Мичио Каку - Гиперпространство

• Название: Гиперпространство
• Автор: Мичио Каку
• Жанр: Физика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-91671-267-4, 978-0-19-286189-4

Инстинкт говорит нам, что наш мир трехмерный. Исходя из этого представления, веками строились и научные гипотезы. По мнению выдающегося физика Мичио Каку, это такой же предрассудок, каким было убеждение древних египтян в том, что Земля плоская. Книга посвящена теории гиперпространства. Идея многомерности пространства вызывала скепсис, высмеивалась, но теперь признается многими авторитетными учеными. Значение этой теории заключается в том, что она способна объединять все известные физические феномены в простую конструкцию и привести ученых к так называемой теории всего. Однако серьезной и доступной литературы для неспециалистов почти нет. Этот пробел и восполняет Мичио Каку, объясняя с научной точки зрения и происхождение Земли, и существование параллельных вселенных, и путешествия во времени, и многие другие кажущиеся фантастическими явления.

---

Казалось бы, наши герои обречены до конца своих дней бесцельно блуждать внутри гиперкуба. Но тут тессеракт встряхнуло еще одно сильное землетрясение. Затаив дыхание, перепуганный Тил и супруги Бейли выскочили в ближайшее окно. И очутились в Национальном парке Джошуа-Три, на расстоянии нескольких миль от Лос-Анджелеса. Спустя несколько часов, поймав попутную машину до города, они вернулись туда, где стоял дом, и обнаружили, что и последний уцелевший куб исчез. Куда же девался тессеракт? Вероятно, завис где-нибудь в четвертом измерении.

Бесполезное четвертое измерение

Оглядываясь назад, можно сделать вывод, что знаменитый доклад Римана был популяризован стараниями мистиков, философов и людей искусства и стал доступным широкой аудитории, но почти никак не углубил наше понимание природы. Рассматривая этот процесс с точки зрения современной физики, мы также понимаем, почему в 1860–1905 гг. не произошло никаких фундаментальных прорывов в наших представлениях о гиперпространстве.

Во-первых, не предпринималось попыток использовать гиперпространство с целью упрощения законов природы. Без изначального руководящего принципа Римана, согласно которому в высших измерениях законы природы упрощаются, ученые в этот период двигались наугад впотьмах. Основополагающая идея Римана об использовании геометрии, а именно складчатого гиперпространства, для объяснения сущности «силы» в те годы оказалась забытой.

Во-вторых, никто не пытался воспользоваться фарадеевой концепцией поля или метрическим тензором Римана, чтобы вывести уравнения поля, подчиняющиеся гиперпространству. Математический аппарат, разработанный Риманом, стал сферой приложения чистой математики, вопреки изначальным намерениям самого Римана. Без теории поля гиперпространство становится непредсказуемым.

Таким образом, на рубеже веков циники не без оснований утверждали, что существование четвертого измерения не подтверждается экспериментально. Хуже того, добавляли они, нет никаких причин обращаться к четвертому измерению, кроме как для того, чтобы пощекотать широкую публику историями о призраках. Однако эта досадная ситуация вскоре изменилась. Уже через несколько десятилетий теория четвертого измерения (времени) навсегда изменила ход истории человечества. Благодаря ей у нас появились и атомная бомба, и сама теория сотворения мира. Человеком, благодаря которому все это стало возможным, был никому не известный физик Альберт Эйнштейн.

4. Тайна света: колебания в пятом измерении

Если она [относительность], как я предвижу, будет подтверждена, его следует считать Коперником XX в.

Макс Планк об Альберте Эйнштейне

История жизни Альберта Эйнштейна выглядит как длинная череда неудач и разочарований. Его мать расстраивалась, что он долго не мог научиться говорить. Учителя в начальных классах считали Эйнштейна глуповатым ротозеем. Они жаловались на то, что Альберт постоянно нарушает дисциплину в классе, задавая дурацкие вопросы. Один учитель даже напрямик заявил мальчику, что предпочел бы вообще не видеть его в своем классе.

В школе у Эйнштейна почти не было друзей. Потеряв интерес к учебе, он был исключен из старших классов. Поскольку аттестата об окончании школы он не получил, ему пришлось сдавать специальные экзамены для поступления в колледж. Однако при первой попытке Эйнштейн завалил экзамены и был вынужден сдавать их повторно. Его не взяли даже в швейцарскую армию — помешало плоскостопие.

После завершения учебы Эйнштейн долго не мог найти работу. Ему, безработному физику, не предложили пост преподавателя в университете, ему не досталась ни одна из вакантных должностей, на которые он претендовал. Занимаясь репетиторством, он зарабатывал жалкие гроши — меньше пяти франков в час. Своему другу Морису Соловину он говорил, что «проще зарабатывать на жизнь, играя на скрипке в общественных местах».

