Где используют трехмерное пространство. Как выглядело бы четвертое пространственное измерение? Размеры материи стремятся к нулю

Еще из школьного курса алгебры и геометрии мы знаем о понятии трехмерного пространства. Если разобраться, сам термин «трехмерное пространство» определяется как система координат с тремя измерениями (это знают все). По сути, описать любой объемный объект можно при помощи длины, ширины и высоты в классическом понимании. Однако давайте, как говорится, копнем несколько глубже.

Что такое трехмерное пространство

Как уже стало ясно, понимание трехмерного пространства и объектов, способных существовать внутри него, определяется тремя основными понятиями. Правда, в случае с точкой это именно три значения, а в случае с прямыми, кривыми, ломаными линиями или объемными объектами соответствующих координат может быть больше.

В данном случае все зависит именно от типа объекта и применяемой системы координат. Сегодня наиболее распространенной (классической) считается Декартова система, которую иногда еще называют прямоугольной. Она и некоторые другие разновидности будут рассмотрены несколько позже.

Кроме всего прочего, здесь нужно разграничивать абстрактные понятия (если можно так сказать, бесформенные) вроде точек, прямых или плоскостей и фигуры, обладающие конечными размерами или даже объемом. Для каждого из таких определений существуют и свои уравнения, описывающие их возможное положение в трехмерном пространстве. Но сейчас не об этом.

Понятие точки в трехмерном пространстве

Для начала определимся, что представляет собой точка в трехмерном пространстве. В общем-то, ее можно назвать некой основной единицей, определяющей любую плоскую или объемную фигуру, прямую, отрезок, вектор, плоскость и т. д.

Сама же точка характеризуется тремя основными координатами. Для них в прямоугольной системе применяются специальные направляющие, называемые осями X, Y и Z, причем первые две оси служат для выражения горизонтального положения объекта, а третья относится к вертикальному заданию координат. Естественно, для удобства выражения положения объекта относительно нулевых координат в системе приняты положительные и отрицательные значения. Однако же сегодня можно найти и другие системы.

Разновидности систем координат

Как уже говорилось, прямоугольная система координат, созданная Декартом, сегодня является основной. Тем не менее в некоторых методиках задания местоположения объекта в трехмерном пространстве применяются и некоторые другие разновидности.

Наиболее известными считаются цилиндрическая и сферическая системы. Отличие от классической состоит в том, что при задании тех же трех величин, определяющих местоположение точки в трехмерном пространстве, одно из значений является угловым. Иными словами, в таких системах используется окружность, соответствующая углу в 360 градусов. Отсюда и специфичное задание координат, включающее такие элементы, как радиус, угол и образующая. Координаты в трехмерном пространстве (системе) такого типа подчиняются несколько другим закономерностям. Их задание в данном случае контролируется правилом правой руки: если совместить большой и указательный палец с осями X и Y, соответственно, остальные пальцы в изогнутом положении укажут на направление оси Z.

Понятие прямой в трехмерном пространстве

Теперь несколько слов о том, что представляет собой прямая в трехмерном пространстве. Исходя из основного понятия прямой, это некая бесконечная линия, проведенная через точку или две, не считая множества точек, расположенных в последовательности, не изменяющей прямое прохождение линии через них.

Если посмотреть на прямую, проведенную через две точки в трехмерном пространстве, придется учитывать по три координаты обеих точек. То же самое относится к отрезкам и векторам. Последние определяют базис трехмерного пространства и его размерность.

Определение векторов и базиса трехмерного пространства

Заметьте, это могут быть только три вектора, но вот троек векторов можно определить сколько угодно. Размерность пространства определяется количеством линейно-независимых векторов (в нашем случае - три). И пространство, в котором имеется конечное число таких векторов, называется конечномерным.

Зависимые и независимые векторы

Что касается определения зависимых и независимых векторов, линейно-независимыми принято считать векторы, являющиеся проекциями (например, векторы оси X, спроецированные на ось Y).

Как уже понятно, любой четвертый вектор является зависимым (теория линейных пространств). А вот три независимых вектора в трехмерном пространстве в обязательном порядке не должны лежать в одной плоскости. Кроме того, если определять независимые векторы в трехмерном пространстве, они не могут являться, так сказать, один продолжением другого. Как уже понятно, в рассматриваемом нами случае с тремя измерениями, согласно общей теории, можно построить исключительно только тройки линейно-независимых векторов в определенной системе координат (без разницы, какого типа).

Плоскость в трехмерном пространстве

Если рассматривать понятие плоскости, не вдаваясь в математические определения, для более простого понимания этого термина, такой объект можно рассматривать исключительно как двумерный. Иными словами, это бесконечная совокупность точек, у которых одна из координат является постоянной (константой).

