecná teorie relativity s takovým zakřivováním vlivem gravitace počítá, nezbývá než předpokládat, že existuje vícedimenziální prostor, v němž se náš čtyřrozměrný prostoročas nachází. Zde je ovšem třeba zdůraznit, že v této koncepci my žijeme uvnitř čtyřrozměrného časoprostoru a představa dalšího rozměru nám pomáhá vypořádat se s jeho metrickými vlastnostmi.
Původní Kaluzova koncepce časoprostoru bohatšího o jednu prostorovou dimenzi se zdála být překonána a zapomenuta. Jenže jak to tak vypadá, nová generace badatelů, která dnes hovoří o hyperprostoru, ji nejspíše hodlá rehabilitovat. Všechno to začalo u teorie strun, která říká, že počet rozměrů v našem světě není 3, nýbrž 10, pokud započteme i čas. Podle teoretických fyziků tak musí existovat ještě šest dodatečných rozměrů, zvaných Calabiho-Yauovy variety. Přechod od bezrozměrných částic k jednorozměrným strunám řeší neduhy, kterými trpěly snahy o sjednocení teorie mikrosvěta, kvantové mechaniky a obecné teorie relativity. M-teorie, která všechny strunové modely sjednotila, k tomu obsahuje další, jedenáctou dimenzi, která je však ještě menší než šest dodatečných rozměrů. Následně pak vyšlo najevo, že kromě jednorozměrných strun by mohly existovat i vícerozměrné objekty: dvourozměrné membrány neboli dvojbrány, trojbrány a další varianty membrán, obecně označované za p-brány, kde „p“ značí počet rozměrů, který musí být menší než deset. Dále se pak ukázalo, že brány nemusejí být až tak nepatrné: pokud jim nechybí dostatek energie, mohly by narůstat do obřích rozměrů. A právě s takovou možností počítají hypotézy bránových světů, podle nichž je náš vesmír trojbránou, vznášející se v kosmu s velkou dodatečnou dimenzí.
Lisa Randallová z Harvardovy univerzity a Raman Sundrum z Univerzity Johna Hopkinse se v roce 1999 zabývali možností, že vesmír je trojbránou plovoucí ve čtyřrozměrném kosmu, respektive v prostoru světů, přičemž představili model dvojího typu, totiž typu I a typu II. Zatímco v modelu typu I je dodatečná dimenze kompaktní (její velikost je omezena), v modelu typu II tuto charakteristiku postrádá, čímž Randallová se Sundrumem zbořili letitou představu, že dodatečné dimenze nutně musejí být kompaktní. Charles R. Keaton z Rutgers University a Arlie O. Petters z Duke University pak ve své práci vycházeli z bránového gravitačního modelu typu II Randallové-Sundruma. Tedy z představy, že námi pozorovaný vesmír je bránový svět (braneworld), který má čtyři prostorové dimenze (plus čas), na rozdíl od třech prostorových rozměrů, které požaduje obecná teorie relativity. Následně pak došli k závěru, že pokud je náš vesmír trojbránou v prostoru světů s libovolně velkou dodatečnou čtvrtou dimenzí, měl by náš vesmír být plný miniaturních černých děr, přičemž také přišli na způsob, jak bychom se o jejich existenci mohli přesvědčit. Teoretický fyzik Petters je uznávaným odborníkem pro svoji matematickou koncepci slabé gravitační čočky, a tak jeho současná práce, která představuje testovatelný model související se čtvrtou prostorovou dimenzí, budí značnou pozornost. Přičemž se Petterss neostýchal prohlásit, že jím navrhované řešení může potvrdit existenci čtvrté dimenze, která by znamenala „filozofický posun v našem chápání přírodního prostředí“.