Эйнштейна не прельщали деньги и власть — словом, все то, к чему стремится большинство людей. Но однажды он пессимистически заметил: «Каждый человек обречен участвовать в этой гонке уже потому, что у него есть желудок». В конце концов по протекции друга Эйнштейн стал малооплачиваемым клерком в швейцарском патентном бюро в Берне, зарабатывая ровно столько, чтобы не обращаться за помощью к родителям. На свое жалованье он содержал молодую жену и новорожденного ребенка.

Не располагая ни финансовыми ресурсами, ни связями в официальных научных кругах, Эйнштейн приступил к работе в одиночку, не бросая службу в патентном бюро. Оформляя патенты, мыслями он уносился к вопросам, которые занимали его с юности. А потом он взял на себя задачу, которая в конечном итоге изменила ход истории человечества. Орудием Эйнштейна стало четвертое измерение.

Детские вопросы

В чем сущность гениальности Эйнштейна? В книге «Восхождение человека» (The Ascent of Man), положенной в основу одноименного телесериала, Якоб Броновски писал: «Гениальность таких людей, как Ньютон и Эйнштейн, заключается в следующем: они задают очевидные, невинные вопросы, ответы на которые оказываются катастрофическими. Эйнштейн умел формулировать подобные вопросы предельно просто»[36]. Еще в детстве Эйнштейн задался одним из таких примитивных вопросов: как выглядел бы луч света, если бы удалось поймать его? Увидели бы мы неподвижную волну, застывшую во времени? Этот вопрос положил начало 50-летнему путешествию по миру тайн пространства и времени.

Представим себе попытки обогнать поезд на гоночной машине. Мы жмем на педаль газа, машина мчится вровень с поездом, «ноздря в ноздрю». Теперь заглянем внутрь поезда, где все выглядит так, словно он находится в состоянии покоя. Мы увидим сиденья и людей, которые ведут себя так, словно поезд не движется. Подобным образом Эйнштейн в детстве воображал путешествие по лучу света. Он считал, что этот луч должен напоминать ряд неподвижных волн, застывших во времени, т. е. луч должен выглядеть неподвижным.

Когда Эйнштейну было 16 лет, он заметил в своих рассуждениях изъян. Позднее он вспоминал:

…После десяти лет размышлений над парадоксом, на который я обратил внимание еще в шестнадцать, я пришел к мысли: если гнаться за лучом света со скоростью с (скоростью света в вакууме), то можно видеть этот луч света как пространственное колебательное электромагнитное поле в состоянии покоя. Однако подобное явление не подтверждается ни опытом, ни уравнениями Максвелла[37].

Во время учебы в Политехникуме Эйнштейн утвердился в своих подозрениях. Он узнал, что свет можно описать посредством электрических и магнитных полей Фарадея и что эти поля подчиняются законам поля, сформулированным Джеймсом Клерком Максвеллом. Как и догадывался Эйнштейн, выяснилось, что существование стационарных застывших волн не допускается максвелловыми уравнениями поля. По сути дела, Эйнштейн доказал, что луч света перемещается с одной и той же скоростью с, как бы старательно мы ни пытались догнать его.

Поначалу это предположение выглядело абсурдно. Оно означало, что нам никогда не обогнать этот поезд (луч света). Хуже того, как бы мы ни гнали свой автомобиль, поезд всегда будет опережать нас, двигаясь при этом с одной и той же скоростью. Иными словами, луч света подобен «кораблю-призраку» из тех, о которых рассказывают бесконечные легенды старые моряки. Поймать это призрачное судно невозможно. Как бы стремительно мы ни плыли, корабль-призрак неизменно ускользает, поддразнивая и маня нас.

В 1905 г., продолжая работать в патентном бюро и располагая временем, Эйнштейн тщательно проанализировал максвелловы уравнения поля и на основании этого анализа сформулировал один из принципов специальной теории относительности: скорость света одинакова во всех системах отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Этот на первый взгляд ничем не примечательный постулат — одно из величайших достижений человеческой мысли. Его ставят наравне с законом всемирного тяготения Ньютона как одно из величайших научных творений человеческого разума за те два миллиона лет, на протяжении которых наш вид эволюционирует на Земле. Из этого постулата логически выводится разгадка тайны колоссальных выбросов энергии звездами и галактиками.

Для того чтобы понять, как такое простое утверждение может привести к столь масштабным выводам, вернемся к нашему примеру, в котором автомобиль пытается обогнать поезд. Предположим, некий пешеход на боковой дорожке засекает время и определяет, что автомобиль движется со скоростью 99 миль в час (около 160 км/ч), а поезд — со скоростью 100 миль в час (около 161 км/ч). Естественно, находясь в автомобиле, мы видим, что поезд обгоняет нас каждый час на 1 милю (1,6 км). Это происходит потому, что скорости могут складываться и вычитаться как обычные числа.