В каком измерении мы. Мир после Квантового Перехода, в каком измерение мы живём

Общеизвестно, что мир, в котором мы живем, трехмерен. Окружающее нас пространство обладает тремя измерениями — длиной, шириной и высотой. Ну, а если бы наш мир имел больше трех измерений? Как повлияло бы «лишнее» измерение на течение различных физических процессов?

На страницах современных научно-фантастических произведений довольно часто можно встретиться с почти мгновенным преодолением огромных космических расстояний с помощью так называемой «нуль-транспортировки» или перехода через «гиперпространство», или «подпространство», или «надпространство».

Что имеют в виду фантасты? Ведь хорошо известно, что максимальной скоростью, с которой могут перемещаться любые реальные тела, является скорость света в пустоте, и то практически она недостижима. О каких же «скачках» через миллионы и сотни миллионов световых лет может идти речь? Разумеется, идея эта — фантастическая. Однако в ее основе лежат довольно интересные физико-математические соображения.

Начнем с того, что представим себе одномерное существо-точку, живущее в одномерном пространстве, т. е. на прямой линии. В этом «тесном» мире имеются только одно измерение — длина и только два возможных направления — вперед и назад.

У двумерных воображаемых существ, «плоскатиков», возможностей значительно больше. Они уже могут перемещаться в двух измерениях, в их мире помимо длины есть еще и ширина. Но они точно так же не способны выйти в третье измерение, как и существа-точки не могут «выпрыгнуть» за пределы своей прямой линии. Одномерные и двумерные обитатели в принципе могут прийти к теоретическому заключению о возможности существования большего числа измерений, но путь в следующее измерение для них закрыт.

По обе стороны от плоскости расположено трехмерное пространство, в котором обитаем мы, трехмерные существа, неведомые для двумерного жителя, заключенного в свой двумерный мир: ведь даже видеть он может только в пределах своего пространства. Ввиду этого о существовании трехмерного мира и его обитателей двумерный житель мог бы узнать только в том случае, если бы какой-нибудь человек, к примеру, проткнул плоскость пальцем. Но и тогда двумерное существо могло бы наблюдать только двумерную область соприкосновения между пальцем и плоскостью. Вряд ли этого было бы достаточно, чтобы сделать какие-то заключения о «потустороннем», с точки зрения двумерного жителя, трехмерном пространстве и его «таинственных» обитателях.

Но точно такое же рассуждение можно провести и для нашего трехмерного пространства, если бы оно было заключено в каком-то еще более обширном, четырехмерном пространстве, подобно тому как двумерная поверхность заключена в нем самом.

Однако выясним сперва, что вообще представляет собой четырехмерное пространство. В трехмерном пространстве существуют три взаимно перпендикулярных «основных» измерения — «длина», «ширина» и «высота» (три взаимно перпендикулярных направления осей координат). Если бы к этим трем направлениям можно было добавить четвертое, также перпендикулярное к каждому из них, то пространство имело бы четыре измерения, было бы четырехмерным.

С точки зрения математической логики рассуждение о четырехмерном пространстве абсолютно безукоризненно. Но само по себе оно ничего не доказывает, поскольку логическая непротиворечивость еще не является доказательством существования в физическом смысле. Такое доказательство способен дать только опыт. А опыт свидетельствует о том, что в нашем пространстве через одну точку можно провести лишь три взаимно перпендикулярные прямые линии.

Обратимся еще раз к помощи «плоскатиков». Для этих существ третье измерение (в которое они не могут выйти) — все равно что для нас четвертое. Однако есть и существенная разница между воображаемыми плоскими существами «плоскатиками» и нами, обитателями трехмерного пространства. В то время как плоскость является двумерной частью реально существующего трехмерного мира, все имеющиеся в нашем распоряжении научные данные убедительно свидетельствуют о том, что мир, в котором мы живем, геометрически трехмерен и не является частью какого-то четырехмерного мира. Если бы такой четырехмерный мир действительно существовал, то в нашем трехмерном мире могли бы про- , исходить некоторые «странные» явления.

Вернемся снова к двумерному плоскому миру. Хотя его обитатели и не могут выходить за пределы плоскости, все же, благодаря наличию внешнего трехмерного мира, некоторые явления, в принципе, могут здесь протекать с выходом в третье измерение. Это обстоятельство в ряде случаев делает возможным такие процессы, которые в самом по себе двумерном мире не могли бы происходить.

