ПЯТОЕ ИЗМЕРЕНИЕ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ ВРЕМЕНИ

ПЯТОЕ ИЗМЕРЕНИЕ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ ВРЕМЕНИ

Утерянное измерение

Мир имеет три пространственных и одно временное измерение (3+1) – таковы наши глубоко укоренившиеся представления о нём. Длины, ширины, высоты и времени нам достаточно для описания всего происходящего в природе. Это фундамент нашего мироздания, изменение которого неизбежно приводит к перестройке всей картины бытия. В истории человечества подобных тектонических сдвигов было три, и каждый из них «переворачивал мир» – приводил к глубоким необратимым изменениям всей ткани цивилизации: науки, технологий, макроэкономики, культуры, самоопределения человека в мире.

Так, в древнем мире пространство тоже имело три измерения, но оно представлялось плоским, статичным и ограниченным. Древние греки, находившиеся в авангарде зарождавшейся науки, представляли Землю в виде плоского диска, плавающего среди бурных волн мирового океана. И хотя Аристотель ещё в 330 году до нашей эры, основываясь на наблюдениях за изменением линии горизонта, формой тени при лунных затмениях, смещением положения созвездий в разных широтах, аргументированно доказал шарообразность Земли, споры о её форме продолжались до средневековья. Главный аргумент скептиков заключался в том, что «обратная сторона земли» не может служить местом человеческого обитания, ведь люди не могут жить «вверх ногами» – они обязательно сорвутся с поверхности и рухнут в бездну. В конце концов теория плоской Земли ушла в прошлое. Окружающий физический мир от этого никак не поменялся, но переворот в сознании изменил наши представления о нём, помог глубже понять законы природы и использовать их в практической деятельности. Колумб, как известно, открыл Америку, основываясь на представлениях о шарообразности Земли.

В XX веке устоявшийся мир Ньютона рухнул под натиском мощного разума Эйнштейна. Сегодня пространство и время уже не существуют по отдельности – они сплетены в единый четырёхмерный пространственно-временной континуум. Ткань мира стала гибкой, пластичной и напрямую зависимой от распределения материи и энергии. И всё равно, несмотря на беспрецедентный успех общей теории относительности (ОТО), пространство-время остаётся не до конца понятной сущностью. Современная фундаментальная физика бьётся над разгадкой нескольких глубоко сокрытых тайн природы:

Дискретность ткани бытия. Из чего «соткано» полотно пространства-времени? В физике всё непрерывное на поверку оказывается дискретным. Существуют ли неделимые кванты пространства, связанные с планковской длиной, и кванты времени, связанные с планковским временем?

Кошмар сингулярностей. Что в действительности происходит в сингулярностях чёрных дыр и в точке Большого взрыва? Классические уравнения ОТО в этих экстремальных точках выдают неисправимую математическую ошибку (деление на ноль), а теория сталкивается с неразрешимым логическим противоречием. Ткань пространства-времени там буквально рвется и перестаёт существовать. Неизвестно, что находится за этими пределами и как там ведут себя пространство и время.

Иллюзия времени. Существует ли время на самом деле? Является ли оно фундаментальным, неотъемлемым свойством Вселенной? Парадокс заключается в том, что в главном уравнении квантовой гравитации переменная времени вообще отсутствует. Вселенная в нём выглядит абсолютно статичной, замороженной и вневременной. Многие ведущие физики-теоретики полагают, что на глубинном микроуровне времени вообще не существует – это лишь иллюзия, возникающая в макромире для наблюдателя.

Голографический призрак. Не является ли весь наш осязаемый мир всего лишь тонкой голограммой, грандиозной оптической иллюзией? Теоретические расчёты термодинамики чёрных дыр показывают, что вся информация, содержащаяся внутри четырёхмерного пространства-времени, может быть полностью, без остатка закодирована на его двухмерной внешней границе. Подобно лазерной голограмме, наш плотный трёхмерный мир может оказаться всего лишь плоской проекцией физических процессов, происходящих на далёком 2D-экране на самом краю Вселенной.

Квантовая запутанность. Почему две запутанные элементарные частицы, даже если разнести их на противоположные концы Галактики, остаются связанными? Изменение состояния одной частицы мгновенно меняет состояние другой, что грубо нарушает релятивистский запрет на превышение скорости света. Если запутавшиеся частицы соединены между собой невидимыми пространственными туннелями – микроскопическими «кротовыми норами», то выходит, что квантовая физика управляет самой геометрией пространства-времени. Получается какой-то абсурд – как электрон или фотон могут управлять целым Солнцем?