К примеру, плоскостью можно назвать любое количество точек с разными координатами по осям X и Y, но одинаковыми координатами по оси Z. В любом случае одна из трехмерных координат остается неизменной. Однако это, так сказать, общий случай. В некоторых ситуациях трехмерное пространство может пересекаться плоскостью по всем осям.

Существует ли более трех измерений

Вопрос о том, сколько может существовать измерений, достаточно интересен. Как считается, мы живем не в трехмерном с классической точки зрения пространстве, а в четырехмерном. Кроме известных всем длины, ширины и высоты, такое пространство включает в себя еще и время существования объекта, причем время и пространство между собой взаимосвязаны достаточно сильно. Это доказал еще Эйнштейн в своей теории относительности, хотя это больше относится к физике, нежели к алгебре и геометрии.

Интересен и тот факт, что сегодня ученые уже доказали существование как минимум двенадцати измерений. Конечно, понять, что они собой представляют, сможет далеко не каждый, поскольку это относится скорее к некой абстрактной области, которая находится вне человеческого восприятия мира. Тем не менее факт остается фактом. И не зря же многие антропологи и историки утверждают, что наши пращуры могли иметь некие специфичные развитые органы чувств вроде третьего глаза, которые помогали воспринимать многомерную действительность, а не исключительно трехмерное пространство.

Кстати сказать, сегодня существует достаточно много мнений по поводу того, что экстрасенсорика тоже является одним из проявлений восприятия многомерного мира, и тому можно найти достаточно много подтверждений.

Заметьте, что современными базовыми уравнениями и теоремами описать многомерные пространства, отличающиеся от нашего четырехмерного мира, тоже не всегда представляется возможным. Да и наука в этой области относится скорее к области теорий и предположений, нежели к тому, что можно явно ощутить или, так сказать, потрогать или увидеть воочию. Тем не менее косвенные доказательства существования многомерных миров, в которых может существовать четыре и более измерений, сегодня ни у кого не вызывают сомнений.

Заключение

В целом же, мы очень кратко рассмотрели основные понятия, относящиеся к трехмерному пространству и базовым определениям. Естественно, существует множество частных случаев, связанных с разными системами координат. К тому же мы постарались особо не лезть в математические дебри для объяснения основных терминов только для того, чтобы вопрос, связанный с ними, был понятен любому школьнику (так сказать, объяснение «на пальцах»).

Тем не менее, думается, даже из таких простых трактовок можно сделать вывод о математическом аспекте всех составляющих, входящих в базовый школьный курс алгебры и геометрии.

Мы привыкли к трем измерениям нашей Вселенной - в длину, в ширину и в глубину. Мы можем представить, как выглядели бы в усеченных измерениях - на плоскости в 2D или вдоль линии в 1D - но представить, как выглядели бы вещи при большем числе измерений, довольно трудно (если вообще возможно). Мы просто не можем представить, как что-то движется в направлении, которое как бы не входит в наше понятие о пространстве. Нашей Вселенной присуще четвертое измерение (время), но она также обладает лишь тремя пространственными. Внимание, вопрос:

Каково было бы людям, если бы число измерений в нашем мире менялось, как времена года? Допустим, полгода мы жили бы в трех измерениях, а другие полгода - в четырех.

Представьте, если можете, что имеете возможность двигаться в дополнительном направлении, помимо вверх-вниз, север-юг, запад-восток. Представьте для начала, что вы единственный в мире, кто так может.

Для кого-то в трехмерном мире вы могли бы делать невероятные вещи, которые - во многом - сделали бы вас богоподобным:

вы могли бы телепортироваться из одного места в другое, исчезая в одном месте и появляясь где-нибудь еще;
вы могли бы переставлять или удалять чужие внутренние органы, осуществляя хирургию без необходимости вскрывать кому-то тело;
вы могли бы просто убрать кого-то из трехмерной Вселенной, в которой он живет, поместив его через некоторое время в другое место по вашему желанию.

Как это возможно? Представьте, что вы - трехмерное существо - взаимодействуете с двумерной вселенной, как с набором для аппликации на листе бумаги.

С точки зрения нашего дополнительного пространственного измерения мы могли бы попасть внутрь двумерного существа и двигать его внутренности, не разрезая его. Мы могли бы перевернуть его, поменять местами лево и право. Могли бы «забрать» его из его вселенной и поместить куда-то еще.

И если бы мы сами, трехмерные существа, решили попасть бы в их двумерную вселенную, мы выглядели бы странно, поскольку местные жители могли бы видеть лишь двумерные нарезки в отдельно взятый момент.