Není bez zajímavosti, že důkazy o dodatečných rozměrech ve formě mikroskopických černých děr, které předpovídají vícedimenzionální teorie, by se mohly objevit i na urychlovači LHC v evropském středisku CERN, kde by se miniaturní černá díra měla v podobě Hawkingova záření rychle vypařit. Zde je však třeba podotknout, že nejmenší černé díry, které by se na LHC daly hypoteticky produkovat, jsou objekty diametrálně odlišné od astronomy pozorovaných vesmírných černých děr, v bulvárním tisku zcela nesmyslně dosazovaných do experimentů, prováděných na LHC.
Je sice pravda, že Herčík ve spolupráci s matematikem Borůvkou v článku Model čtyřrozměrného života prezentuje úvahy, které spočívají na předpokladu, že organismy jsou čtyřrozměrné útvary zasahující do našeho trojrozměrného prostoru. Jenže jako biofyzik stál Herčík také u zrodu kvantové biologie, která jej nutně vedla k řadě fyzikálních závěrů. A právě při budování základů kvantové biologie, jak uvádějí na profesora Herčíka vzpomínající moravští vědci, se Herčík stále více klonil k představám profesora Otakara Borůvky. Přesto se kritikům jejich prostorové koncepce života fakt, že se Borůvka s Herčíkem soustředili na čtvrtou dimenzi, jeví jako neodpustitelná chyba. Lze potom jejich model brát vážně?
Odpověď na tuto otázku lze hledat u Timothy Gowerse v publikaci Matematika, průvodce pro každého (Praha 2006, Dokořán). Gowers zde říká: „Jedna věc je ukázat, že idea vícedimenzionální geometrie není nesmyslná, ale úplně jiná věc je vysvětlit, proč by se měla brát vážně. Tvrdil jsem, že ji lze použít jako model, ale jak je to možné, když obýváme prostor třídimenzionální? Na to je odpověď jednoduchá. Model může mít mnoho různých aplikací. I dvoudimenzionální a třídimenzionální geometrie se používají na řadu jiných věcí než jen na modelování fyzikálního prostoru. Například pohyb objektu často znázorňujeme grafem, ukazujícím závislost uražené vzdálenosti na čase. Takový graf bude křivka v rovině, a její geometrické vlastnosti odpovídají informacím o pohybu. Proč je pro modelování pohybu vhodná dvoudimenzionální geometrie? Protože nám jde o dva údaje, čas a uraženou vzdálenost, a jak jsme řekli, na dvoudimenzionální prostor můžeme nahlížet jako na množinu dvojic čísel. To naznačuje, proč by mohla být užitečná geometrie vícedimenzionální. Možná ve vesmíru žádný vícedimenzionální prostor není, ale je řada situací, kdy potřebujeme pracovat se soubory několika čísel.“
Ostatně Borůvka s Herčíkem v závěru své stěžejní práce říkají, k čemu že je ta jimi navrhovaná koncepce dobrá: „Možno ovšem namítnouti, že vysvětlovat vlastnosti trojrozměrných organismů vlastnostmi čtyřrozměrných organismů není žádné vysvětlení, protože převádíme zjevy nám nepochopitelné do světa, který smyslově nemůžeme kontrolovati. K tomu bychom podotkli, že děje atomové jsou bezrozměrné, tedy smyslům nepřístupné a přece fysikové našli metody, jak je studovati. V každém případě by však čtyřrozměrná biologie měla k disposici pevný základ, který počala budovati již před sto lety čtyřrozměrná geometrie. Úkolem tohoto článku bylo upozorniti na možnosti plynoucí z aplikace pojmu čtyřrozměrného prostoru v biologii. Nechceme ovšem tvrditi, a ostatně jsme to již dříve naznačili, že naše úvahy popisují skutečný stav věcí, a v tom smyslu mluvíme v nadpisu našeho článku jenom o modelu života. Současně se však domníváme, že podobné úvahy stojí za zmínku, i když jde o názory od běžných představ zcela odlišné.“
