Dlaczego naukowcy szukają piątego wymiaru i dlaczego w mózgu?

30.05.2026 16:50

Źródło: Pixabay.com | Autor: Pixabay.com | Licencja: Pixabay.com | Piąty wymiar

Ponieważ pojęcie czterowymiarowej czasoprzestrzeni jest niedostatecznie trudne do pojęcia dla wielu ludzi, uczeni zaczynają dodawać piąty wymiar. To nieco żartobliwe ujęcie kwestii. Jednak całkowicie poważnym faktem jest, że badawcze wysiłki na rzecz wykrycia piątego wymiaru trwają od dłuższego czasu a ostatnio nawet można mówić o ich wzmożeniu.

Co musisz wiedzieć:

Naukowcy od ponad 100 lat poszukują dowodów na istnienie dodatkowych wymiarów rzeczywistości.
Nowe badania sugerują, że ślady piątego wymiaru mogą być związane z ciemną materią i falami grawitacyjnymi.
Matematyczne modele mózgu wskazują na istnienie struktur opisywanych nawet przez 11 wymiarów topologicznych.

Skąd wziął się pomysł na piąty wymiar?

Piąty wymiar to hipotetyczny wymiar przestrzenny wykraczający poza cztery znane (długość, szerokość, wysokość i czas). Idea ta ma ponad sto lat. Zaproponowana w latach 20-tych XX w. przez Niemca Theodora Kaluzę i Szweda Oskara Kleina, łączyła einsteinowską teorię względności ze zjawiskami elektromagnetycznymi za pomocą rozszerzenia czterowymiarowej czasoprzestrzeni o hipotetyczny dodatkowy piąty wymiar.

Od tamtego czasu tajemnica wymiaru piątego (i kolejnych, jak przekonamy się w dalszej części tekstu) nęci, dręczy i kusi badaczy, którzy zresztą podejrzewają, że rozwiązanie tej zagadki może być kluczem do innych wielkich tajemnic.

Dlaczego naukowcy szukają piątego wymiaru?

Odkrycie dodatkowych wymiarów mogłoby wyjaśnić jednocześnie kilka największych zagadek fizyki: naturę ciemnej materii, ciemnej energii oraz umożliwić unifikację grawitacji kwantowej z ogólną teorią względności.

Piąty wymiar to zresztą dopiero początek. Teorie superstrun zakładają istnienie 10 lub 11 wymiarów. W interpretacjach kwantowych piąty wymiar utożsamiany jest z rozgałęzieniami osi czasu (wieloświat Hugh Everetta), a kolejne – z coraz bardziej abstrakcyjnymi poziomami alternatywnych rzeczywistości.

Czy ciemna materia jest śladem ucieczki cząstek do piątego wymiaru?

Jedną z najnowszych prób wejścia w piąty wymiar, by go wyjaśnić, są badania zespołu naukowców z Hiszpanii i Niemiec, którzy ogłosili, że potrafią wyjaśnić zjawisko ciemnej materii, postulując istnienie cząstki powiązanej z piątym wymiarem.

Naukowcy badali masy elementarnych cząstek materii, fermionów, które, jak sądzą, mogłyby być przenoszone do piątego wymiaru przez „portale”, tworząc przy tej okazji relikty ciemnej materii, tzw. „fermionową ciemną materię” w piątym wymiarze. Ich obliczenia przewidują, że masa fermionów przejawia się w tak zwanej zakrzywionej przestrzeni piątego wymiaru. Fermiony, które przedostały się przez portal do zakrzywionego piątego wymiaru, mogłyby „działać jako” ciemna materia, czyli odpowiadać za dające się zaobserwować skutki jej istnienia, co wyjaśniałoby zrazem zgrabnie trudności z jej wykryciem przez nasze instrumenty pomiarowe. Te bowiem wglądu w piąty wymiar nie mają.

Fermiony (elektrony, kwarki, neutrina) są podstawowymi składnikami całej materii fizycznej. Ich masy obejmują dwanaście rzędów wielkości w trzech odrębnych rodzinach. Tak wynika z Model Standardowego fizyki cząstek.

Jak można wykryć piąty wymiar?