Сначала мы бы появились бы в виде двух отпечатков ног,

потом переросли бы в два круга, по мере нашего «снижения» через их вселенную,
круги росли бы, пока не соединились в овал,
затем рядом с ними бы появились другие кружочки (пальцы),
переросли бы в два больших круга (кисти, руки), вместе с овалом,
потом все слилось бы в одну большую часть наших плеч,
затем сузилось бы, выросло и растворилось в наших шеях и головах.

К счастью, в нашей Вселенной не проживают четырехмерные существа, поскольку они казались бы нам игнорирующими физические законы божественными существами. Но что, если мы окажемся не самыми многомерными созданиями во Вселенной, а у самой Вселенной будет больше измерений, чем сейчас? Стоит отметить, что это вполне возможно; доказано, что в прошлом у Вселенной могло быть больше измерений.

В контексте общей теории относительности весьма просто выстроить пространственно-временные рамки, в которых число «больших» (то есть макроскопических) измерений изменялось бы со временем. Вы не только могли располагать большим числом измерений в прошлом, но и в будущем вам вполне может выпасть такой шанс; вы вообще могли бы построить пространство-время, в котором это число будет колебаться, изменяясь в большую и меньшую сторону со временем, снова и снова.

Для начала все круто: у нас может быть Вселенная с четвертым - дополнительным - пространственным измерением.

Итак, это круто, но как это будет выглядеть? Обычно мы не думаем о таком, но четыре фундаментальных взаимодействия - гравитация, электромагнетизм и два ядерных взаимодействия - обладают такими свойствами и силами, поскольку существуют при тех измерениях, которыми располагает наша Вселенная. Если бы мы уменьшили или увеличили число измерений, мы бы изменили то, как, например, распространяются линии силового поля.

Если бы это затронуло электромагнетизм или ядерные силы, случилась бы катастрофа.

Представьте, что вы смотрите на атом или внутри атома смотрите на атомное ядро. Ядра и атомы являются строительными кирпичиками всей материи, из которой состоит наш мир, и измеряются мельчайшими расстояниями: ангстрем для атомов (10^-10 метра), фемтометры для ядер (10^-15 метра). Если бы вы позволили этим силам «утекать» в другое пространственное измерение, что они могли бы осуществить только если это измерение достигнет достаточно больших размеров, изменились бы законы взаимодействий, управляющие работой этих сил.

В целом эти силы будут иметь больше «пространства» для разбегания, а значит будут быстрее становиться слабее на дистанции, если будет больше измерений. Для ядер это изменение будет не таким уж плохим: размеры ядер будут больше, некоторые ядра изменят свою стабильность, станут радиоактивными или, напротив, от радиоактивности избавятся. Это ладно. Но с электромагнетизмом будет сложнее.

Представьте, что случилось бы, если бы вдруг силы, связывающие электроны с ядрами, стали слабее. Если бы произошло изменение силы этого взаимодействия. Вы не думаете об этом, но на молекулярном уровне единственное, что вас удерживает, это относительно слабые связи между электронами и ядрами. Если вы измените эту силу, вы измените конфигурации всего остального. Ферменты денатурируют, белки изменят форму, лиганды разойдутся; ДНК не будет кодироваться в молекулах, в которых должна.

Другими словами, если электромагнитная сила изменится, поскольку начнет распространяться в крупное четвертое пространственное измерение, которое достигнет размеров ангстрема, тела людей моментально развалятся, и мы умрем.

Но не все потеряно. Есть много моделей - в основном разработанных в рамках теории струн - где эти силы, электромагнитные и ядерные, ограничены тремя измерениями. Только гравитация может проходить через четвертое измерение. Для нас это означает, что если четвертое измерение будет расти в размере (и, следовательно, в последствиях), гравитация будет «кровоточить» в дополнительное измерение. Следовательно, объекты будут испытывать меньшее притяжение, чем то, к которому привыкли мы.

Все это приведет к проявлению «странного» поведения у разных вещей.

Астероиды, например, - которые сцепились вместе - разлетятся, поскольку их гравитации окажется недостаточно, чтобы удержать камни вместе. Кометы, приближаясь к Солнцу, будут испаряться быстрее и демонстрировать еще более красивые хвосты. Если четвертое измерение вырастет достаточно большим, на Земле сильно уменьшатся гравитационные силы, в результате чего наша планета вырастет больше, особенно вдоль экватора.

Люди, живущие вблизи полюсов, почувствуют себя словно в среде с уменьшенной гравитацией, а люди на экваторе окажутся в опасности улететь в космос. На макроуровне знаменитый закон тяготения Ньютона - закон обратных квадратов - внезапно станет законом обратного куба, сильно уменьшая силу тяжести с расстоянием.

