Другие измерения

Автор полностью согласен с замечанием В. Александрова и считает, что он очень правильно обратил внимание на некоторый аспект одного из фундаментальных вопросов современной теоретической физики. Однако законы научной популяризации не всегда позволяют точно и строго описывать современные теории пространства-времени. Это подтверждает творчество таких выдающихся учёных, как Хокинг, Каку, Грин, Вилснкин.

Поэтому, если не считать простодушно, что многомерное физическое пространство получается увеличен нем количества школьных декартовых координат, как это часто встречается в литературе, то нам потребуется целый рассказ о том, «откуда взялись» дополнительные измерения и как они используются в современной физике.

Тайна завещания Эйнштейна

Существует легенда, будто бы незадолго до того, как уйти в иной мир со словами: «ну, теперь-то я узнаю, как это все устроено», великому физику Альберту Эйнштейну удалось объединить в одной формуле все известные физические поля. Свои выкладки гений записал в простую школьную тетрадку, которую озаглавил «Единая теория поля». Гениальный создатель новой физики много думал над дальнейшей судьбой своего эпохального открытия и, в конце концов, решил, что человечество ещё не готово к управлению пространством-временем и путешествию по иным измерениям…

Слухи о «Завещании Эйнштейна» распространились сразу же после его смерти, причем до сих пор непонятны их источники. Возможно, это связано с неоконченными работами ученого, в которых есть странные пробелы и недосказанности. При этом большинство его биографов уверены, что если «Завещание Эйнштейна» и существовало, то, скорее всего, оно было сожжено и развеяно вместе с его прахом над просторами Атлантики согласно последней воле гения.

Удивительный мир Эйнштейна основан на его теории относительности, связывающей гравитацию с геометрией самого пространства-времени. Это можно представить как эластичную поверхность, в которой все тела образуют воронки разной формы. К примеру, в пространственное углубление нашего светила будут скатываться все тела Солнечной системы, а земная воронка будет содержать Луну, искусственные спутники, все предметы на поверхности и, конечно же, нас с вами.

Грандиозный успех к теории Эйнштейна пришёл после астрономических открытий отклонения лучей света далеких звёзд вблизи Солнца. Много позже астрономы зафиксировали и удивительные космические гравитационные линзы. Так решилась интригующая загадка кратных изображении очень далёких квазизвёздных объектов — квазаров. Более близкие галактики искажают их изображение своей «рябью пространства-времени», вызывая появление таких причудливых фигур, как знаменитый «крест Эйнштейна».

Но и на этом чудеса мира Эйнштейна не исчерпываются. Теория относительности объясняет, как попасть в иные измерения!

Для этого придётся нырнуть в бездонные провалы космоса у знаменитых чёрных дыр. И, хотя учёные до сих нор спорят, что же находится внутри подобных «гравитационных коллапсаров», где материя как бы проваливается «внутрь самой себя», сам Эйнштейн вместе со своим коллегой Натаном Розеном уверенно предсказал, что именно там скрывается реальный путь в иные измерения. Им удалось построить своеобразные математические переходы между точками «прокола» пространства-времени. «Мостики Эйнштейна Розена» могут соединять очень далекие части видимой вселенной Метагалактики, хотя тут и непонятны многие детали.

Сегодня физиков уже не удивишь новыми моделями «червоточин» и «кротовых нор», ведущих, согласно теории гравитации Эйнштейна, в неизведанное из сердцевины чёрных дыр. С другой стороны и сама теория относительности постоянно развивается. Может быть, вскоре теоретикам и удастся объединить электромагнетизм с гравитацией, воплотив главную мечту великого учёного. Па этом пути много надежд связывается с дальнейшим развитием теории Эйнштейна супергравитацией, объединяющей несопоставимое микро- и макромир.

Грубо говоря, суть супергравитации и состоит в наличии дополнительных измерений в 11-мерном пространстве-времени. Тут открывается необозримый простор для физико-математических фантазий. Ведь, как уже рассказывалось, теоретически можно встретить и миры-частицы, и целые вселенные, «упакованные» в иные измерения.

Автор вполне представляет возмущение многих своих коллег, прочитавших последние строки. К глубочайшему сожалению, более или менее строго рассказать о новых теориях пространства-времени в одной статье никак не возможно. Ведь математический аппарат теории групп чрезвычайно труден для популяризации.

Впрочем, не надо терять надежду: теория относительности тоже когда-то считалась труднейшим математическим построением, а сегодня её успешно изучают в школе.

Загадка скрытых измерений

Строя современные теории иных пространств и измерений, физикитеоретики как-то раз встретились с очень странным результатом, опубликованным ещё в начале 20-х гг. прошлого века профессором Кенигсберге ко го университета Теодором Калуцей.

Этот польско-немецкий физик с самого начала оценил глубокий потенциал, заложенный в теории относительности, и на её основе создал ряд оригинальных геометрических конструкций для различных физических нолей. На следующем этапе он смело решил объединить геометрию гравитации и электромагнетизма. В конечном итоге, Калуце удалось неожиданно получить необычно искривленное пятимерное пространство-время, включающее и тяготение, и электромагнитное поле Максвелла.

Долгое время современники рассматривали построения Калуцы всего лишь как математическую головоломку, не имеющую аналога в физическом мире. В 1926 г. за разработку теории Калуцы взялся шведский физик и математик Оскар Клейн, после чего она стала известна как теория Калуцы — Клейна.