Представим себе, например, нарисованный в плоскости обыкновенный циферблат от часов. Какими бы способами мы ни вращали и перемещали этот циферблат, оставаясь в плоскости, нам никогда не удастся изменить направление расположения цифр так, чтобы они следовали друг за другом против часовой стрелки. Этого можно добиться, лишь «изъяв» циферблат из плоскости в трехмерное пространство, перевернув его, а затем снова возвратив в нашу плоскость.

В трехмерном пространстве подобной операции соответствовала бы, например, такая. Можно ли перчатку, предназначенную для правой руки, путем одних только перемещений в пространстве (т. е. не выворачивая наизнанку) превратить в перчатку для левой руки? Каждый легко может убедиться в том, что подобная операция неосуществима. Однако при наличии четырехмерного пространства этого можно было бы достичь так же просто, как и в случае с циферблатом.

Мы не знаем выхода в четырехмерное пространство. Но дело не только в этом. Его, видимо, не знает и природа. Во всяком случае, никаких явлений, которые можно было бы объяснить существованием четырехмерного мира, охватывающего наш трехмерный, мы не знаем.

Если бы четырехмерное пространство и выход в него действительно существовали, открывались бы удивительные возможности.

Представим себе «плоскатика», которому необходимо преодолеть расстояние между двумя точками плоского мира, отстоящими друг от друга, скажем, на 50 км. Если «плоскатик» перемещается со скоростью один метр в сутки, то подобное путешествие займет более ста лет. Но представьте себе, что двумерная поверхность свернута в трехмерном пространстве таким образом, что точки начала и конца маршрута оказались друг от друга на расстоянии всего лишь одного метра. Теперь их отделяет друг от друга совсем небольшое расстояние, которое «плоскатик» мог бы преодолеть всего за одни сутки. Но этот метр лежит в третьем измерении! Это и была бы «нуль-транспортировка», или «гиперпереход».

Аналогичная ситуация могла бы возникнуть и в искривленном трехмерном мире...

Как показала общая теория относительности, наш мир действительно обладает кривизной. Об этом мы уже знаем. И если бы еще существовало четырехмерное пространство, в которое погружен наш трехмерный мир, то для преодоления некоторых гигантских космических расстояний достаточно было бы «перескочить» через разделяющую их четырехмерную щель. Вот что имеют в виду писатели-фантасты.

Таковы соблазнительные преимущества четырехмерного мира. Но есть у него и «недостатки». Оказывается, с ростом числа измерений уменьшается устойчивость движения. Многочисленные исследования показывают, что в двумерном пространстве вообще никакое возмущение не может нарушить равновесия и удалить тело, движущееся по замкнутой траектории вокруг другого тела, в бесконечность. В пространстве трех измерений ограничения уже значительно слабее, но все же и здесь траектория движущегося тела не уходит в бесконечность, если только возмущающая сила не слишком велика.

Но уже в четырехмерном пространстве все круговые траектории становятся неустойчивыми. В таком пространстве планеты не могли бы обращаться вокруг Солнца — они либо упали бы на него, либо улетели в бесконечность.

Используя уравнения квантовой механики, можно также показать, что в пространстве, обладающем более чем тремя измерениями, не мог бы существовать как устойчивое образование и атом водорода. Происходило бы неизбежное падение электрона на ядро.

Добавление четвертого измерения изменило бы и некоторые чисто геометрические свойства пространства. Одним из важных разделов геометрии, который представляет не только теоретический, но и большой практический интерес, является так называемая теория преобразований. Речь идет о том, как изменяются различные геометрические фигуры при переходе от одной системы координат к другой. Один из типов таких геометрических преобразований носит наименование конформных. Так называются преобразования, сохраняющие углы.

Точнее, дело обстоит следующим образом. Представьте себе какую-нибудь простую геометрическую фигуру, скажем, квадрат или многоугольник. Наложим на него произвольную сетку линий, своеобразный «скелет». Тогда конформными мы назовем такие преобразования системы координат, при которых наш квадрат или многоугольник перейдет в любую другую фигуру, но так, что углы между линиями «скелета» при этом сохранятся. Наглядным примером конформного преобразования может служить перенесение поверхности глобуса на плоскость — именно так строятся географические карты.

Еще в прошлом столетии математик Б. Риман показал, что любая плоская сплошная (т. е. без «дыр», или, как говорят математики, односвязная) фигура может быть конформно преобразована в круг.

Вскоре современник Римана Ж. Лиувилль доказал еще одну важную теорему о том, что не всякое трехмерное тело можно конформно преобразовать в шар.

