Когда кто-то говорит о «разных измерениях», мы почему-то сразу начинаем думать о параллельных вселенных – альтернативных реальностях, существующих параллельно нашей, в которых все устроено по-другому. Однако реальность измерений и роли, которую они играют в организации нашей Вселенной, заставляет отойти от такого подхода и задуматься об измерениях внутри одной Вселенной, а не совокупности параллельных.

В действительности измерения – это разные грани того, что мы понимаем под реальностью и как мы ее воспринимаем. С детства мы знакомы с тремя измерениями, которые окружают нас – это то, что мы называем длиной, шириной и глубиной. В школе мы называли это осями X, Y и Z. Ученые предполагают, что помимо этих трех видимых измерений, есть и другие. Так, согласно теории суперструн, Вселенная существует в десяти различных измерениях, которые определяют саму Вселенную, фундаментальные силы природы и все элементарные частицы в ней.

Итак, три измерения, которые мы можем воспринимать, это те самые оси X, Y и Z. Первое измерение – это ось X, длина. Объект, существующий только в одном измерении – это прямая линия. Если добавить к этому второе измерение – ось Y, ширину – то получится уже двухмерное изображение, например, квадрат или прямоугольник. И, наконец, третье измерение – ось Z, глубина – делает объект объемным. Так, квадрат становится кубом, а прямоугольник – параллелепипедом. Они существуют в трех измерениях, у них есть ширина, длина и глубина, что делает их объемными.

Помимо этих трех измерений выделяют еще семь, которые не так легко сразу назвать и которые мы не воспринимает так же легко, как первые три. Но они все оказывают прямое воздействие на Вселенную и делают реальность такой, какой мы ее знаем.

Четвертым измерением ученые считают время. Это еще одно измерение, которые мы умеем воспринимать, просто не всем приходит в голову считать время измерением. В совокупности с тремя другими измерениями знание положения объекта во времени позволяет определить его положение во Вселенной.

Остальные шесть измерений гораздо сложнее поддаются восприятию, и даже далеко не всем ученым они подвластны. Тем не менее, давайте попробуем разобраться.<х>

В соответствии с теорией суперструн, пятое и шестое измерение возникают там же, где и возможные другие миры. Если бы мы могли воспринять пятое измерение, мы бы увидели мир, который немного отличается от нашего, и смогли бы оценить сходства и различия между ними.

В шестом измерении мы бы увидели уже целую совокупность возможных миров, и смогли бы расположить на открывшейся плоскости все Вселенные, которые зародились так же, как и наша, с Большого Взрыва. Теоретически, овладев пятым и шестым измерениями, человек мог бы путешествовать во времени, в том числе выбрать другое будущее.

В седьмом измерении мы получаем доступ к возможным мирам, которые начались с другими начальными условиями. Если на предыдущих двух уровнях Вселенные начинались с Большого взрыва, а затем развивались по-разному, то в новом измерении отличаются и изначальные условия.

В восьмом измерении появляется еще одна плоскость всех возможных историй развития Вселенной, каждая из которых начинается с разных начальных условий и разветвляется бесконечным числом возможных способов.

Наконец, в девятом измерении появляется возможность сопоставить все эти сценарии Вселенной, с разными начальными условиями и разными путями дальнейшего развития.

Десятое измерение – это точка, в которой мы можем охватить все возможное и вообразимое. За пределами этого финального измерения мы не можем представить ничего, это граница того, что мы можем постичь в различных измерениях.

Эти шесть дополнительных измерений (с пятого по десятое), которые мы ощущаем и не постигаем в обычной жизни, согласно теории струн, объясняют фундаментальные природные взаимодействия.

То, что мы можем воспринимать только три измерения (те самые оси X, Y, Z и время), говорит о том, что либо все остальные измерения очень компактны и представлены в мельчайшем масштабе, либо мир существует в трехмерном подмногообразии соответствующем бране, где все известные частицы будут ограничены.