Adrián Carmona z Uniwersytetu w Granadzie oraz Javier Castellano Ruiz i Matthias Neubert z ośrodka PRISMA+ przy Uniwersytecie Johanna Gutenberga w Moguncji nazywają fermion, cząstkę, którą proponują dodać do tego modelu, „potencjalnym nowym posłańcem do sektora ciemnego”. Proponowana przez nich cząstka jest na tyle podobna do bozonu Higgsa pod względem właściwości kwantowych, że obie mogłyby się mieszać, tworząc kanał między materią widzialną a tym, co zajmuje piąty wymiar. To właśnie ten kanał wprowadza do obrazu ciemną materię.

„Gdyby ta ciężka cząstka istniała, połączyłaby znaną nam i szczegółowo zbadaną materię widzialną ze składnikami ciemnej materii,” - powiedzieli naukowcy w rozmowie z sersem VICE - „zakładając, że ciemna materia składa się z fundamentalnych fermionów, które istnieją w dodatkowym wymiarze”.

Modele, które stworzyli zgadzają się z istniejącymi danymi obserwacyjnymi dotyczącymi rozmieszczenia ciemnej materii we Wszechświecie, co na wstępie zwiększa wiarygodności ich hipotez.

Bozon Higgsa został przewidziany w 1964 roku, ale potwierdzono jego istnienie dopiero w 2012 roku, po zbudowaniu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w CERN specjalnie w tym celu. Cząstka proponowana przez zespół z Moguncji i Granady byłaby jeszcze cięższa niż cząstka Higgsa, wykraczając poza możliwości detekcyjne LHC. Proponowane urządzenia nowej generacji, w tym Międzynarodowy Zderzacz Liniowy i Przyszły Zderzacz Okrężny, mogłyby ostatecznie zbliżyć się do wymaganych energii. Jednak nawet przy energii 100 teraelektronowoltów, czyli około siedmiokrotności energii projektowej LHC, bezpośrednie wykrycie byłoby „bardzo trudne” - twierdzą naukowcy.

Ścieżka przez fale grawitacyjne

Bardziej praktyczna ścieżka w najbliższej przyszłości prowadzi przez fale grawitacyjne. Fale w czasoprzestrzeni spowodowane gwałtownymi wydarzeniami we wczesnym wszechświecie mogą utrzymywać się przez miliardy lat i docierać do dzisiejszych detektorów. Naukowcy uważają, że nowa cząstka mogła wpłynąć na wczesny bieg wydarzeń we Wszechświecie, pozostawiając sygnały, które detektory fal grawitacyjnych mogłyby wychwycić.

Do zidentyfikowania fermionowej ciemnej materii w zakrzywionym piątym wymiarze wystarczyłby więc, w ocenie badaczy, odpowiedni detektor fal grawitacyjnych, a takie urządzenia już zostały zbudowane i jest ich coraz więcej na całym świecie.

Czy piąty wymiar czai się w ekstremalnych krzywiznach?

Jeszcze nowsze badania Uczonych z Uniwersytetu w Stambule wskazują, że w przypadku bardzo małych odległości lub bardzo wysokich energii czasoprzestrzeń może przestać zachowywać się tak, jakby miała tylko cztery wymiary. Lina Yıldız, Deha Kaykı i Ertan Güdekli w czasopiśmie „European Physical Journal C” piszą, iż różne części naszego Wszechświata mogą wydawać się mieć więcej niż cztery wymiary, z powodu ekstremalnych krzywizn wynikających z „krótkich odległości lub wysokich energii” w niektórych obszarach.

Twierdzenia tureckich naukowców opierają się na geometrii fraktalnej oraz wielkości zwanej „skalarem Ricciego”, która mierzy krzywiznę w czasoprzestrzeni oraz stopień, w jakim niektóre obszary różnią się od otaczającej je „przestrzeni płaskiej”. Stworzyli nowy model matematyczny, w którym efektywna liczba wymiarów dynamicznie reaguje na lokalną krzywiznę. W obszarach o mniejszej krzywiźnie ta wartość matematyczna zbliża się do zera, co nie koliduje ze znaną fizyką. Z kolei „środowiska o dużej krzywiźnie, takie jak obiekty gęste lub wczesny Wszechświat”, pasują, jak wynika z pracy badaczy, do znanej już ogólnej teorii względności Einsteina. Nie trzeba sięgać po różne egzotyczne pomysły fizyczno-matematyczne.