Физики-теоретики обоснованно предполагают, что решить эти фундаментальные загадки Вселенной и наконец-то объединить все силы природы могли бы дополнительные измерения. Под ними понимаются реальные физические измерения пространства, которые скрыты от наших глаз – возможно, в силу особенностей их геометрического строения (компактификации), возможно – из-за ограничений, наложенных эволюцией на самого человека. Теории, обосновывающие вероятность существования дополнительных измерений, такие как теория суперструн или М-теория, на сегодняшний день являются главными кандидатами на роль «Новой физики», которая должна будет стать универсальным ключом к решению всех неразрешимых проблем. Следы скрытых измерений упорно ищут с помощью сложнейших экспериментов на Большом адронном коллайдере и изучая космические гравитационные волны от слияния чёрных дыр. Но до сих пор науке не удаётся найти никаких реальных, проверяемых и воспроизводимых доказательств их существования. Поэтому все многомерные теории пока остаются лишь гипотезами.

Обычная мерность стала слишком тесной для адекватного описания картины мира. Но если человек своим мятежным разумом способен понять эту тесноту, то ему по силам должно быть обнаружить и недостающую мерность. Возможно, мы просто не там её ищем? Не исключено, что мы не замечаем дополнительное измерение так же, как когда-то люди не замечали, что Земля – это объёмный шар, продолжая цепляться за плоскость. Может быть, нам нужно просто широко открыть глаза? Отказаться на время от привычной фрагментарности восприятия окружающего мира? Напротив – расширить фокус, вернуть мировоззрению целостность и системность осознания.

Что, если пятое измерение – это не дополнительная, хитро свёрнутая пространственная координата, а второе, нелинейное измерение самого времени? Что, если наш привычный мир – это всего лишь остывшая, твёрдая «кора» на поверхности пятимерного океана времени, намертво зафиксированная онтологическим фильтром и закрытая фотонным замком? На этой границе расплавленные волны времени застывают, кристаллизуясь в корпускулы и формы осязаемого материального вещества. Масса и гравитация оказываются не капризом материи, а отпечатком удержанной энергии комплексного времени.

Эта книга приглашает отважных первопроходцев к близкому и бескомпромиссному знакомству с физически существующей пятимерной реальностью. Мы найдём потерянное пятое измерение, заглянем за онтологический барьер, откроем его необычные финслеровские свойства. И главное – протестируем на собственном опыте некоторые его феноменальные возможности. Добро пожаловать в Пятое измерение!

Симметрия и экономичность

Красота в физике – это симметрия и экономичность, выраженные языком математики. Если огромные объёмы экспериментальных данных, промежуточных расчётов удаётся объяснить с помощью короткой математической формулы, то она экономична. Если формула, описывающая поведение физической системы, после перестановки частей остается прежней (инвариантной), то она симметрична.

Достижение симметрии и экономичности вызывает у физиков не просто эстетический восторг – это верные признаки рождения нового открытия или даже новой физической теории. Симметрией и экономичностью обладают законы Ньютона и Максвелла. У Эйнштейна и Минковского симметрия стала ещё более масштабной – здесь уравнения инвариантны в четырёх измерениях. К трём пространственным измерениям они добавили почти равноправное четвёртое – время, и переплели их в единый четырехмерный континуум: если двигаться или менять систему отсчета, то «кусочек» времени может превращаться в «кусочек» пространства, и наоборот. Физический смысл этой инвариантности означает, что законы гравитации одинаковы для всех наблюдателей во Вселенной, независимо от того, двигаются они с ускорением, покоятся или падают в чёрную дыру.

В квантовой теории симметрия приобрела ещё более фундаментальный характер, проявляясь в глобальных пространственно-временных, зеркальных и калибровочных симметриях. Здесь симметрия определяет сами свойства частиц и диктует, как эти частицы должны взаимодействовать. Например, если одновременно заменить частицы на античастицы, отразить в зеркале, заменив «правые» координаты на «левые», и пустить время вспять, то абсолютно любая квантовая система останется строго инвариантной, что означает, что масса и время жизни частицы и античастицы строго одинаковы. Если с квантовой системой совершить какое-то действие (повернуть, сдвинуть, поменять частицы на античастицы), вероятности исходов экспериментов и физические свойства (масса, заряды) не меняются.

Совершенно особенное явление природы – свет. Он существует не «сам по себе» как побочный продукт горения звёзд, а как затвор, обеспечивающий стабильность Вселенной – её калибровочную симметрию. Свет выступает главным защитником космоса от хаоса, восстанавливает нарушения симметрии, «подгоняет» свойства пространства и частиц друг под друга так, чтобы законы природы выполнялись везде без сбоев. Без фотонов ткань пространства-времени мгновенно расфокусировалась бы, а фермионы потеряли бы взаимную фазовую согласованность.

Свет взвалил на себя неподъемную ни для кого больше ношу: он одновременно работает как замок (калибровочная симметрия), как сила (электромагнитное взаимодействие) и как слово (транслятор информации).