Брана в теории струн – это фундаментальный многомерный физический объект такой размерности меньшей размерности пространства, где он находится. Если дополнительные измерения компактны, то они, скорее всего, представлены в форме многообразия Калаби-Яу.

Теория струн, как и другие претенденты на то, чтобы объяснить, как устроен мир, предлагает примирить физику элементарных частиц с существованием гравитации. Это попытка объяснить, как взаимодействуют силы в нашей Вселенной и как могут быть устроены другие существующие или возможные Вселенные. И для этого нужно предположить существование десяти измерений.

Наши органы чувств не замечают эти измерения, но они могли определять формирование Вселенной еще с самого начала ее возникновения. Ученые считают, что если бы они могли посмотреть назад во времени и с помощью телескопов, они бы увидели свет ранней Вселенной, испущенный миллиарды лет назад, и узнали, как эти дополнительные измерения могли повлиять на эволюцию космоса.

В своей самой распространенной модификации теория струн утверждает, что Вселенная существует в десяти измерениях, но шесть из них мы не способны воспринять. На что эти дополнительные измерения могут быть похожи?

Одна из наиболее распространенных теорий мира – теория струн. Чтобы объединить все физические взаимодействия (слабое и сильное, гравитационное и электромагнитное) в единую ипостась понадобилось изобретение подобной гипотезы.

Задачу эту она еще не решила, но основана на 10-мерном представлении о Вселенной. При других мерностях ничего не получается. Углубляться в теорию не будем. Скажем лишь, что над ней работали и работают: Саскинд, Грин, Шварц, Намбу, Нильсен, Шерк.

Окружающая действительность для нас более-менее понятна. Что представляют из себя 3 и менее измерений мы можем представить.

Начнем с нулевого измерения. В геометрии оно представлено точкой. Что такое точка – каждый понимает. Это просто указание на объект. Она не имеет каких-то параметров длины или ширины. У нее нет размера.

Когда мы соединим две точки пространства – получим одномерную систему. Это линия. По ней можно передвигаться, но объекты здесь могут иметь только ширину.

Построив стандартную систему координат – получим двумерный мир. Здесь уже есть ширина и высота. С такими объектами мы сталкиваемся постоянно: изображение на мониторе, рисунки, игры являются двумерными.

Ну а добавив глубину, т.е. третью ось, получим наш мир. Все что мы видим вокруг – трехмерное (за редкими исключениями).

Эйнштейн сделал великое открытие: показал, что пространство и время взаимосвязаны. Поэтому, не так сложно представить 4-ое измерение.

Вообразите свою жизнь. Каждое ее мгновение можно зафиксировать в виде отдельного слепка. Если соединить все эти события – получим данное измерение. Четвертое измерение для вас – это кадры всей вашей жизни.

Согласно теории Мультивселенной, каждое мгновение мы создаем иную реальность в другом измерении. Вы вышли из дома и повернули налево, а в другом ответвлении вашего бытия – вы повернули направо. Это – пятое измерение.

С шестым немного сложнее. Предположим, вам сейчас 41 год. Где-то в параллельном мире есть другой вы, который стал олимпийским чемпионом. Как туда попасть? Вернувшись в прошлое через 5-ое измерение вы не попадете в то другое настоящее. Вы лишь сумеете как-то поменять события своего детства, чтобы прийти к этому результату.

Есть вариант проще – нужно изогнуть 5-ую мерность через шестую. Это позволит попасть не только в событие прошлого, но и любую возможную бытность в параллельном мире настоящего.

В более низких мерностях у нас была точка отсчета. В седьмом измерении их бесчисленное множество. Появляется возможность сделать начало любого события любым.

Восьмое измерение дает еще больше возможностей: бесконечное число начал и развитий событий. Прошлое и будущее имеет бесчисленное количество ответвлений. По сути, вы получаете шанс поменять во Вселенной всё: от начала до конца.

Девятая мерность позволяет создать бесконечное число Вселенных. Не только наш мир получает мультивариантность, но и любой другой: новые законы физики вам в помощь.