W jaki sposób rzeczywistość przecieka do kolejnych wymiarów?

Poszukiwania piątego wymiaru w ostatnich latach nasilają się. Wspomniane wyżej prace naukowe to obecny rok. Lata poprzednie też były pełne doniesień o podobnych badaniach. W artykule opublikowanym na arXiv we wrześniu 2024 r. naukowcy dr Ignatios Antoniadis z Uniwersytetu Sorbony i dr Dieter Lüst z Instytutu Maxa Plancka zaproponowali wyjaśnienie „całościowe”, czyli jak tłumaczyli, nie chodziło im tylko o drobne poprawki. Sugerowali, że cała nasza czterowymiarowa rzeczywistość w rzeczywistości „przenika” do dodatkowych wymiarów.

Opracowali model, w którym jeden z tych dodatkowych wymiarów jest dość duży. Jak duży? Około mikrona. Może komuś się to wydać niedużo, ale w świecie fizyki cząstek elementarnych mikron, rozmiar pojedynczej bakterii, jest gigantyczną skalą. Traktuje się to jako skalę pośrednią między kwantową a kosmiczną.

Autorzy twierdzą, że w grawitacji kwantowej skale małych i dużych obiektów te są ze sobą powiązane. Niewielka wartość ciemnej energii, którą obserwujemy, jest w rzeczywistości sygnałem – śladem wskazującym bezpośrednio na istnienie ukrytego wymiaru o rozmiarze mikrona. Och równania wskazują, że to dość logiczny, naturalny wniosek, który usuwa konieczność manipulowania obliczeniami. Przynajmniej w ich matematyce wszystko się zgadza.

Dlaczego warto szukać dodatkowych wymiarów w mózgu?

A może piątego i kolejnych wymiarów nie trzeba szukać przemierzając odległe zakątki Wszechświata? Może warto lepiej przyjrzeć się temu co mamy blisko i zawsze przy sobie, czyli mózgowi? Wiadomo, że nasz mózg funkcjonuje w sposób niewiarygodnie złożony. Ale ogłoszone niedawno rewelacje, że sieci neuronowe potrafią tworzyć struktury wykraczające poza znaną nam czasoprzestrzeń i sięgającą jedenastu wymiarów, to nowość, nieco nawet szokująca.

Zespół badawczy ze szwajcarskiego instytutu EPFL użył metod matematycznych, w tym tzw. topologii algebraicznej, która opisuje obiekty bez względu na zmiany ich kształtu, do modelowania funkcji i działań neuronów w mózgu. Okazało się, że grupy neuronów tworzą struktury, których geometria w matematycznym sensie wykracza poza tradycyjny trójwymiarowy układ odniesienia. Takich struktur powstaje, jak oceniają naukowcy, bardzo dużo, nawet dziesiątki milionów na jeden niewielki obszar mózgu. Nierzadko neurony w takich „zgrupowaniach” połączone są w siedmiu wymiarach, czasem nawet w jedenastu.

Pamiętajmy jednak, że tego nie „widzimy”. Wynika to raczej z obliczeń matematycznych. Szwajcarzy zresztą do badań wykorzystywali nie rzeczywisty mózg, lecz dokładny model kory nowej upubliczniony w ramach projektu Blue Brain jeszcze w 2015 r. To projekt finansowany przede wszystkim przez szwajcarski rząd, a jego celem jest jak najlepsze odtworzenie mózgu szczura, przez symulowanie neuronów i połączeń neuronalnych. Zainteresowani zapewne skojarzą owe jedenaście matematycznych wymiarów z teoriami superstrun, które przewidują istnienie dziesięciu wymiarów lub właśnie jedenastu (gdyby wliczyć zerowy wymiar, którym jest kropka kwantowa).

W jakim wymiarze jest informacja?

Obecnie wielu fizyków skłania się do traktowania jako o piątego wymiaru informacji. Alternatywnie określa się informację jako piąty stan skupienia materii (choć w rzeczywistości wyróżnia się takich stanów lub precyzyjnie mówiąc, faz, dużo więcej).