Таким образом, в трехмерном пространстве возможности конформных преобразований далеко не так широки, как в плоскости. Добавление всего лишь одной оси координат накладывает на геометрические свойства пространства весьма жесткие дополнительные ограничения.

Не потому ли реальное пространство именно трехмерно, а не двумерно или, скажем, пятимерно? Может быть, как раз все дело в том, что двумерное пространство слишком свободно, а геометрия пятимерного мира, наоборот, чересчур жестко «закреплена»? А в самом деле, почему? Почему пространство, в котором мы живем, трехмерно, а не четырехмерно или пятимерно?

Многие ученые пытались ответить на этот вопрос, исходя из общих философских соображений. Мир должен обладать совершенством, утверждал Аристотель, и только три измерения способны это совершенство обеспечить.

Однако конкретные физические проблемы не могут быть решены подобными методами.

Следующий шаг был сделан Галилеем, отметившим тот опытный факт, что в нашем мире могут существовать самое большее три взаимно перпендикулярных направления. Однако выяснением причин подобного положения вещей Галилей не занимался.

Сделать это пытался Лейбниц с помощью чисто геометрических доказательств. Но и такой путь малоэффективен, поскольку эти доказательства строились умозрительно, без связи с окружающим миром.

Между тем то или иное число измерений — это физическое свойство реального пространства, и оно должно иметь вполне определенные физические причины, быть следствием каких-то глубоких физических закономерностей.

Вряд ли эти причины можно вывести из тех или иных положений современной физики. Ведь свойство трехмерности пространства лежит в самом фундаменте, в самой основе всех существующих физических теорий. Видимо, решение этой задачи станет возможным лишь в рамках более общей физической теории будущего.

И, наконец, последний вопрос. В теории относительности идет речь о четырехмерном пространстве Вселенной. Но это не совсем то четырехмерное пространство, о котором говорилось выше.

Начнем с того, что четырехмерное пространство теории относительности — это не обычное пространство. Четвертым измерением здесь является время. Как мы уже говорили, теория относительности установила тесную связь между пространством и материей. Но не только. Оказалось, что непосредственно связаны между собой также материя и время, а следовательно, пространство и время. Имея в виду эту зависимость, известный математик Г. Минковский, работы которого легли в основу теории относительности, говорил: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны стать тенями и только особого рода их сочетание сохранит самостоятельность». Минковский предложил использовать для математического выражения зависимости пространства и времени условную геометрическую модель, четырехмерное «пространство — время». В этом условном пространстве по трем основным осям откладываются, как обычно, интервалы длины, по четвертой же оси — интервалы времени.

Таким образом, четырехмерное «пространство — время» теории относительности является всего-навсего математическим приемом, позволяющим в удобной форме описывать различные физические процессы. Поэтому говорить, что мы живем в четырехмерном пространстве, можно лишь в том смысле, что все происходящие в мире события совершаются не только в пространстве, но и во времени.

Разумеется, в любых математических построениях, даже самых абстрактных, находят свое выражение какие-то стороны объективной действительности, какие-то отношения между реально существующими предметами и явлениями. Но было бы грубой ошибкой ставить знак равенства между вспомогательными математическими аппаратами, а также применяемой в математике условной терминологией и объективной реальностью.

В свете этих соображений становится ясно, что утверждать, ссылаясь при этом на теорию относительности, будто бы наш мир четырехмерен,— приблизительно то же самое, что отстаивать идею, будто темные пятна на Луне заполнены водой, на том основании, что астрономы называют их морями.

Так что «нуль-транспортировка», по крайней мере на современном уровне развития науки, к сожалению, осуществима лишь на страницах фантастических романов.

Наличие защитного заземления – одно из основных требований электробезопасности. Надежность заземляющих элементов контролируют специалисты электролаборатории, проводя измерение металлосвязи. Согласно действующим нормам и правилам, такая проверка обязательна, если на объекте производился ремонт электрического оборудования, переоснащение или монтажные работы. Что скрывается под термином «металосвязь» и зачем проводятся ее измерения, мы подробно расскажем в этой публикации.

Что такое «металлосвязь»?

Под данным термином принято понимать связь (электрическую цепь), образованную электроустановкой и заземлителем. Основное требование к металлосвязи – непрерывность цепи заземления. Нарушение этого условия грозит образованием высокой разности потенциалов в цепях электроустановки, что представляет угрозу для жизни и может повлечь за собой выход из строя оборудования.

Надежный контакт заземлителя и объекта заземления обеспечивает низкую величину переходного сопротивления

Со временем может наблюдаться рост переходных сопротивлений в цепи заземления, что приводит к образованию дефектов металлосвязи, давайте разберемся с природой этого явления.