Если ваш мозг начал кипеть, то сейчас мы его добьём. Для этого понадобится десятое измерение. Так вот, вообразите все то, что мы выше перечисляли. Многочисленное число возможностей в бесчисленном ряде Вселенных. Получилось?

А теперь осознайте всё это простой точкой. Одной. Точкой. Добро пожаловать в 10-ое измерение.

Трехмерным сущностям представить более высокие измерения не просто. Для этого нам понадобилась аналогия и толика воображения.

Чтобы разобраться в том, что такое измерения – нужно понять, что это просто разные грани того, что мы воспринимаем как реальность. Мы легко осознаем три измерения, которые нас окружают ежедневно – те, которые определяют длину, ширину и глубину всех объектов в нашем мире (оси x, y и z соответственно).

С точки зрения математика, если создать список правильных, симметричных геометрических фигур с перпендикулярными сторонами, то у квадрата мы получим четыре линейных ребра. Куб имеют шесть квадратных сторон. Путем экстраполяции гиперкуб имеет восемь кубических сторон. Продолжая шаблон, можно понять, что он может продолжаться бесконечно.

Настает очередь физика. Он смотрит на звезды и тщательно записывает их поведение. Физик определяет, что они притягивают друг друга через гравитацию, которая уменьшается как квадрат их взаимных расстояний – признак, по его мнению, трех измерений.

Однако, как только он выведет уравнение того, как их свет движется в пространстве, он обнаружит, что его лучше всего выразить в четырех измерениях. Затем, после долгих раздумий, он пытается придумать способы описать гравитацию и свет в общей теории, которая, кажется, требует как минимум десяти измерений.

Давайте посмотрим, как физики пришли к таким выводам. В 1917 году австрийский физик Пол Эренфест написал статью, заставляющую задуматься: «Как в фундаментальных законах физики проявляется, что пространство имеет три измерения?». В статье он перечислил доказательства того, что три измерения идеально подходят для описания нашего мира.

Он отметил, например, что стабильные орбиты планет в солнечной системе и стационарные состояния электронов в атомах требуют обратных законов силы. Например, если гравитация уменьшалась бы с кубом вместо квадрата расстояния от Солнца, то планеты не следовали бы по устойчивым эллиптическим орбитам.

Давайте подумаем, что означает закон обратных квадратов. Представьте себе пузырь, который примерно охватывает орбиту планеты. Сила гравитационного поля Солнца на этом расстоянии уменьшается по площади поверхности пузыря.

Площадь поверхности пропорциональна квадрату радиального расстояния, что объясняет, почему гравитация уменьшается этим фактором.

Поскольку пузырь, включая его внутреннюю часть, является трехмерным, само пространство должно быть таким же. Короче говоря, тот факт, что гравитация уменьшается с квадратом расстояния – величиной площади поверхности пузыря – подразумевает трехмерность.

Вселенная – это не просто космос. Как продемонстрировал русско-немецкий математик Герман Минковский, специальная теория относительности Эйнштейна, постулированная для объяснения того, как свет движется с постоянной скоростью относительно всех наблюдателей, может быть наилучшим образом выражена в четырех измерениях.

Вместо того, чтобы рассматривать пространство и время независимо, он предложил единое видение пространства-времени. В своей общей теории относительности Эйнштейн использовал эту концепцию и описал гравитацию, используя динамическую четырехмерную модель.

Свет проистекает из электромагнитных взаимодействий, одной из четырех природных сил. В течение многих десятилетий физики искали способы объединить эту силу с другими – сильную ядерную силу, слабую ядерную силу и, что самое важное, гравитацию – чтобы создать единую, изящную теорию фундаментальных сил.

Две из самых ранних схем (до того, как были определены сильные и слабые ядерные силы) были независимо разработаны немецким математиком Теодором Калузой и шведским физиком Оскаром Кляйном. Хотя теперь мы знаем, что их подходы были неточными, каждый предлагал объединить электромагнетизм и гравитацию путем расширения общей теории относительности на дополнительное измерение.

