Тайны пространства и времени - Комаров Виктор Ноевич - Страница 27

В этой связи стоит упомянуть о том, что в математической физике нередко используется прием, который получил название построения «фазовых пространств». Речь идет об условных физико-математических конструкциях, в которых определенные физические параметры, например, масса, импульс, энергия, скорость движения, момент количества движения и т.д., рассматриваются как величины, откладываемые по чисто условным «осям координат». В таких «фазовых пространствах» поведение того или иного физического объекта или системы выглядит как его перемещение по некоторой условной «траектории». И хотя подобный прием является чисто условным, он позволяет – что весьма удобно – получать наглядное представление о состоянии и поведении изучаемого объекта.

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

«Формула» строения мира

Окружающий нас мир настолько многообразен и многолик, что все его аспекты невозможно описать ни одной, ни даже несколькими всеобъемлющими формулами. О чем-то подобном может идти речь лишь по отношению к каким-либо ограниченным интервалам времени и пространства.

Однако и для решения подобной ограниченной задачи необходимо соответствующим образом усовершенствовать существующую теорию, в частности, избавиться от встречающихся в ней бесконечностей, которые заведомо не могут отражать реального положения вещей и которые появились в ней из-за несовершенства наших представлений о природе. Такое усовершенствование должно, по-видимому, носить кардинальный характер.

И тут на память физикам-теоретикам пришел результат, полученный около 80 лет назад польским физиком Теодором Калуца, работавшим в то время в Кенигсбергском университете. Результат, который на протяжении длительного времени выглядел в высшей степени странным…

Как известно, одним из основных достижений общей теории относительности Эйнштейна является вывод о том, что тяготение имеет чисто геометрическую природу, связанную с искривлением «пространства-времени». Калуца предположил, что электромагнитные силы также имеют геометрическую природу, и показал, что гравитация и электромагнетизм могут быть слиты в единое поле, но уже в пятимерном «пространстве-времени». При этом оказалось, что электромагнетизм является не чем иным, как гравитацией в дополнительном, то есть четвертом пространственном измерении!

Результат, полученный Калуца, в его время выглядел чистой фантастикой, неким своеобразным математическим фокусом. Поэтому Эйнштейн, прежде чем рекомендовать статью польского физика к опубликованию в физическом журнале, раздумывал целых два года!

В последующие десятилетия были открыты еще два типа физических сил – сильные или ядерные и слабые с участием нейтрино. При этом оказалось, что в многомерном «пространстве-времени» все они становятся компонентами чистой гравитации, а для нее может быть построена теория, свободная от бесконечностей.

Расчеты показали, что для того, чтобы единое «суперполе» можно было рассматривать как чистую гравитацию, необходимы шесть или даже семь дополнительных измерений, то есть пространство должно быть десяти – или даже одиннадцатимерным! Но в случае одиннадцатимерного «пространства-времени» в нашем трехмерном мире должны были бы появиться «лишние» поля и частицы. Так что, по-видимому, 10 измерений – это оптимальное число.

Однако возникает закономерный вопрос: почему этих дополнительных измерений мы практически не замечаем и не ощущаем?

В принципе можно построить весьма замысловатые модели многомерных миров, состоящих из экзотических конструкций, образованных мирами трехмерными. Однако у любой конструкции подобного рода есть одно любопытное свойство: между событиями, происходящими в любых пространственно-временных точках нашего трехмерного мира, в этом случае будет существовать связь через четвертое, пятое, шестое и более высокие измерения. А это значит, что в таком многомерном мире можно попадать в прошлое или в будущее и мгновенно перемещаться из одного места в другое. То есть в таком мире происходили бы явные нарушения причинности! Однако подобных «чудес» в нашем мире практически не наблюдается! Более того, весьма точные эксперименты с элементарными частицами пока что никаких нарушений причинности такого рода не обнаружили.

И тем не менее нельзя полностью исключить, что четвертое «пространственное» измерение в нашем мире все-таки есть! Но оно скорее всего запрятано очень глубоко в микромире в форме своеобразных микроскопических «отростков», проникающих в четвертое, а возможно и в следующие более высокие измерения.

«Быть может, эти электроны…»

Если в микромире привычные представления о части и целом физики вынуждены были пересмотреть, основываясь на экспериментальных фактах, то по отношению к мегакосмосу сомнения в справедливости вышеупомянутых представлений пока что возникают лишь на теоретическом уровне.

Как следует из общей теории относительности, чем больше масса данного тела, тем сильнее искривляется вокруг него пространство. И при достаточно большой массе, сконцентрированной в малом объеме, пространство вокруг него может, образно говоря, «замкнуться»! Может образоваться так называемая черная дыра – своеобразный объект, из которого наружу не вырвутся ни частица, ни излучение.

При этом особый интерес представляет собой тот случай, когда замкнувшаяся масса обладает электрическим зарядом, пусть даже столь небольшим, как заряд электрона. В подобной ситуации полной изоляции черной дыры от всего окружающего не произойдет! Этому помешают силовые линии электростатического поля, которые обязательно должны заканчиваться на каком-либо другом заряде и поэтому выходить «наружу». В результате сторонний наблюдатель увидит лишь маленькую «горловину», соединяющую почти замкнувшееся пространство черной дыры с нашим обычным пространством. Но, пожалуй, Самое поразительное состоит в том, что подобная горловина внешне будет неотличима от обычной элементарной частицы. И это, несмотря на любые размеры и любую массу «почти замкнутого» объекта. Следовательно, в подобном случае внешнему наблюдателю даже целая Вселенная может со стороны казаться элементарной частицей, скажем, протоном или электроном!

Теоретически возможность подобной ситуации была показана известным советским физиком-теоретиком академиком М. Марковым. «Экспериментатор, находящийся вдали от центра такого мира, – пишет Марков, – воспринимает его как материальный объект, локализованный в области минимальной сферы, как объект малых масс (если угодно, микроскопических), размеров и обладающий в целом малой (если угодно, микроскопической) массой, хотя внутри этого объекта может содержаться целая Вселенная со своими разнообразными галактиками».

Невольно приходят на память поэтические строки Валерия Брюсова:

Таким образом, Марков фактически выдвинул интереснейшую идею множественности вселенных, которая в современной теоретической физике и астрофизике, можно сказать, носится в воздухе. С точки зрения академика Маркова, это различные миры, связанные между собой сложнейшими отношениями, несводимыми к обычным пространственно-временным характеристикам нашего мира.