Если измерение достигнет размеров дистанции от Земли до Солнца, все в Солнечной системе окажется развязанным. Даже если это будет длиться всего пару дней в году - и если гравитация будет в норме каждые три месяца - наша полностью развалится всего за сто лет.

На Земле настали бы времена, когда мы не только получили бы возможность передвигаться «дополнительным» путем через пространстве, когда обзавелись бы не только дополнительным «направлением», помимо вверх-вниз, влево-право и вперед-назад, но и когда свойства гравитации изменились бы в худшую сторону. Мы прыгали бы выше и дальше, но последствия для ныне стабильной Вселенной были бы апокалиптическими.

Поэтому мечтать о появлении четвертого измерения точно не стоит. Впрочем, есть и позитивная нотка. Нам не пришлось бы беспокоиться о глобальном потеплении, поскольку увеличение расстояния до Солнца сильно охладило бы наш мир, быстрее, чем нарастающий атмосферный углекислый газ его нагревает.

Трехмерное пространство является геометрической моделью мира, в котором мы живем. Трехмерным оно называется потому, что его описание соответствует трем единичным векторам, имеющим направление в длину, ширину и высоту. Восприятие трехмерного пространства развивается еще в самом раннем возрасте и имеет прямое отношение к человека. Глубина его восприятия зависит от визуальной способности осознания окружающего мира и способности идентификации трех измерений с помощью органов чувств.

Согласно аналитической геометрии, трехмерное пространство в каждой его точке описывается тремя характеризующими величинами, называемыми координатами. Оси координат, расположенные перпендикулярно относительно друг друга, в точке пересечения образовывают начало координат, имеющее нулевое значение. Положение любой точки в пространстве определятся относительно трех осей координат, имеющих различное числовое значение на каждом заданном промежутке. Трехмерное пространство в каждой отдельной его точке определяется тремя числами, соответствующими расстоянию от точки отсчета на каждой оси координат до точки пересечения с заданной плоскостью. Существуют также такие схемы координат, как сферическая и цилиндрическая системы.

В линейной алгебре понятие трехмерного измерения описывается при помощи понятия линейной независимости. Физическое пространство трехмерно потому, что высота любого объекта никак не зависит от его ширины и длины. Выражаясь языком линейной алгебры, пространство трехмерно потому, что каждая отдельная его точка может быть определена комбинацией из трех векторов, линейно независимых друг от друга. В такой формулировке понятие пространство-время имеет четырехмерное значение, потому что положение точки в различные промежутки времени не зависит от ее расположения в пространстве.

Некоторые свойства, которые имеет трехмерное пространство, качесвенно отличаются от свойств пространств, находящихся в другой размеренности. К примеру, узел, завязанный на веревке, находится в пространстве меньшей размеренности. Большинство физических законов связаны с трехмерной размеренностью пространства, например, законы обратных квадратов. В трехмерном пространстве могут находиться двухмерные, одномерные и нульмерные пространства, в то время как само оно считается частью модели

Изотропность пространства является одним из ключевых его свойств в классической механике. Изотропным пространство называется потому, что при повороте системы отсчета на любой произвольный угол изменений результатов измерений не происходит. Закон сохранения основан на изотропных свойствах пространства. Это обозначает, что в пространстве все направления равны и не существует отдельного направления с определением независимой Изотропность имеет одинаковые физические свойства во всех возможных направлениях. Таким образом, изотропное пространство - это такая среда, которой не зависят от направления.

Сколько измерений имеет пространство мира, в котором мы живем?

Что за вопрос! Конечно, три скажет обычный человек и будет прав. Но есть еще особая порода людей, имеющих благоприобретенное свойство сомневаться в очевидных вещах. Эти люди называются «учеными», поскольку их специально этому учат. Для них наш вопрос не так прост: измерение пространства вещь трудноуловимая, их нельзя просто пересчитать, показывая пальцем: один, два, три. Нельзя измерить их число и каким-нибудь прибором вроде линейки или амперметра: пространство имеет 2,97 плюс-минус 0,04 измерения. Приходится продумывать этот вопрос глубже и искать косвенные способы. Такие поиски оказались плодотворным занятием: современная физика считает, что число измерений реального мира тесно связано с самыми глубокими свойствами вещества. Но путь к этим идеям начался с пересмотра нашего обыденного опыта.