Чем вызван рост переходного сопротивления?

Под переходными контактами подразумеваются соприкасающиеся металлические элементы. Добиться их идеальной полировки невозможно, все равно на поверхности будут присутствовать бугорки и вмятины микроскопического размера. Площадь контактируемых поверхностей изменяется от воздействия различных внешних факторов (температура, сила прижатия, загрязнение поверхности и т.д.), что ведет к увеличению переходного сопротивления. На представленных ниже фотографиях медного контакта, сделанных при помощи электронного микроскопа, видно образование на поверхности пленки из оксида меди.

Такая оксидная пленка обладает диэлектрическими свойствами, они хоть и не велики, но этого может оказаться достаточно, чтобы нарушить металлосвязь. В результате соединение будет нагреваться и рано или поздно приведет к отгоранию контакта, что незамедлительно отразится на качестве металлосвязи. Не менее распространенная причина – человеческий фактор, именно поэтому после монтажных работ требуется проводить измерение металлосвязи.

Зачем проверять металлосвязь?

Принимая во внимание вышеизложенную информацию, можно указать следующие причины для проверки металлосвязи:

Контроль непрерывности цепи заземления. Он включает в себя как электроизмерения, так и осмотр защитных проводников и других элементов заземления, на предмет их целостности.
Измерение сопротивления переходных контактов (производится между электроустановкой и заземлителем), а также общих параметров цепи.
Проверяется разность потенциалов между корпусом заземленной электроустановки и заземлителем. Проверка осуществляется в рабочем режиме и выключенном состоянии.

Как видим, основная цель проверки – осуществление измерений параметров заземляющих цепей, поскольку именно они характеризуют качество металлосвязи, а соответственно, и электробезопасность установки.

Методика измерения металлосвязи

В соответствии с требованиями ПУЭ металлические элементы электроустановок подлежат заземлению. Замеры металлосвязи производятся между главной и элементом, подлежащим проверке. По нормам сопротивление контактов в одном переходе должно быть 0,01 Ом ± 20%.

Если измерительный прибор подтверждает наличие качественного соединения, выполняется проверка следующего узла. Когда между заземлителем и заземленной электроустановкой несколько переходов, то их суммарное сопротивление не должно выходить за пределы 0,05 Ом.

Если сопротивление превышает допустимые нормы, следует проверить состояние контактов, зачистить их, соединить и произвести повторные измерения.

Большинством электролабораторий замеры металлосвязи проводятся по следующему алгоритму:

Осуществляется визуальный осмотр контактов заземляющих проводников. Эффективны при поисках «плохого» контакта специальные приборы – тепловизоры, они быстро позволяют обнаружить проблемное соединение.
Сварочные соединения проверяются на прочность путем применения механической нагрузки.
Все заземленные элементы конструкции тестируются на наличие металлосвязи.
Проверка наличия электрического тока на заземленных элементах.
Полученные результаты фиксируются в специальном протоколе.

Приведенная методика измерений доказала свою эффективность.

Нормы и правила

Согласно нормам ПУЭ заземляющие проводники, а также используемые для выравнивания потенциалов, необходимо надежно соединять, чтобы обеспечить наличие непрерывности цепи заземления. При этом для стальных проводников предписывается сварочное соединение, другие способы контакта допускаются только в том случае, если имеется защита от разрушающего воздействия воздушной среды. При использовании болтовых соединений, должны быть приняты соответствующие меры, не позволяющие ослабевать контактному соединению.

Все соединения цепи заземлителя и заземленного устройства должны быть расположены таким образом, чтобы к ним имелся свободный доступ, поскольку должен производиться осмотр, с целью проверки непрерывности электрического соединения. Исключение их этого правила – герметизированные контакты.

В Правилах также указано, что для контакта с заземляющими устройствами могут выполняться болтовыми или сварочными соединениями. Если устройства электроустановок подвержены сильной вибрации или их часто перемещают на другое место, то применяются гибкий защитный провод.

Более детальную информацию о нормах и правилах, можно получить в ПУЭ (р. 1.7.).

Периодичность

Согласно норм ПТЭЭП и ПУЭ, испытания металлосвязи проводится по графику, определенному техническим отделом объекта. Как правило, в этом случае руководствуются табл. 37 п. 3.1 ПТЭЭП, где установлена следующая периодичность измерения металлосвязи:

В помещениях и объектах, относящихся к повышенной категории опасности, замеры переходных сопротивлений в заземляющих цепях должны проводиться ежегодно, при других обстоятельствах – не реже одного раза на протяжении трех лет.
Для лифтового и подъемного оборудования – 1 год.
Стационарным электроплитам – 1 год.

