Gran parte dei primi lavori sullo spazio a cinque dimensioni era nel tentativo di sviluppare una teoria che unificasse le quattro interazioni fondamentali in natura: forze nucleari forti e deboli, gravità ed elettromagnetismo. Il matematico tedesco Theodor Kaluza e il fisico svedese Oskar Klein svilupparono in modo indipendente la teoria di Kaluza-Klein nel 1921, che utilizzava la quinta dimensione per unificare la gravità con la forza elettromagnetica. Anche se i loro approcci sono stati successivamente trovati per essere almeno parzialmente impreciso, il concetto ha fornito una base per ulteriori ricerche nel corso del secolo scorso.,
Per spiegare perché questa dimensione non sarebbe direttamente osservabile, Klein suggerì che la quinta dimensione sarebbe stata arrotolata in un piccolo anello compatto dell’ordine di 10-33 centimetri. Secondo il suo ragionamento, ha immaginato la luce come un disturbo causato da increspature nella dimensione superiore appena oltre la percezione umana, simile a come i pesci in uno stagno possono vedere solo ombre di increspature sulla superficie dell’acqua causate da gocce di pioggia. Anche se non rilevabile, implicherebbe indirettamente una connessione tra forze apparentemente non correlate., La teoria di Kaluza-Klein ha sperimentato una rinascita negli anni ‘ 70 a causa dell’emergere della teoria delle superstringhe e della supergravità: il concetto che la realtà è composta da fili vibranti di energia, un postulato solo matematicamente praticabile in dieci dimensioni o più. La teoria delle superstringhe si è poi evoluta in un approccio più generalizzato noto come teoria M. La teoria M ha suggerito una dimensione extra potenzialmente osservabile in aggiunta alle dieci dimensioni essenziali che consentirebbero l’esistenza di superstringhe. Le altre 10 dimensioni sono compattate ,o “arrotolate”, a una dimensione inferiore al livello subatomico., La teoria di Kaluza-Klein oggi è vista come essenzialmente una teoria del calibro, con il calibro che è il gruppo del cerchio.
La quinta dimensione è difficile da osservare direttamente, anche se il Large Hadron Collider offre l’opportunità di registrare prove indirette della sua esistenza. I fisici teorizzano che le collisioni di particelle subatomiche a loro volta producono nuove particelle come risultato della collisione, incluso un gravitone che sfugge dalla quarta dimensione, o brane, che perde in una massa cinque-dimensionale., M-teoria spiegherebbe la debolezza della gravità rispetto alle altre forze fondamentali della natura, come si può vedere, per esempio, quando si utilizza un magnete per sollevare un perno da un tavolo — il magnete è in grado di superare l’attrazione gravitazionale di tutta la terra con facilità.
Approcci matematici sono stati sviluppati nei primi anni del 20 ° secolo che ha visto la quinta dimensione come un costrutto teorico. Queste teorie fanno riferimento allo spazio di Hilbert, un concetto che postula un numero infinito di dimensioni matematiche per consentire un numero illimitato di stati quantistici., Einstein, Bergmann e Bargmann in seguito hanno cercato di estendere lo spaziotempo quadridimensionale della relatività generale in una dimensione fisica extra per incorporare l’elettromagnetismo, anche se non hanno avuto successo. Nel loro articolo del 1938, Einstein e Bergmann furono tra i primi a introdurre il punto di vista moderno secondo cui una teoria quadridimensionale, che coincide con la teoria di Einstein-Maxwell a lunghe distanze, deriva da una teoria a cinque dimensioni con simmetria completa in tutte e cinque le dimensioni., Hanno suggerito che l’elettromagnetismo derivasse da un campo gravitazionale che è “polarizzato” nella quinta dimensione.
La principale novità di Einstein e Bergmann era di considerare seriamente la quinta dimensione come un’entità fisica, piuttosto che una scusa per combinare il tensore metrico e il potenziale elettromagnetico. Ma poi rinnegarono, modificando la teoria per rompere la sua simmetria a cinque dimensioni., Il loro ragionamento, come suggerito da Edward Witten, era che la versione più simmetrica della teoria predisse l’esistenza di un nuovo campo a lungo raggio, uno che era sia senza massa che scalare, che avrebbe richiesto una modifica fondamentale alla teoria della relatività generale di Einstein. Lo spazio di Minkowski e le equazioni di Maxwell nel vuoto possono essere incorporati in un tensore di curvatura di Riemann a cinque dimensioni.,
Nel 1993, il fisico Gerard ‘t Hooft propose il principio olografico, che spiega che le informazioni su una dimensione extra sono visibili come una curvatura in uno spaziotempo con una dimensione in meno. Ad esempio, gli ologrammi sono immagini tridimensionali posizionate su una superficie bidimensionale, che conferisce all’immagine una curvatura quando l’osservatore si muove. Allo stesso modo, nella relatività generale, la quarta dimensione si manifesta in tre dimensioni osservabili come il percorso di curvatura di una particella infinitesimale (test) in movimento., ‘T Hooft ha ipotizzato che la quinta dimensione è davvero il tessuto spaziotempo.
