Экстра-измерение или «потусторонний мир»

В своих работах по теории относительности, завершённых в 1916 году, Альберт Эйнштейн показал, что, связывая три пространственных измерения и время в единое четырёхмерное пространство-время, можно сделать вывод, что силы гравитации – это всего лишь особенности геометрии пространства-времени. После этого всю оставшуюся часть жизни Эйнштейн посвятил созданию единой теории поля, которая должна была дать одновременное геометрическое описание гравитации и другого известного в то время фундаментального взаимодействия – электромагнитного. Орешек оказался, однако, слишком крепким, и все старания великого физика ни к чему не приводили. Возможно, поэтому Эйнштейн в 1921 году счёл необходимым представить к публикации в журнале Sitzungsberichte Preussische Akademie der Wissenschaften присланную ему на отзыв статью польского физика Теодора Калуцы (Theodor Kaluza), в которой предлагался показавшийся большинству современников совершенно фантастическим вариант единой теории поля.

Калуца предположил, что, кроме общеизвестных и очевидных трёх пространственных измерений, существует ещё дополнительное, недоступное нашим органам чувств четвёртое измерение.

Эта простая гипотеза имела совершенно поразительные следствия. Объединив уже не трёхмерное, а 4-мерное пространство со временем в 5-мерное пространство-время, Калуца показал, что в этом случае вся электромагнитная теория Максвелла вместе с Эйнштейновской гравитацией превращается в геометрическую теорию 5-мерного пространства времени.

Несмотря на авторитетного представляющего в лице Эйнштейна и престижное место публикации – «Труды Прусской Академии наук» – теория Калуцы оказалась слишком непривычной для современников и не нашла никакого отклика в их умах. Интерес к ней появился на короткое время лишь после публикации в 1926 году статьи шведского физика Оскара Клейна (Oscar Klein), модифицировавшего теорию Калуцы таким образом, что она получила наглядную интерпретацию. Клейн предположил, что дополнительное измерение не бесконечно, а «компактифицировано», т.е. «свёрнуто» в окружность столь малого радиуса, что его невозможно различить в привычных для нас линейных масштабах. Модификация Клейна несколько оживила интерес к дополнительному измерению. Однако он вскоре снова угас, когда были обнаружены новые виды взаимодействий (сильное и слабое), которые теорией Калуцы-Клейна, естественно, никак не описывались.

Модели, учитывающие все известные взаимодействия, появились только примерно через полвека после Калуцы. Это были теории струн, а затем – суперструн, теория бран, в которых рассматривались пространства размерности соответственно 10 и 26, а также использовалась идея Клейна о компактификации. Из компактификации следовало, что экспериментальная проверка этих теорий должна потребовать энергий, настолько больших, что не оставалось никакой надежды на её осуществление.

В последние годы большое внимание привлекла работа Лайзы Рэндал (Lisa Randall) и Рамана Сандрама (Raman Sundrum) "An alternative to compactification," Phys. Rev. Lett., 83(23):4690-3, 1999. Рэндал и Сандрам рассматривают, как и Калуца, четыре пространственных измерения без всякой компактификации, но совершенно иначе описывают физические взаимодействия. В результате они получили новый полный вариант единой теории поля, который они назвали warped geometry in extra dimensions (искаженная геометрия в лишних измерениях). Эта теория допускает более наглядную интерпретацию и даёт возможность увидеть реальный физический смысл за чисто формальными математическими преобразованиями.

Казалось бы, стало реальностью то, что для Эйнштейна было недостижимой мечтой – усилиями многих групп физиков единая теория поля была построена. Беда только, что таких непротиворечивых и всё объясняющих теорий («теорий всего на свете») оказалось много, а это никак не устроило бы Эйнштейна, как не устраивает и современных физиков – правильная теория должна быть одна.

К счастью, теория Рэндал-Сандрама, в отличие от теорий, предполагающих компактифицированные измерения, допускает экспериментальную проверку. Соответствующие работы были первоначально запланированы на 2007 год на Большом Андронном Коллайдере CERN в Женеве, однако запуск установки был произведен позже запланированного срока (в середине 2008 года) и планы пришлось скорректировать. Возможно, удастся провести эксперименты в 2010 году.

Если гипотеза Рэндал и Сандрама верна, то реальный мир не исчерпывается доступной нашему наблюдению трёхмерной Вселенной и существует дополнительное пространственное измерение, в которое мы не способны заглянуть. Математики выражают эту мысль словами: «Наше трёхмерное пространство является подпространством некоего объемлющего пространства, размерность которого больше трёх», а люди, не знавшие многомерной геометрии и современной научной терминологии, издавна называли эту непознаваемую сущность потусторонним миром.

Между тем, одного лишь предположения о реальном существовании потустороннего мира недостаточно для объяснения реальных фактов. Самая важная гипотеза, которую мы вынуждены сделать, состоит в том, что потусторонний мир населён существами, которые также имеют размерность больше трёх и обладают разумом и техническими возможностями, позволяющими им наблюдать за происходящим в нашей Вселенной и, в частности, на Земле и при желании высаживать в заранее намеченное место неорганические трёхмерные объекты, полные биоты и популяции отдельных биологических видов.

Нам, существам с трёхмерными представлениями, нетрудно вообразить подпространство А размерности 2 – плоскость. По отношению к этой плоскости суперпространством является привычное нам трёхмерное пространство. Представим себе, что в плоскости А живут примитивные (с нашей трёхмерной точки зрения) существа, обладающие двумерными чувствами и представлениями. Они, естественно, не могут знать о чём-либо вне своей плоскости. Если есть аналогичная плоскость В, параллельная первой, то живущие в ней существа ничего не знают о плоскости А, даже если расстояние между этими плоскостями ничтожно мало. В то же время нам со стороны прекрасно видно всё, что происходит в обеих плоскостях. Более того, мы можем, взявшись со стороны третьего измерения, пересадить такое двумерное существо из одной плоскости в другую так, что оно ничего не почувствует и только безмерно удивится, попав внезапно в совершенно новую обстановку.

Здесь нужны пояснительные рисунки!

Имеет смысл также посмотреть видео Четвёртое измерение – наглядное объяснение.

Дата последнего обновления: 04.04.10