Как правило, проверка металлосвязи производится совместно с другими видами электроизмерений (сопротивления изоляции, проверка целостности электропроводки и т.д.).

Помимо этого, обязательные измерения металлосвязи проводятся в следующих случаях:

Если производился ремонт или переоснащение электрооборудования.
При испытаниях новых электроустановок.
После проведения монтажных работ.

Приборы для измерения

Учитывая, что измерения металлосвязи проводятся на уровне сотых Ома, то обычные измерительные приборы, например, мультиметры, для этой цели не подходят. Когда проводят замеры сопротивления заземления, используют более точные приборы, достаточно чувствительные, чтобы измерять сопротивления малого уровня.

Большинство таких устройств оснащены дополнительными функциями, например, представленный на рисунке прибор Metrel MI3123 может также измерять электропроводимость грунта и тока утечки.

Фиксация результатов в протоколе измерения

Все результаты измерений заносятся в специальный протокол испытаний. Данные фиксируются в таблице, с указанием наименования каждого осмотренного соединения. В отчете также приводится информация о количестве осмотренных узлов, их местоположении и отображается максимальное значение общего сопротивления контактов защитной цепи.

Если в процессе испытаний обнаружено отсутствие металлосвязи, информация об этом обязательно фиксируется в документе и одновременно в приложении к протоколу (дефектной ведомости).

Кратко о профилактике.

Регулярно проводить замеры металлозаземления, не значит отказаться от профилактики. Чтобы обеспечить непрерывность защитных цепей необходимо регулярно проверять, в каком состоянии находятся контактные соединения, и при необходимости подтягивать их. Не менее важно очищать контакты пыли, окисной пленки и грязи.

При обнаружении наличия электрического напряжения на одном из элементов конструкции, необходимо позаботится о ее качественном заземлении. В противном случае возрастает риск возникновения нештатной ситуации.

Не стоит экономить на проверке качества устройства защитного заземления, поскольку потери могут стать более затратными, чем оплата вызова электролаборатории.

Мы живем в трехмерном мире: длина, ширина и глубина. Некоторые могут возразить: «А как же четвертое измерение - время?» Действительно, время - это тоже измерение. Но вот вопрос, почему пространство измеряется в трех измерениях - загадка для ученых. Новое исследование объясняет, почему мы живем в мире 3D.

Вопрос о том, почему пространство трехмерно, мучил ученых и философов с античных времен. Действительно, почему именно три измерения, а не десять или, скажем, 45?

В целом, пространство-время четырехмерно (или 3+1-мерно): три измерения образуют пространство, четвертым измерением является время. Существуют также философские и научные теории о многомерности времени, которые предполагают, что измерений времени на самом деле больше, чем кажется: привычная нам стрела времени, направленная из прошлого в будущее через настоящее — всего лишь одна из возможных осей. Это делает возможными различные научно-фантастические проекты, вроде путешествий во времени, а также создает новую, многовариантную космологию, которая допускает существование параллельных вселенных. Однако существование дополнительных временных измерений пока не доказано научно.

Вернемся в наше, 3+1-мерное измерение. Нам хорошо известно, что измерение времени связано со вторым законом термодинамики, который гласит, что в замкнутой системе — такой, как наша Вселенная — энтропия (мера хаоса) всегда возрастает. Уменьшаться вселенский беспорядок не может. Поэтому время всегда направлено вперед — и никак иначе.

В новой статье, опубликованной в EPL, исследователи предположили, что второй закон термодинамики может также объяснить, почему пространство трехмерно.

«Ряд исследователей в области науки и философии обращались к проблеме (3 + 1)-мерной природы пространства-времени, обосновывая выбор именно этого числа его стабильностью и возможностью поддержания жизни», — рассказал соавтор исследования Джулиан Гонсалес-Айала из Национального политехнического института в Мексике и университета Саламанки в Испании порталу Phys.org. «Ценность нашей работы заключается в том, что мы представляем рассуждения, основанные на физической модели размерности Вселенной с подходящим и разумным сценарием пространства-времени. Мы первые, кто заявил, что число «три» в размерности пространства возникает в качестве оптимизации физической величины».

Ранее ученые обращали внимание на размерность Вселенной в связи с так называемым атропным принципом: "Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек". Трехмерность пространства объяснялась возможностью поддержания Вселенной в том виде, в каком мы её наблюдаем. Если бы во Вселенной было множество измерений, по ньютоновскому закону тяготения не были бы возможны устойчивые орбиты планет и даже атомная структура вещества: электроны падали бы на ядра.