Обычно говорят, что мир, как и всякое тело, имеет три измерения, которым соответствуют три разных направления, скажем, «высота», «ширина» и «глубина». Кажется ясным, что «глубина», изображенная на плоскости рисунка, сводится к «высоте» и «ширине», является в некотором смысле их комбинацией. Так же ясно, что в реальном трехмерном пространстве все мыслимые направления сводятся к каким-то трем заранее выбранным. Но что означает «сводятся», «являются комбинацией»? Где будут эти «ширина» и «глубина», если мы окажемся не в прямоугольной комнате, а в невесомости где-нибудь между Венерой и Марсом? Наконец, кто поручится, что «высота», скажем, в Москве и Нью-Йорке это одно и то же «измерение»?

Беда в том, что мы уже знаем ответ к задаче, которую пытаемся решить, а это далеко не всегда полезно. Вот если бы оказаться в мире, число измерений которого заранее не известно, и отыскивать их по одному Или, по крайней мере, так отрешиться от наличных знаний о действительности, чтобы посмотреть на ее первоначальные свойства совсем по-новому.

Булыжник орудие математика

В 1915 году французский математик Анри Лебег придумал, как определить число измерений пространства, не пользуясь понятиями высоты, ширины и глубины. Чтобы понять его идею, достаточно внимательно посмотреть на брусчатую мостовую. На ней легко можно найти места, где камни сходятся по три и по четыре. Можно замостить улицу квадратными плитками, которые будут примыкать друг к другу по две или по четыре; если взять одинаковые треугольные плитки, они будут примыкать по две или по шесть. Но ни один мастер не сможет замостить улицу так, чтобы булыжники везде примыкали друг к другу только по два. Это настолько очевидно, что смешно и предполагать обратное.

Математики отличаются от нормальных людей именно тем, что замечают возможность таких абсурдных предположений и умеют делать из них выводы. В нашем случае Лебег рассуждал так: поверхность мостовой, безусловно, двумерна. В то же время на ней неизбежно есть точки, где сходятся по меньшей мере три булыжника. Попробуем обобщить это наблюдение: скажем, что размерность какой-то области равна N, если при ее замощении не удается избежать соприкосновений N + 1 или большего числа «булыжников». Теперь трехмерность пространства подтвердит любой каменщик: ведь при выкладывании толстой, в несколько слоев стены обязательно будут точки, где соприкоснутся не менее чем четыре кирпича!

Однако на первый взгляд кажется, что к лебеговскому определению размерности можно найти, как выражаются математики, «контрпример». Это дощатый пол, в котором половицы соприкасаются ровно по две. Чем не замощение? Поэтому Лебег потребовал еще, чтобы «булыжники», используемые в определении размерности, были маленькими. Это важная идея, и в конце мы вернемся к ней еще раз в неожиданном ракурсе. А сейчас ясно, что условие малой величины «булыжников» спасает определение Лебега: скажем, короткие паркетины, в отличие от длинных половиц, в некоторых точках обязательно будут соприкасаться по три. Значит, три измерения пространства это не просто возможность произвольно выбрать в нем какие-то три «разных» направления. Три измерения это реальное ограничение наших возможностей, которое легко почувствовать, немного поиграв с кубиками или кирпичами.

Размерность пространства глазами Штирлица

Другое ограничение, связанное с трехмерностью пространства, хорошо чувствует узник, запертый в тюремной камере (например, Штирлиц в подвале у Мюллера). Как выглядит эта камера с его точки зрения? Шершавые бетонные стены, плотно запертая стальная дверь словом, одна двумерная поверхность без щелей и отверстий, огораживающая со всех сторон замкнутое пространство, где он находится. Из такой оболочки деться действительно некуда. А можно ли запереть человека внутри одномерного контура? Представьте, как Мюллер рисует вокруг Штирлица мелом круг на полу и уходит восвояси: это не тянет даже на анекдот.

Из этих соображений извлекается еще один способ определить число измерений нашего пространства. Сформулируем его так: огородить со всех сторон область N-мерного пространства можно только (N-1)-мерной «поверхностью». В двумерном пространстве «поверхностью» будет одномерный контур, в одномерном две нульмерные точки. Это определение придумал в 1913 году голландский математик Брауэр, но известным оно стало только спустя восемь лет, когда его независимо друг от друга, переоткрыли наш Павел Урысон и австриец Карл Менгер.

Здесь наши пути с Лебегом, Брауэром и их коллегами расходятся. Новое определение размерности было нужно им для того, чтобы построить абстрактную математическую теорию пространств любой размерности вплоть до бесконечной. Это чисто математическая конструкция, игра человеческого ума, который достаточно силен даже для познания таких странных объектов, как бесконечномерное пространство. Математики не пытаются узнать, существуют ли на самом деле вещи, обладающие такой структурой: это не их профессия. Напротив, наш интерес к количеству измерений мира, в котором мы живем, физический: мы хотим узнать, сколько их на самом деле и как почувствовать их число «на своей шкуре». Нам нужны явления, а не чистые идеи.