Вклад Кляйна лучше всего касался вопроса о том, почему такое пятое измерение не будет наблюдаться, что согласуется с выводом Эренфеста о том, что пространство кажется трехмерным. В идее, известной как компактификация, Кляйн предполагал, что более высокое измерение будет свернуто в крошечную, компактную петлю размером порядка 10-33 сантиметров.

Современники Кляйна в конце 1920-х годов, формируя основы квантовой механики, решили исследовать возможность внутренних (относящихся к абстрактному, математическому пространству) измерений, а не физических, которые дополняют пространство-время.

Они разработали свои теории в гильбертовом пространстве, математической конструкции, которая использует бесконечное число математических измерений, чтобы учесть неопределенно большой ассортимент квантовых состояний.

Помимо Эйнштейна и его помощников Питера Бергмана и Валентина Баргманна, немногие физики исследовали понятие невидимых дополнительных измерений в физической вселенной. (В конце 1930-х и начале 40-х годов Эйнштейн, Бергманн и Баргманн безуспешно пытались расширить четырехмерное пространство-время общей теории относительности на дополнительное физическое измерение, включив в него электромагнетизм.)

В 1970-х и 1980-х годах теория Калузы-Кляйна пережила возрождение благодаря появлению теории суперструн и супергравитации: идеи о том, что фундаментальными компонентами природы являются вибрирующие нити энергии.

Математически теория суперструн оказалась жизнеспособной только в десяти и более измерениях. Следовательно, исследователи начали обдумывать способы компактизации дополнительных шести или более измерений.

Теория суперструн превратилась в 1990-х годах в более общий подход, называемый М-теорией, который включал в себя энергетические мембраны, прозванные «бранами», а также струны. М-теория включала в себя возможность большого дополнительного измерения, дополняя десять основных измерений, в которых могли бы существовать суперструны. «Большой» в этом контексте означает «потенциально наблюдаемый», а не крошечный и компактный.

Вскоре исследователи осознали, что большое дополнительное измерение потенциально может решить загадку, называемую проблемой иерархии. Эта дилемма включает в себя поразительную слабость гравитации по сравнению с другими силами природы, такими как электромагнетизм.

Простой эксперимент иллюстрирует этот дисбаланс. Возьмите обычный кухонный магнитик и посмотрите, как его притяжение подавляет гравитационное притяжение всей земли.

В сценарии «мира бран», впервые предложенном физиками Нимой Аркани-Хамед, Савасом Димопулосом и Гией Двали, а затем разработанной Лизой Рэндалл, Раманом Сундрумом и другими, реальность состоит из двух бран, разделенных многомерным промежутком, называемым массой, в конфигурации, похожей на Большой Каньон.

Как робкие туристы, сидящие на краю каньона, большинство частиц цепляются за одну из бран. Следовательно, знакомый физический мир находится там. Настойчивые путешественники, которые являются гравитонами, носителями гравитации, получают исключение и могут исследовать большую часть между ними. Поскольку гравитоны проводят гораздо меньше времени, взаимодействуя с нашей знакомой браной, гравитация кажется намного слабее, чем другие силы.

Исходная гипотеза предсказывала, что при измерении в мелких масштабах гравитация должна слегка отклоняться от идеального отношения расстояния в квадрате. Однако точные эксперименты с торсионным балансом, наложили строгие ограничения на такое расхождение вплоть до мельчайших уровней. Тем не менее, идея дополнительных измерений продолжает процветать в различных предложениях по объединению природных сил.

Если теория суперструн окажется верной, идея мира, состоящего из 10 или более измерений, – это то, с чем нам нужно будет смириться. Но будет ли когда-нибудь объяснение или визуальное представление более высоких измерений, которые действительно удовлетворят человеческий разум?

Ответ на этот вопрос пока может быть только такой – нет, такого объяснения не будет. Только если какая-то четырехмерная форма жизни не вытащит нас из нашего трехмерного пространства и не даст нам представление о мире с его точки зрения.