Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
Шрифт:
Кампания по дезинформации начинается с детской кроватки, впервые знакомящей вас с тремя пространственными измерениями. Это два измерения, по которым вы ползаете, и третье, по которому вы карабкаетесь вверх. С этого момента законы физики, не говоря уже о здравом смысле, поддерживают веру в существование трех измерений, подавляя любое подозрение, что их может быть больше.
Однако пространство-время может полностью отличаться от всего, что вы только способны вообразить. Мы не знаем ни одной физической теории, предписывающей наличие только трех пространственных измерений. Отвергнуть возможность дополнительных измерений прежде, чем хотя бы рассмотреть следствия их существования, было бы крайне опрометчиво.
Так
У таких гипотетических невидимых измерений до сих пор нет имени. Но если бы они существовали, они были бы новыми направлениями, вдоль которых что-то могло бы перемещаться. Поэтому, когда мне требуется имя для дополнительного измерения, я иногда называю его проходом или пассажем. (И когда я обсуждаю именно дополнительные измерения, я использую в названиях глав слово «пассажи».)
Эти пассажи могут быть плоскими, как те измерения, к которым мы привыкли. Но они могут быть и искривленными, как отражения в зеркалах комнаты смеха. Они могут быть крохотными, много меньшими, чем размер атома; по крайней мере, именно это предполагали все, кто верил в существование дополнительных измерений. Однако новые исследования показали, что дополнительные измерения могут быть и большими, и даже бесконечно большими по величине, и при этом не поддаваться детектированию. Наши органы чувств говорят нам только о трех больших измерениях, так что бесконечное дополнительное измерение звучит неправдоподобно. Но бесконечное невидимое измерение — лишь одна из многих удивительных возможностей, которые могут реализоваться в космосе. В этой книге мы расскажем, почему это так.
Исследование дополнительных измерений привело также к другим поразительным представлениям, способным удовлетворить фантазии страстного любителя научной фантастики, таким как параллельные вселенные, закрученная геометрия и трехмерные воронки. Боюсь, что подобные идеи больше относятся к сфере деятельности писателей и лунатиков, чем к области реальных научных исследований. Но какими бы диковинными они не казались сейчас, эти идеи являются реальными научными сценариями, которые могут осуществляться в мире дополнительных измерений. (Если вы пока что незнакомы с такими словами или идеями, не тревожьтесь, мы введем и обсудим их позднее.)
Даже если физика с дополнительными пространственными измерениями действительно допускает столь невероятные сценарии, вас может все же удивить, почему физики, занятые предсказаниями наблюдаемых явлений, должны беспокоиться и принимать эти сценарии всерьез. Ответ столь же необычен, как и сама идея дополнительных измерений. Согласно недавним исследованиям, дополнительные измерения, до конца еще не изученные и до конца не понятые, могут тем не менее раскрыть ряд первозданных тайн нашей Вселенной. Дополнительные измерения могут быть причастны к видимому нами миру, а идеи относительно этих измерений могут окончательно раскрыть связи, которые ускользают он нас в трехмерном пространстве.
Нам не удастся понять, почему эскимосы внешне похожи на китайцев, если мы не учтем временное измерение, которое позволит установить их общее происхождение. Аналогично, те связи, которые становятся возможными благодаря дополнительным измерениям пространства, могут раскрыть поразительные стороны физики частиц и пролить свет на загадки давностью в несколько десятилетий. Связи между свойствами частиц и взаимодействиями, кажущиеся необъяснимыми, когда пространство заковано в трех измерениях, элегантно совмещаются в мире с большим числом пространственных измерений.
Верю ли я в дополнительные измерения? Признаюсь, да. Было время, когда я проявляла изрядную долю скептицизма, рассматривая физические идеи (включая мои собственные), которые выходили за рамки того, что может быть измерено. Меня привлекали эти идеи, но я честно признавала свое недоверие. Хотя иногда мне казалось, что в этом должен быть какой-то зародыш истины. Однажды, лет пять тому назад, по пути на работу, когда я переезжала реку Чарльз по дороге в Кембридж, я вдруг поняла для себя, что я действительно верю в необходимость существования каких-то форм дополнительных измерений. Я огляделась вокруг и стала всматриваться в многие измерения, которые не могла различить. Это был шок удивления от внезапного изменения моего взгляда на мир, похожий на тот, который я испытала, когда поняла, что я, коренная жительница Нью-Йорка, стала болеть за «Ред Соке» (Red Sox) во время игры на вылет против «Янки» (Yankee) — подобного я никогда не могла себе даже представить [2] .
2
Речь идет о знаменитых бейсбольных командах из Бостона и Нью-Йорка. Кембридж — пригород Бостона, где находится Гарвардский университет. — Прим. пер.
Более близкое знакомство с дополнительными измерениями лишь увеличило мою убежденность в их существовании. Аргументы против них имели слишком много прорех, чтобы заслуживать доверия, а физические теории без них оставляли без ответа слишком много вопросов. Кроме того, исследуя в последние годы дополнительные измерения, мы расширили список возможных вселенных с дополнительными измерениями, которые могут имитировать нашу собственную Вселенную, что наводит на мысль, что мы увидели лишь верхушку айсберга. Даже если дополнительные измерения не точно соответствуют тем картинкам, которые я привожу, полагаю, что они вполне уместны в той или иной форме, а их приложения окажутся неожиданными и поразительными.
Вас может заинтриговать тот факт, что следы дополнительных измерений могут прятаться на вашей кухне, на дне сковородки с антипригарным покрытием из квазикристаллов. Квазикристаллы — восхитительные структуры, лежащий в основе которых порядок раскрывается только с помощью дополнительных измерений. Кристалл представляет собой очень симметричную решетку из атомов и молекул, в которой много раз повторяется один базовый элемент. Известно, какие структуры могут образовывать кристаллы в трех измерениях и какие картины возможны. Однако расположение атомов и молекул в квазикристаллах не соответствует ни одной из этих картин.
Пример квазикристаллической картины показан на рис. 2. В ней нет точной регулярности, встречающейся в настоящем кристалле, картина которого выглядела бы скорее как сетка, нанесенная на лист миллиметровки. Наиболее изящный способ объяснения картин расположения молекул, возникающих в этих странных материалах, использует проекцию — нечто вроде трехмерной тени — кристаллической картины в пространстве с большим числом измерений, которая отражает симметрию картины в многомерном пространстве. В сковородах с антипригарным покрытием, на рабочую поверхность которых нанесены квазикристаллы, используется тот эффект, что проекция многомерных кристаллов на поверхности сковороды имеет структурные отличия от земной структуры обычной трехмерной пищи. Различные расположения атомов, не дающие им связаться друг с другом, являются дразнящим намеком на то, что дополнительные измерения существуют и объясняют ряд наблюдаемых физических явлений.