Характерно, что все приведенные примеры были заимствованы более или менее из архитектуры. Именно эта область деятельности людей теснее всего связана с пространством, как оно представляется нам в обычной жизни. Чтобы продвинуться в поиске измерений физического мира дальше, потребуется выход к другим уровням реальности. Они доступны человеку благодаря современной технологии, а значит физике.

При чем здесь скорость света?

Ненадолго вернемся к оставленному в камере Штирлицу. Чтобы выбраться из оболочки, надежно отделявшей его от остальной части трехмерного мира, он воспользовался четвертым измерением, которому не страшны двумерные преграды. А именно, он некоторое время подумал и нашел себе подходящее алиби. Иначе говоря, новое загадочное измерение, которым воспользовался Штирлиц, это время.

Трудно сказать, кто первым заметил аналогию между временем и измерениями пространства. Два века назад об этом уже знали. Жозеф Лагранж, один из создателей классической механики, науки о движениях тел, сравнил ее с геометрией четырехмерного мира: его сравнение звучит, как цитата из современной книги по Общей теории относительности.

Ход мысли Лагранжа, впрочем, легко понять. В его время уже были известны графики зависимости переменных величин от времени, вроде нынешних кардиограмм или графиков месячного хода температуры. Такие графики рисуют на двумерной плоскости: вдоль оси ординат откладывают путь, пройденный переменной величиной, а вдоль оси абсцисс прошедшее время. При этом время действительно становится просто «еще одним» геометрическим измерением. Точно так же можно добавить его и к трехмерному пространству нашего мира.

Но действительно ли время похоже на пространственные измерения? На плоскости с нарисованным графиком есть два выделенных «осмысленных» направления. А направления, не совпадающие ни с одной из осей, смысла не имеют, они не изображают ничего. На обычной же геометрической двумерной плоскости все направления равноправны, выделенных осей нет.

По-настоящему время можно считать четвертой координатой, только если оно не будет выделено среди остальных направлений в четырехмерном «пространстве-времени». Надо найти способ «вращать» пространство-время так, чтобы время и пространственные измерения «смешивались» и могли в определенном смысле переходить друг в друга.

Этот способ нашли Альберт Эйнштейн, создавший теорию относительности, и Герман Минковский, придавший ей строгую математическую форму. Они воспользовались тем, что в природе есть универсальная скорость скорость света.

Возьмем две точки пространства, каждую в свой момент времени, или два «события» на жаргоне теории относительности. Если умножить на скорость света интервал времени между ними, измеренный в секундах, то получится определенное расстояние в метрах. Будем считать, что этот воображаемый отрезок «перпендикулярен» пространственному расстоянию между событиями, а вместе они образуют «катеты» какого-то прямоугольного треугольника, «гипотенуза» которого это отрезок в пространстве-времени, соединяющий выбранные события. Минковский предложил: чтобы найти квадрат длины «гипотенузы» этого треугольника, будем не прибавлять квадрат длины «пространственного» катета к квадрату длины «временного», а вычитать его. Конечно, при этом может получиться отрицательный результат: тогда считают, что «гипотенуза» имеет мнимую длину! Но какой же в этом смысл?

При вращении плоскости длина любого нарисованного на ней отрезка сохраняется. Минковский понял, что надо рассматривать такие «вращения» пространства-времени, которые сохраняют предложенную им «длину» отрезков между событиями. Именно так можно добиться, чтобы скорость света была в построенной теории универсальной. Если два события связаны световым сигналом, то «расстояние Минковского» между ними равно нулю: пространственное расстояние совпадает с интервалом времени, умноженным на скорость света. «Вращение», предложенное Минковским, сохраняет это «расстояние» нулевым, как бы ни смешивались при «повороте» пространство и время.

Это не единственная причина, по которой «расстояние» Минковского обладает реальным физическим смыслом, несмотря на крайне странное для неподготовленного человека определение. «Расстояние» Минковского дает способ построить «геометрию» пространства-времени так, что и пространственные, и временные интервалы между событиями удается сделать равноправными. Пожалуй, именно в этом заключается главная идея теории относительности.

Итак, время и пространство нашего мира так тесно связаны друг с другом, что трудно понять, где кончается одно и начинается другое. Вместе они образуют что-то вроде сцены, на которой разыгрывается спектакль «История Вселенной». Действующие лица частицы материи, атомы и молекулы, из которых собраны галактики, туманности, звезды, планеты, а на некоторых планетах даже живые разумные организмы (читателю должна быть известна по меньшей мере одна такая планета).