Эта полузабытая работа в свое время очень заинтересовала Эйнштейна, подтолкнув его к делу всей последующей жизни – поиску Единой теории поля. К глубокому сожалению, он так и не смог продвинуться по этому пути, поскольку не смог вписать в свои построения существование элементарных частиц. Прошло полстолетия, пока идеи Калуцы не заинтересовали современных создателей Теории Всего (так физики называют единую теорию всех известных частиц и сил). Вот тут и возникла идея реального многомерного пространства, в котором геометрия связывает все существующие физические поля.

Естественно, что тут же возникает очевидный вопрос: а как же проявляются дополнительные пространственные измерения в окружающем Мире? Ответом является один термин – компактификация. Это означает, что каждое «лишнее» измерение сверх трех известных свёрнуто наподобие пружинки на сверхмикроскопических масштабах. Тут возникает поразительный «ландшафт» теории струи, где мельчайшие материальные объекты имеют вид не привычных точек, а протяжённых структур. Колеблясь как самые обычные струны, они порождают спектр всех известных элементарных частиц.

Вот так в наш мир входят самые «обычные» многомерные размерности, столь любимые не только физиками-теоретиками, но и писателями-фантастами. Можно ли их как-то увидеть? Или хотя бы косвенно почувствовать присутствие этих глубин микрокосмоса?
Расчёты показывают, что для этого требуются совершенно невообразимые энергии, а ускоритель частиц для изучения этой проблемы займёт всю Солнечную систему. Однако учёные не унывают и ищут всё новые пути в многомерное пространство. Это могут быть и какие-то ещё не известные космические явления, и новые эффекты на следующем поколении БАКа…

Ветви метавселенных

Теоретические конструкции многомерных миров стали привычны в кругу математиков еще в 20-х гг. ушедшего века, однако физики с самого начала относились к ним с большим предубеждением. Ведь достаточно добавить одно лишнее измерение, и планеты начнут срываться со своих орбит, а материя станет нестабильной, рассыпаясь на отдельные атомы. Всё это замечательно описано в книге видного научного историка и популяризатора Г.Е. Горелика, которая так и называется «Почему пространство трёхмерно?». Множество блестящих художественно-популярных иллюстраций из мира многих измерений можно найти и у математика М. Гарднера. Эти книги не только глубоко научно анализируют размерность нашего Мира, но и рассматривают альтернативные варианты, в которых не нашлось бы места нс только человеку, по и вообще белковой жизни.

Однако гораздо чаще встречаются произведения, в которых многомерные миры практически ничем не отличаются от нашей четырехмерной Вселенной, только содержат большее число координат. По этому поводу выдающийся американский физик, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг как-то заметил, что это напоминает позицию уфологов, которые в подавляющем большинстве уверены, что в контакте с инопланетянами мы обязательно столкнёмся если и не зелёными человечками из летающих тарелочек, то уж наверняка с чем-то похожим на жуков или осьминогов.

С размерностью нашей Вселенной связана и ещё одна давняя проблема, рассматриваемая ещё с античных времён: из каких минимальных частиц состоит пространство и время? Мельчайшие ячейки пространства-времени можно встретить и в теориях квантовой супергравитации, и в суперструнных моделях. Все они располагаются в пространстве иных измерении, чем-то напоминающем полотнище ткани, сотканное из струнных волокон. При этом теоретики заранее благоразумно оговаривают, что эти чрезвычайно малые объекты являются принципиально не наблюдаемые и могут только как-то проявлять себя при сверхвысоких энергиях.

Ведущий суперструнный теоретик Хуан Малдасеиа недавно афористично заметил, что современные физики живут в предвкушении чуда, когда какой-нибудь неожиданный эксперимент иди даже космическое наблюдение подтвердит, что скелет Мироздания содержит дополнительные кости невидимых размерностей.

В этом случае нам следует только запастись терпением…

Загадки пространства-времени

Надо заметить, журналисты и писатели давно уже заметили неразбериху, царящую в теориях физиков. Так, распространённым мнением в литературной околонаучной среде является то, что любые мыслимые чудеса и превращения являются делом рук пришельцев из других измерений. Ещё дальше заходят современные маги и экстрасенсы. Всерьёз считающие, что их паранормальные фокусы объясняются пространством иной реальности. Вполне естественно, что и самая «модная» теоретическая концепция множественного Мироздания – Мультиверс тесно связана с многомерными вариантами обобщения суперструн в т.п. «М-теории».

М-теория содержит множество вариантов иных измерений. В основе там лежат «скрученные» размерности, представляющие собой «иномерные остатки» рождения нашей Вселенной в чудовищном катаклизме Большого нарыва. В подобных научных спекуляциях (так вполне корректно называются теоретизирования без достаточной экспериментальной базы) ещё до «начала всего» в протопространстве иных измерений происходили некие процессы, приведшие к началу истории нашего Мироздания.

Впрочем, тут надо признать, что ни физики-элементарщики, расщепляющие частицы на самом дне материи, ни астрофизики, добравшиеся до самых крайних границ Метагалактики, пи разу ещё не зафиксировали каких-либо чудес, свидетельствующих о присутствии в нашей реальности «иномерного» подпространства…

Однако само отсутствие дополнительных размерностей тоже очень важно. Ведь это позволяет понять, почему наш Мир развивается именно этим путём, что, в свою очередь, может дать ключ к новым фундаментальным закономерностям эволюции Вселенной.