Zaproponowana w 2019 r. przez Melvina Vopsona, fizyka z Uniwersytetu z Portsmouth w Wielkiej Brytanii zasada równoważności masa-energia-informacja (M/E/I), według której masa może być wyrażona jako energia lub informacja lub odwrotnie, zakłada, że bity informacji muszą mieć pewną niewielką masę. Uczony twierdzi, że informacja jest piątą formą materii we Wszechświecie.

Na czym polegają polskie trzy grosze a raczej – bity - w wymiarach rzeczywistości?

W badaniach nad informacją jako piątym wymiarem lub kolejnym stanem materii jest też mniej znany, ale interesujący polski wkład. Kilka lat temu Mariusz Stanowski, autor książki „Theory and Practice of Contrast Integrating Science, Art and Philosophy”, pisał o binarności (zerojedynkowości), z którą w naszej cyfrowej erze informacji jesteśmy oswojeni, a która jego zdaniem przenika całą rzeczywistość jaką znamy. Od najgłębszego podłoża – cząstki mają przeciwne ładunki, dodatni i ujemny, są cząstkami lub antycząstkami, spin (wartość opisująca obrót) cząstek jest albo zgodny z ruchem wskazówek zegara albo przeciwny. Jak pisał, natura jest binarna w swojej fizycznej strukturze materii i energii, wyewoluowała i istnieje w postaci elementów binarnych.

Dla umysłu binarna natura Wszechświata jest to trudna do uchwycenia. Aby zrozumieć ją w pełni, musielibyśmy zapamiętać kolejność wszystkich elementów i dotrzeć do każdego z nich w odpowiedniej kolejności, jak w przypadku nagrania na taśmie. To właśnie dlatego, jak wskazuje Stanowski, nasz umysł generuje wymiar przestrzenno-liniowy, który ułatwia mu dostęp do wszystkich elementów liczby rzeczywistości. Drugi i trzeci wymiar ułatwiają nam postrzeganie bardziej złożonej rzeczywistości. Dodawanie przez nasz umysł kolejnych wymiarów wiąże się ze wzrostem liczby wykorzystywanych przez nas elementów informacji i koniecznością ich kompresji. Przestrzeń trójwymiarowa reprezentuje właśnie taką kompresję (organizację) informacji. Kompresja informacji polega na zapisaniu określonej liczby elementów informacji przy użyciu mniejszej liczby bitów, czyli mniejszej energii. Z tej definicji wynika, że przestrzeń należy traktować nie jako kategorię fizyczną, ale kreację umysłu.

Jak łatwo zauważyć, w teorii Polaka, informacja czy też binarna liczba Wszechświata, jest nie tyle „piątym wymiarem” ile raczej prawdziwą strukturą rzeczywistości. „Nasze” trzy lub cztery wymiary są po to byśmy mogli jakoś poznawać i tłumaczyć sobie wszystko. W tym sensie wykracza to poza nasze pojmowanie wymiarowości.

Jak opisać wszystko do dziesięciu wymiarów w górę?

Jak już wspomniano, fizyka kwantowa opisuje nie tylko piąty, ale kolejne dodatkowe wymiary jako teoretyczne kontynuacje, swoiste rozwinięcia rzeczywistości na kolejnych planach. Piąty wymiar można sobie wyobrazić jako rozgałęzienia na osi czasu, czwartego wymiaru. Tak więc, piąty wymiar to możliwości wyboru. To rzecz popularnie zwana wieloświatem a oznaczająca kontinua przyczynowo-skutkowe światów tworzonych przez decyzje, wyniki pomiaru, wydarzenia, opisywane przez interpretację mechaniki kwantowej autorstwa amerykańskiego fizyka Hugh Everetta.

Jak się zdaje nieuchronną konsekwencją piątego wymiaru w tym rozumieniu, czyli rozgałęzień na wiele światów, musi być szósty wymiar tworzony przez wszystkie możliwe równoległe światy, czyli światy w których powstały inne piąte wymiary (kontinua) niż w naszym. Inaczej mówiąc szósty wymiar zawiera wszystkie możliwe ścieżki rozwoju Wszechświata od momentu powstania pierwszych cząstek elementarnych.