В данном исследовании ученые пошли другим путем. Они предположили, что пространство трехмерно из-за термодинамической величины — плотности свободной энергии Гельмгольца. Во Вселенной, заполненной излучением, эту плотность можно рассматривать как давление в пространстве. Давление зависит от температуры Вселенной и от количества пространственных измерений.

Исследователи показали, что могло происходить в первые доли секунды после Большого взрыва, называемые Планковской эпохой. В момент, когда Вселенная начала охлаждаться, плотность Гельмгольца достигла своего первого максимума. Тогда возраст Вселенной составлял долю секунды, а пространственных измерений было ровно три. Ключевая мысль исследования заключается в том, что трехмерное пространство было «заморожено», как только плотность Гельмгольца достигла своего максимального значения, которое запрещает переход в другие измерения.

На рисунке ниже изображено, как это происходило. Слева — плотность свободной энергии Гельмгольца (е) достигает своего максимального значения при температуре Т = 0,93, которое возникает, когда пространство было трехмерным (n=3). S и U представляют плотности энтропии и плотность внутренней энергии, соответственно. Справа показано, что перехода к многомерности не происходит при температуре ниже 0,93, что соответствует трем измерениям.

Это произошло вследствие второго закона термодинамики, который допускает переходы в более высокие измерения только тогда, когда температура выше критического значения — ни градусом меньше. Вселенная непрерывно расширяется, и элементарные частицы, фотоны, теряют энергию — поэтому наш мир постепенно охлаждается: Сейчас температура Вселенной гораздо ниже уровня , предполагающего переход из 3D-мира в многомерное пространство.

Исследователи поясняют, что пространственные измерения похожи на состояния вещества, а переход из одного измерения в другое напоминает фазовый переход — такой, как плавление льда, которое возможно лишь при очень высоких температурах.

«В процессе охлаждения ранней Вселенной и после достижения первой критической температуры, принцип приращения энтропии для замкнутых систем мог запретить определенные изменения размерности», — комментируют исследователи.

Это предположение по-прежнему оставляет место для более высоких измерений, которые существовали в Планковскую эпоху, когда Вселенная была еще более горячей, чем это было при критической температуре.

Дополнительные измерения присутствуют во многих космологических моделях — в первую очередь, в теории струн. Это исследование может помочь объяснить, почему в некоторых из этих моделей дополнительные измерения исчезли или остались такими же крошечными, как были в первые доли секунды после Большого взрыва, в то время как 3D-пространство продолжает расти во всей наблюдаемой Вселенной.

В будущем исследователи планируют улучшить свою модель, чтобы включить дополнительные квантовые эффекты, которые могли возникнуть в первую долю секунды после Большого взрыва. Кроме того, результаты дополненной модели могут также служить ориентиром для исследователей, работающих на других космологических моделях, таких как квантовая гравитация.

Экология познания: Самая большая проблема у теоретических физиков - как объединить все фундаментальные взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное) в единую теорию. Теория суперструн как раз претендует на роль Теории Всего

Считаем от трёх до десяти

Самая большая проблема у теоретических физиков - как объединить все фундаментальные взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное) в единую теорию. Теория суперструн как раз претендует на роль Теории Всего.

Но оказалось, что самое удобное количество измерений, необходимое для работы этой теории - целых десять (девять из которых - пространственные, и одно - временное)! Если измерений больше или меньше, математические уравнения дают иррациональные результаты, уходящие в бесконечность - сингулярность.

Следующий этап развития теории суперструн - М-теория - насчитала уже одиннадцать размерностей. А ещё один её вариант - F-теория - все двенадцать. И это вовсе не усложнение. F-теория описывает 12-мерное пространство более простыми уравнениями, чем М-теория - 11-мерное.

Конечно, теоретическая физика не зря называется теоретической. Все её достижения существуют пока что только на бумаге. Так, чтобы объяснить почему же мы можем перемещаться только в трёхмерном пространстве, учёные заговорили о том, как несчастным остальным измерениям пришлось скукожиться в компактные сферы на квантовом уровне. Если быть точными, то не в сферы, а в пространства Калаби-Яу. Это такие трёхмерные фигурки, внутри которых свой собственный мир с собственной размерностью. Двухмерная проекция подобный многообразий выглядит приблизительно так:

Таких фигурок известно более 470 миллионов. Которая из них соответствует нашей действительности, в данный момент вычисляется. Нелегко это - быть теоретическим физиком.