Симметричность математических уравнений, лежащих в основании физических теорий, не случайна. Она отражает симметрию описываемых ими физических объектов и явлений – элементарных частиц, планет, звёзд, галактик. Симметрия – основополагающий физический принцип и инструмент Природы, посредством которого она создаёт свои вселенские шедевры. В микромире и в космосе её произведения являют нам не только красоту и гармонию, но и недостижимый для людей образец экономичной эффективности. Как звёзды, так и атомы, без всякого преувеличения, являются самыми настоящими природными «капсулами вечности», время их жизни исчисляется миллиардами лет.

Наша планета также является частью этой мировой гармонии. Силы тяготения равномерно сжимают её со всех сторон – у матери-Земли нет «точек-любимчиков» и «точек-пасынков», её объятия равны для всех. Именно поэтому Земля не является бесформенным куском горной породы, а имеет форму почти симметричного шара.

Совершенно иначе дела обстоят в срединном земном мире, в котором живёт человек. На поверхности планеты нет никакой симметрии. По ее телу в живописном беспорядке разбросаны асимметричные материки и моря, горные массивы и зелёные долины, пустыни и ледники. Её заселяют миллионы непохожих друг на друга представителей растительного и животного мира. По её поверхности хаотично, в любых направлениях перемещается человек. Он представлен только одним видом «Homo sapiens», но тоже не вписывается в систему – между людьми нет как внешней схожести, так и равенства, они отличаются по физическим и умственным способностям, по уровню материального достатка и своему социальному статусу.

Срединный мир не подчиняется уравнениям фундаментальной симметрии. Для проявления релятивистских эффектов его скорости слишком малы. Для проявления квантовых эффектов его массы слишком велики. Поэтому этот мир не представляет большого интереса для высокой физической науки, не входит в сферу приложения сил теоретической физики.

И всё-таки существует нечто, что позволяет предположить причастность человека к всеобщей мировой гармонии, а значит, и к великим физическим теориям. Это «нечто» – физическая симметрия самого человека. Его внешность зеркально симметрична, левая сторона точно такая же, как правая – у нас по два глаза, два уха, две руки, две ноги. Зеркально симметричны некоторые наши внутренние органы – полушария мозга, почки, лёгкие. Устройство органов зрения человека демонстрирует нам ещё одну симметрию – не зеркальную, но не менее удивительную. Световой сигнал, пройдя через роговицу и хрусталик, создаёт на сетчатке каждого глаза перевёрнутую и уменьшенную проекцию видимого объекта, которую наш мозг затем переворачивает обратно и превращает в привычную картину мира, Иллюстрация 1.

Иллюстрация 1. Зеркальная симметрия (право-лево) и оптическая симметрия (верх-низ)

Каждый знает, что такое зеркальная симметрия. Простейшее и ежедневное действие для человека – посмотреть на своё отражение в зеркале или на свои руки. Сложим две ладони вместе, лицом друг к другу – они идеально соприкоснутся, палец к пальцу, Иллюстрация 2. Право-левая симметрия рук очевидна. Затем разведём ладони так, чтобы только большие пальцы касались друг друга. Мы просто изменили пространственное положение рук, но картина поменялась радикально. Особенно хорошо это видно по большим пальцам – теперь они направлены не в одну, а в разные стороны. Право-левая симметрия вновь не вызывает сомнений, но это уже совершенно другая картина, не похожая на предыдущую. В этом простом примере продемонстрирован парадокс право-левой симметрии: руки кажутся абсолютно одинаковыми, но они зеркальны, и их невозможно полностью совместить в пространстве.

Иллюстрация 2. Зеркальная симметрия

Если опуститься на молекулярный уровень человеческого организма, то и там мы обнаружим зеркальную симметрию, которая в данном случае называется хиральностью, а пара молекул, представляющих собой отражение друг друга по пространственному расположению атомов, – энантиомерами. Человек, как и другая живая материя, обладает необычным свойством, называемым хиральной чистотой: в базовом метаболизме любого организма всегда задействован только один из двух возможных энантиомеров. Аминокислоты, из которых состоят белки, имеют левую хиральность (L-аминокислоты), а моносахариды, входящие в молекулы ДНК и РНК, – правую (D-моносахариды). Зеркальные молекулы обладают одинаковыми физическими свойствами (плотностью, температурой кипения, температурой плавления и т. д.), но по-разному реагируют на световое излучение, вращая плоскость поляризации света в противоположных направлениях. По-разному проявляются и их химические свойства: в ахиральных условиях они реагируют одинаково, но в хиральной среде, которой является человеческий организм, их биологическая активность может сильно различаться. Это важно в фармацевтике, когда разные энантиомеры одного и того же лекарства могут иметь совершенно разное действие: препарат может быть эффективным для лечения, но может оказаться бесполезным или даже токсичным для организма.