Do momentu, w którym wszystko to powstało, sięga siódmy wymiar. Zawiera w sobie nieskończoność, czyli punkt, w którym wszystko, co znamy, lub nie znamy jako alternatywne kontinua, się zaczęło. Ósmy wymiar miałby z kolei kumulować różne możliwe nieskończoności i wszechświaty zupełnie różne od naszego, rządzące się całkowicie odmiennymi od naszego prawami fizyki. Dziewiąty wymiar znów jest zjednoczeniem i syntezą wcześniej opisanych nieskończoności a jednocześnie stwarza możliwość przemieszczania się pomiędzy nimi. Dziesiąty wymiar to znów punkt, w którym powstały wszystkie możliwe nieskończoności.

FAQ: Piąty wymiar i kolejne wymiary Wszechświata

Czym jest piąty wymiar? Piąty wymiar to hipotetyczny, dodatkowy wymiar przestrzenny wykraczający poza znane cztery (długość, szerokość, wysokość i czas). W zależności od teorii może oznaczać ukryty wymiar fizyczny, zbiór alternatywnych linii czasu (wieloświat) lub nawet informację jako podstawowy składnik rzeczywistości.
Kiedy po raz pierwszy zaproponowano istnienie piątego wymiaru? Pomysł ma ponad sto lat. Jedną z pierwszych formalnych teorii była teoria Kaluzy-Kleina, zaproponowana w latach 20-tych XX w., która łączyła einsteinowską teorię względności z elektromagnetyzmem poprzez dodanie piątego wymiaru do czterowymiarowej czasoprzestrzeni.
Jaki związek ma piąty wymiar z ciemną materią? Naukowcy z Hiszpanii i Niemiec zaproponowali, że cząstki elementarne (fermionu) mogą „przenikać" przez portale do piątego wymiaru, tworząc tam relikty ciemnej materii. Wyjaśniałoby to, dlaczego ciemna materia jest tak trudno wykrywalna – nasze instrumenty nie mają wglądu w piąty wymiar.
Jak można wykryć piąty wymiar lub powiązane z nim cząstki? Bezpośrednia detekcja jest niezwykle trudna – wymagane energie przekraczają możliwości obecnego LHC w CERN. Bardziej obiecującą ścieżką są detektory fal grawitacyjnych, które mogą wychwycić sygnały pozostawione przez nowe cząstki we wczesnym Wszechświecie.
Czy ludzki mózg operuje w dodatkowych wymiarach? Badania szwajcarskiego instytutu EPFL wykazały, że sieci neuronowe tworzą struktury matematyczne sięgające nawet 11 wymiarów. Nie oznacza to, że dosłownie „widzimy" te wymiary – wynika to z obliczeń topologicznych na modelu mózgu szczura.
Czy informacja może być piątym wymiarem? To jeden z popularnych kierunków badań. Fizyk Melvin Vopson z Uniwersytetu w Portsmouth zaproponował zasadę równoważności masa-energia-informacja (M/E/I), według której informacja jest piątą formą materii we Wszechświecie i bity informacji mają pewną niewielką masę.
Jaki jest polski wkład w badania nad dodatkowym wymiarem informacji? Mariusz Stanowski w swojej teorii opisuje binarną naturę rzeczywistości i sugeruje, że nasze trzy (lub cztery) wymiary są kreacją umysłu – sposobem na kompresję i organizację informacji. W jego ujęciu informacja jest prawdziwą strukturą rzeczywistości, głębszą niż pojęcie wymiarowości.
Ile wymiarów przewidują teorie fizyczne? Teorie superstrun przewidują 10 lub 11 wymiarów. W popularnych interpretacjach kwantowych: piąty wymiar to rozgałęzienia osi czasu (wieloświat), szósty – wszystkie możliwe równoległe światy, a kolejne aż do dziesiątego obejmują coraz bardziej abstrakcyjne „nieskończoności" i alternatywne wszechświaty rządzące się odmiennymi prawami fizyki.
Dlaczego poszukiwania piątego wymiaru nasilają się w ostatnich latach? Ponieważ rozwiązanie zagadki dodatkowych wymiarów mogłoby jednocześnie wyjaśnić kilka wielkich tajemnic fizyki: naturę ciemnej materii, ciemną energię oraz zunifikować grawitację kwantową z teorią względności.