Опираясь на открытия предшественников, Эйнштейн создал новую физическую картину мира, в которой пространство и время оказались неотделимы друг от друга, а действительность стала по-настоящему четырехмерной. И в этой четырехмерной действительности «растворилось» одно из двух известных тогдашней науке «фундаментальных взаимодействий»: закон всемирного тяготения свелся к геометрической структуре четырехмерного мира. Но Эйнштейн ничего не смог сделать с другим фундаментальным взаимодействием электромагнитным.

Пространство-время приобретает новые измерения

Общая теория относительности настолько красива и убедительна, что сразу после того, как она стала известна, другие ученые попытались пройти по тому же пути дальше. Эйнштейн свел к геометрии гравитацию? Значит, на долю его последователей остается геометризовать электромагнитные силы!

Так как возможности метрики четырехмерного пространства Эйнштейн исчерпал, его последователи стали пытаться как-то расширить набор геометрических объектов, из которых можно было бы сконструировать такую теорию. Вполне естественно, что им захотелось увеличить число размерностей.

Но пока теоретики занимались геометризацией электромагнитных сил, были открыты еще два фундаментальных взаимодействия так называемые сильное и слабое. Теперь надо было объединить уже четыре взаимодействия. При этом возникла масса неожиданных трудностей, для преодоления которых изобретались новые идеи, все дальше уводившие ученых от наглядной физики прошлого века. Стали рассматривать модели миров, имеющих десятки и даже сотни измерений, пригодилось и бесконечномерное пространство. Чтобы рассказать об этих поисках, нужно было бы написать целую книжку. Нам важен другой вопрос: где же расположены все эти новые измерения? Можно ли почувствовать их так же, как мы ощущаем время и трехмерное пространство?

Представьте себе длинную и очень тонкую трубочку например, пустой внутри пожарный шланг, уменьшенный в тысячу раз. Это двумерная поверхность, но два ее измерения неравноправны. Одно из них, длину, заметить легко это «макроскопическое» измерение. Периметр же «поперечное» измерение можно разглядеть только под микроскопом. Современные многомерные модели мира похожи на эту трубочку, хотя они имеют не одно, а четыре макроскопических измерения три пространственных и одно временное. Остальные измерения в этих моделях нельзя рассмотреть даже под электронным микроскопом. Чтобы обнаружить их проявления, физики пользуются ускорителями очень дорогими, но грубыми «микроскопами» для субатомного мира.

Пока одни ученые совершенствовали эту впечатляющую картину, блестяще преодолевая одно препятствие за другим, у других назрел каверзный вопрос:

Может ли размерность быть дробной?

А почему бы и нет? Для этого надо «просто» найти новое свойство размерности, которое могло бы связать ее с нецелыми числами, и обладающие этим свойством геометрические объекты, имеющие дробную размерность. Если мы хотим найти, например, геометрическую фигуру, имеющую полтора измерения, то у нас есть два пути. Можно пытаться либо отнять пол-измерения у двумерной поверхности, либо добавить пол-измерения к одномерной линии. Чтобы это сделать, потренируемся сперва на добавлении или отнятии целого измерения.

Есть такой известный детский фокус. Фокусник берет треугольный листок бумаги, делает на нем надрез ножницами, сгибает листок по линии надреза пополам, делает еще один надрез, опять сгибает, надрезает последний раз, и ап! в его руках оказывается гирлянда из восьми треугольничков, каждый из которых совершенно подобен исходному, но в восемь раз меньше его по площади (и в корень квадратный из восьми раз по размерам). Возможно, этот фокус показали в 1890 году итальянскому математику Джузеппе Пеано (а может быть, он сам любил его показывать), во всяком случае, именно тогда он заметил вот что. Возьмем идеальную бумагу, идеальные ножницы и повторим последовательность надрезания и складывания бесконечное число раз. Тогда размеры отдельных треугольничков, получаемых на каждом шаге этого процесса, будут стремиться к нулю, а сами треугольники стянутся в точки. Стало быть, мы получим из двумерного треугольника одномерную линию, не потеряв при этом ни кусочка бумаги! Если не растягивать эту линию в гирлянду, а оставить такой «скомканной», как у нас получилось при разрезании, то она заполнит треугольник целиком. Более того, под каким сильным микроскопом мы бы ни рассматривали этот треугольник, увеличивая его фрагменты в любое число раз, получаемая картина будет выглядеть точно так же, как неувеличенная: выражаясь научно, кривая Пеано имеет одинаковую структуру при всех масштабах увеличения, или является «масштабно инвариантной».