Да, это кажется немного притянутым за уши. Но может, именно этим и объясняется, почему квантовый мир так отличается от воспринимаемого нами.

Точка, точка, запятая

Начнём с начала. Нулевое измерение - это точка. У неё нет размеров. Двигаться некуда, никаких координат для обозначения местонахождения в таком измерении не нужно.

Поставим рядом с первой точкой вторую и проведём через них линию. Вот вам и первое измерение. У одномерного объекта есть размер - длина, но нет ни ширины, ни глубины. Движение в рамках одномерного пространства очень ограничено, ведь возникшее на пути препятствие не обойдёшь. Чтобы определить местонахождение на этом отрезке, понадобится всего одна координата.

Поставим рядом с отрезком точку. Чтобы уместить оба эти объекта, нам потребуется уже двумерное пространство, обладающее длиной и шириной, то есть, площадью, однако без глубины, то есть, объёма. Расположение любой точки на этом поле определяется двумя координатами.

Третье измерение возникает, когда мы добавляем к этой система третью ось координат. Нам, жителям трёхмерной вселенной, очень легко это представить.

Попробуем вообразить, как видят мир жители двухмерного пространства. Например, вот эти два человечка:

Каждый из них увидит своего товарища вот таким:

А при вот таком раскладе:

Наши герои увидят друг друга такими:

Именно смена точки обзора позволяет нашим героям судить друг о друге как о двумерных объектах, а не одномерных отрезках.

А теперь представим, что некий объёмный объект движется в третьем измерении, которое пересекает этот двумерный мир. Для стороннего наблюдателя, это движение выразится в смене двумерных проекций объекта на плоскости, как у брокколи в аппарате МРТ:

Но для обитателя нашей Флатландии такая картинка непостижима! Он не в состоянии даже представить её себе. Для него каждая из двумерных проекций будет видеться одномерным отрезком с загадочно переменчивой длиной, возникающим в непредсказуемом месте и также непредсказуемо исчезающим. Попытки просчитать длину и место возникновения таких объектов с помощью законов физики двумерного пространства, обречены на провал.

Мы, обитатели трёхмерного мира, видим всё двумерным. Только перемещение предмета в пространстве позволяет нам почувствовать его объём. Любой многомерный объект мы увидим также двумерным, но он будет удивительным образом меняться в зависимости от нашего с ним взаиморасположения или времени.

С этой точки зрения интересно думать, например, про гравитацию. Все, наверное, видели, подобные картинки:

На них принято изображать, как гравитация искривляет пространство-время. Искривляет... куда? Точно ни в одно из знакомых нам измерений. А квантовое туннелирование, то есть, способность частицы исчезать в одном месте и появляться совсем в другом, причём за препятствием, сквозь которое в наших реалиях она не смогла бы проникнуть, не проделав в нём дыру? А чёрные дыры? А что, если все эти и другие загадки современной науки объясняются тем, что геометрия пространства совсем не такая, какой мы привыкли её воспринимать?

Тикают часики

Время добавляет к нашей Вселенной ещё одну координату. Для того, чтобы вечеринка состоялась, нужно знать не только в каком баре она произойдёт, но и точное время этого события.

Исходя из нашего восприятия, время - это не столько прямая, как луч. То есть, у него есть отправная точка, а движение осуществляется только в одном направлении - из прошлого в будущее. Причём реально только настоящее. Ни прошлое, ни будущее не существуют, как не существуют завтраки и ужины с точки зрения офисного клерка в обеденный перерыв.

Но теория относительности с этим не согласна. С её точки зрения, время - это полноценное измерение. Все события, которые существовали, существуют и будут существовать, одинаково реальны, как реален морской пляж, независимо от того, где именно мечты о шуме прибоя захватили нас врасплох. Наше восприятие - это всего лишь что-то вроде прожектора, который освещает на прямой времени какой-то отрезок. Человечество в его четвёртом измерении выглядит приблизительно так:

Но мы видим только проекцию, срез этого измерения в каждый отдельный момент времени. Да-да, как брокколи в аппарате МРТ.

До сих пор все теории работали с большим количеством пространственных измерений, а временное всегда было единственным. Но почему пространство допускает появление множественных размерностей для пространства, но время только одно? Пока учёные не смогут ответить на этот вопрос, гипотеза о двух или более временных пространствах будет казаться очень привлекательной всем философам и фантастам. Да и физикам, чего уж там. Скажем, американский астрофизик Ицхак Барс корнем всех бед с Теорией Всего видит как раз упущенное из виду второе временное измерение. В качестве умственного упражнения, попробуем представить себе мир с двумя временами.