V souvislosti s jejich textem bude záhodno si výše zmiňovanou kvantovou biologii představit. Její prvopočátky sahají až do první půle minulého století, o čemž svědčí i fakt, že jeden ze zakladatelů kvantové mechaniky Erwin Schrödinger, který v letech 1918 až 1920 přispěl k teorii barevného vidění, ve své publikaci What is life? v roce 1944 (u nás Co je to život? z roku 2004) využil jazyka fyziků k popisům procesů v živých organismech, které formovaly celou moderní biologii jako experimentálně teoretickou disciplínu. Dnes se pod kvantovou biologií rozumí vědní disciplína spojující kvantové fyziky, biochemiky a molekulární biology. Ti nám ukazují, jak na molekulární úrovni tvoří kvantová mechanika základ života. Kvantovou biologii laikům přístupnou formou na tomto videu představuje profesor Jim Al-Khalili z univerzity v Surrey, kde působí jako profesor teoretické fyziky. Původní profesí jaderný fyzik, který se zabývá kvantovou mechanikou, ve své přednášce (opatřené českými titulky) laikům předkládá potřebné informace. Al-Khalili zde mimo jiné říká: „Nevyčítám biologům, že se nemuseli nebo nepotřebovali kvantovou mechaniku učit. Tyhle podivnosti jsou velmi delikátní a nám fyzikům dá hodně práce je laboratorně potvrdit. Chladíme své soustavy skoro k absolutní nule, pokusy provádíme ve vakuu, snažíme se je izolovat od jakýchkoliv vnějších vlivů. Je to úplně jiné než teplé, zaneřáděné, hlučné prostředí v živé buňce... Vlastně se zdá, že živá hmota se tímto řádem a strukturou řídí stejně jako neživá hmota ochlazená až k absolutní nule, kde kvantové jevy hrají velmi důležitou roli. Je tedy něco zvláštního na struktuře, na řádu uvnitř živé buňky.“
Co tedy k modelu čtyřrozměrného života, skepticky naladěnou částí vědecké obce zavrhovanému, říci závěrem. Především zde platí, že Borůvka s Herčíkem ve své práci nikde nezmiňují, jak velká jimi uvažovaná čtvrtá prostorová dimenze musí být. Rovněž nikde netvrdili, že lze čtvrtou dimenzi prokázat nějakým jednoduchým experimentem. V případě jejich čtyřrozměrné biologie tedy nešlo než o hypotetický model. A pokud se jejich koncept čtyřrozměrných organismů někomu zdá být přitažený za vlasy, co je to proti takové teorii paralelních vesmírů (The parallel universes theory), se kterou jako s interpretací kvantové mechaniky roku 1957 přišel americký fyzik Hugh Everett. Zrovna tak ovšem fyzikální teorie a kosmologické objevy, jejichž prvotním úkolem bylo vysvětlit chování subatomárních částic a vesmírných těles, dovedly řadu teoretických fyziků k závěru, že náš vesmír může být jen jedním z mnoha. Od té doby se jak v populární, tak i v odborné literatuře objevuje spolu s multivesmírem (multiversum), coby souborem všech možných vesmírů, několik verzí paralelních světů.
A není bez zajímavosti, že v prvním i druhém stupni paralelních vesmírů jsou jejich kopie ještě odděleny v čase a prostoru, avšak ve třetím stupni se kopie již nacházejí ve stejném čase a prostoru jako my. Údajně jsou však našim smyslům nepřístupné proto, že existují v jiné dimenzi...
POST SCRIPTUM
Jestliže některého čtenáře přednáška britského fyzika zaujala, má zde možnost si pustit i záznam jednoho z dílů seriálu Tajemný svět kvantové fyziky. Jim Al-Khalili tu spolu s vlnovou vlastností částic zvanou tunelový jev (kvantové tunelování), pozorovanou v živých organismech, také vysvětluje, proč že se dají naše smysly popsat jako kvantové vibrace:
https://www.youtube.com/watch?v=h8FvGCUacVA