Итак, изогнувшись бесчисленное множество раз, одномерная кривая смогла как бы приобрести размерность два. Значит, есть надежда и на то, что менее «скомканная» кривая будет иметь «размерность», скажем, полтора. Но как же найти способ измерять дробные размерности?

В «булыжном» определении размерности, как помнит читатель, надо было использовать достаточно маленькие «булыжники», иначе результат мог получиться неправильный. Но маленьких «булыжников» потребуется много: тем больше, чем меньше их размер. Оказывается, для определения размерности не обязательно изучать, как «булыжники» прилегают друг к другу, а достаточно лишь выяснить, как возрастает их число при уменьшении величины.

Возьмем отрезок прямой длиной 1 дециметр и две кривых Пеано, вместе заполняющих квадрат размером дециметр на дециметр. Будем покрывать их маленькими квадратными «булыжниками» с длиной стороны 1 сантиметр, 1 миллиметр, 0,1 миллиметра и так далее вплоть до микрона. Если выражать размер «булыжника» в дециметрах, то на отрезок потребуется число «булыжников», равное их размеру в степени минус единица, а на кривые Пеано размеру в степени минус два. При этом отрезок определенно имеет одно измерение, а кривая Пеано, как мы видели, два. Это не просто совпадение. Показатель степени в соотношении, связывающем число «булыжников» с их размером, действительно равен (со знаком минус) размерности той фигуры, которая ими покрыта. Особенно важно, что показатель степени может быть дробным числом. Например, для кривой, промежуточной по своей «скомканности» между обычной линией и порой плотно заполняющих квадрат кривых Пеано, величина показателя будет больше 1 и меньше 2. Это и открывает нужную нам дорогу к определению дробных размерностей.

Именно таким способом была определена, например, размерность береговой линии Норвегии страны, имеющей очень изрезанное (или «скомканное» как кому больше нравится) побережье. Конечно, замощение булыжниками берега Норвегии происходило не на местности, а на карте из географического атласа. Результат (не абсолютно точный из-за невозможности на практике дойти до бесконечно малых «булыжников») составил 1,52 плюс-минус одна сотая. Ясно, что размерность не могла получиться меньше единицы, поскольку речь идет все-таки об «одномерной» линии, и больше двух, поскольку береговая линия Норвегии «нарисована» на двумерной поверхности земного шара.

Человек как мера всех вещей

Дробные размерности это прекрасно, может сказать здесь читатель, но какое отношение они имеют к вопросу о числе измерений мира, в котором мы живем? Может ли случиться, что размерность мира дробная и не точно равна трем?

Примеры кривой Пеано и побережья Норвегии показывают, что дробная размерность получается, если кривая линия сильно «скомкана», заложена в бесконечно малые складочки. Процесс определения дробной размерности тоже включает в себя использование безгранично уменьшающихся «булыжников», которыми мы покрываем изучаемую кривую. Поэтому дробная размерность, выражаясь научно, может проявляться только «на достаточно малых масштабах», то есть показатель степени в соотношении, связывающем число «булыжников» с их размером, может лишь в пределе выходить на свое дробное значение. Наоборот, одним огромным булыжником можно накрыть фрактал объект дробной размерности конечных размеров неотличим от точки.

Для нас мир, в котором мы живем, это прежде всего тот масштаб, на котором он доступен нам в повседневной действительности. Несмотря на поразительные достижения техники, его характерные размеры все еще определяются остротой нашего зрения и дальностью наших пеших прогулок, характерные промежутки времени быстротой нашей реакции и глубиной нашей памяти, характерные величины энергии силой тех взаимодействий, в которые вступает наше тело с окружающими вещами. Мы ненамного превзошли здесь древних, да и стоит ли стремиться к этому? Природные и технологические катастрофы несколько расширяют масштабы «нашей» действительности, но не делают их космическими. Микромир тем более недоступен в нашей повседневной жизни. Открытый перед нами мир трехмерный, «гладкий» и «плоский», он прекрасно описывается геометрией древних греков; достижения науки в конечном счете должны служить не столько расширению, сколько защите его границ.

Так что же все-таки ответить людям, ждущим открытия скрытых размерностей нашего мира? Увы, единственное доступное для нас измерение, которое мир имеет сверх трех пространственных, это время. Мало это или много, старо или ново, чудесно или обыденно? Время это просто четвертая степень свободы, и воспользоваться ею можно очень по-разному. Вспомним еще раз того же Штирлица, кстати, физика по образованию: у каждого мгновенья свой резон

Андрей Соболевский