Каждое измерение существует отдельно. Это выражается в том, что если мы меняем координаты объекта в одной размерности, координаты в других могут оставаться неизменными. Так, если вы движетесь по одной временной оси, которая пересекает другую под прямым углом, то в точке пересечения время вокруг остановится. На практике это будет выглядеть приблизительно так:

Всё, что Нео нужно было сделать - это разместить свою одномерную временную ось перпендикулярно временной оси пуль. Сущий пустяк, согласитесь. На самом деле всё намного сложнее.

Точное время во вселенной с двумя временными измерениями будет определяться двумя значениями. Слабо представить себе двумерное событие? То есть, такое, которое протяжённо одновременно по двум временным осям? Вполне вероятно, что в таком мире потребуются специалисты по составлению карты времени, как картографы составляют карты двухмерной поверхности земного шара.

Что ещё отличает двумерное пространство от одномерного? Возможность обходить препятствие, например. Это уже совсем за границами нашего разума. Житель одномерного мира не может представить себе как это - завернуть за угол. Да и что это такое - угол во времени? Кроме того, в двумерном пространстве можно путешествовать вперёд, назад, да хоть по диагонали. Я без понятия как это - пройти через время по диагонали. Я уж не говорю о том, что время лежит в основе многих физических законов, и как изменится физика Вселенной с появлением ещё одного временного измерения, невозможно представить. Но размышлять об этом так увлекательно!

Очень большая энциклопедия

Другие измерения ещё не открыты, и существуют только в математических моделях. Но можно попробовать представить их так.

Как мы выяснили раньше, мы видим трёхмерную проекцию четвёртого (временного) измерения Вселенной. Другими словами, каждый момент существования нашего мира - это точка (аналогично нулевому измерению) на отрезке времени от Большого взрыва до Конца Света.

Те из вас, кто читал про перемещения во времени, знают какую важную роль в них играет искривление пространственно-временного континуума. Вот это и есть пятое измерение - именно в нём «сгибается» четырёхмерное пространство-время, чтобы сблизить две какие-то точки на этой прямой. Без этого путешествие между этими точками было бы слишком длительным, или вообще невозможным. Грубо говоря, пятое измерение аналогично второму - оно перемещает «одномерную» линию пространства-времени в «двумерную» плоскость со всеми вытекающими в виде возможности завернуть за угол.

Наши особо философско-настроенные читатели чуть ранее, наверное, задумались о возможности свободной воли в условиях, где будущее уже существует, но пока ещё не известно. Наука на этот вопрос отвечает так: вероятности. Будущее - это не палка, а целый веник из возможных вариантов развития событий. Какой из них осуществится - узнаем когда доберёмся.

Каждая из вероятностей существует в виде «одномерного» отрезка на «плоскости» пятого измерения. Как быстрее всего перескочить из одного отрезка на другой? Правильно - согнуть эту плоскость, как лист бумаги. Куда согнуть? И снова правильно - в шестом измерении, которое придаёт всей этой сложной структуре «объём». И, таким образом, делает её, подобно трёхмерному пространству, «законченной», новой точкой.

Седьмое измерение - это новая прямая, которая состоит из шестимерных «точек». Что представляет собой какая-либо другая точка на этой прямой? Весь бесконечный набор вариантов развития событий в другой вселенной, образованной не в результате Большого Взрыва, а в других условиях, и действующей по другим законам. То есть, седьмое измерение - это бусы из параллельных миров. Восьмое измерение собирает эти «прямые» в одну «плоскость». А девятое можно сравнить с книгой, которая уместила в себя все «листы» восьмого измерения. Это совокупность всех историй всех вселенных со всеми законами физики и всеми начальными условиями. Снова точка.

Тут мы упираемся в предел. Чтобы представить себе десятое измерение, нам нужна прямая. А какая может быть другая точка на этой прямой, если девятое измерение уже покрывает всё, что только можно себе представить, и даже то, что и представить невозможно? Получается, девятое измерение - это не очередная отправная точка, а финальная - для нашей фантазии, во всяком случае.

Теория струн утверждает, что именно в десятом измерении совершают свои колебания струны - базовые частицы, из которых состоит всё. Если десятое измерение содержит себе все вселенные и все возможности, то струны существуют везде и всё время. В смысле, каждая струна существует и в нашей вселенной, и любой другой. В любой момент времени. Сразу. Круто, да? опубликовано