Зеркальная симметрия оказывается критически значимой для существования жизни и создаёт такой образ человека, при котором правая половина его тела полностью идентична левой, но эта идентичность мнимая. Левую руку нельзя переставить на место правой и наоборот. Категорически невозможно заменить правое на левое, в этом случае мы соберём набор недееспособных элементов, но никогда не получим системы – единого, жизнеспособного, деятельного целого.

Зеркальная симметрия не так элементарна, как можно было бы подумать. Неожиданно она оказывается самым странным и запутанным явлением на свете. Сегодня зеркальная симметрия находится в фокусе исследований передовой математики – топологии, теории чисел, бесконечномерных алгебр Ли. Она лежит в основе современной оптики, квантовой физики и теории струн.

Природа зеркально симметрична. Чётность, или зеркальная симметрия – один из трёх фундаментальных классов симметрии Вселенной наряду с обращением времени и зарядовым сопряжением. Закон сохранения чётности безупречно выполняется для всех сил и взаимодействий, кроме одного: в слабых взаимодействиях эта симметрия не сохраняется. Фундаментальной науке пока не удаётся понять, почему в слабых взаимодействиях участвуют исключительно «левые» частицы, спин которых направлен противоположно импульсу, в то время как «правые» полностью игнорируются. Соответственно, для античастиц всё происходит ровно наоборот: в слабом взаимодействии задействованы только «правые» античастицы. Возможно, это исключение является лишь подтверждением главного правила зеркальной симметрии – у Вселенной, как и у человека, нельзя произвольно заменить правое на левое без разрушения «центральной нервной системы» всего природного механизма.

Человек является неотъемлемой частью вселенской симметрии. Он не выведен за рамки всеобщих физических законов. Поэтому есть все основания посмотреть на человека под необычным ракурсом – не столько как на биологический объект, сколько как на физическую систему.

Загадочный спин

У частиц, помимо массы и заряда, есть фундаментальная характеристика – спин (от англ. spin – вращаться), представляющий собой их собственный, внутренний момент импульса. Это не означает, что электрон можно представить в виде крошечного вращающегося волчка. Если бы электрон действительно крутился вокруг своей оси так быстро, чтобы создать свой магнитный момент, его «экватор» должен был бы вращаться в разы быстрее скорости света. А это запрещено теорией относительности. К тому же электрон – это точечная частица, у него физически нет «экватора», который мог бы вращаться.

Хотя сам по себе спин не является механическим вращением в пространстве, он ведёт себя как маленькая стрелка компаса. Если частица летит вперед и её «стрелка» смотрит по направлению движения – у неё правая спиральность. Если же «стрелка» направлена назад, противоположно вектору движения, – левая спиральность. Если электрон (у которого есть масса) обогнать на гипотетической ракете, то для нас направление его пространственного перемещения изменится, а стрелка спина – нет, то есть его спиральность перевернётся. А безмассовый фотон всегда летит со скоростью света, его обогнать невозможно, его «стрелка» намертво привязана к направлению его калибровочного движения для абсолютно любого наблюдателя во Вселенной. Этот парадокс доказывает: спин не связан с перемещением частицы в обычном трёхмерном пространстве, но отражает существование иного пространства ее состояний, отличного от обычного пространства.

Вся Вселенная состоит из двух типов частиц: одни обладают полуцелым спином (фермионы), а другие – целым (бозоны). Различие спинов отражает разные роли частиц в устройстве мироздания: одни отвечают за материю, другие – за взаимодействия. Принцип запрета Паули налагает на фермионы строгие ограничения: в отличие от бозонов, два и более идентичных фермиона в одной квантовой системе не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. Например, если два электрона находятся на одной атомной орбитали, то три их квантовых числа одинаковы, поэтому направления проекции их спинов обязаны быть противоположными: «вверх» (+½) или «вниз» (-½). Именно поэтому вещество обладает объёмом и не схлопывается. Бозоны же являются переносчиками сил и взаимодействий, они могут собираться в одном состоянии в неограниченном количестве, формируя физические поля.

Понятие спина можно проиллюстрировать через геометрическую симметрию. Если представить спиновое число как показатель формы, оно указывает – на сколько частей нужно разделить полный оборот объекта (360°), чтобы он вернулся в состояние, неотличимое от начального. Например:

· Спин 0. Эти объекты выглядят одинаково с любой стороны, как их не вращай. Например, одноцветный мяч, круглая бусина без дырочек, просто точка. Им не нужен поворот, чтобы совпасть с самими собой.

· Спин 1. Эти объекты возвращаются в начальное состояние только при повороте на 360°. Например, лежащая на столе книга после поворота на 360° будет лежать так же, как и до поворота.

· Спин 2. Эти объекты возвращаются в начальное состояние уже после полуоборота. Например, лежащий на столе незаточенный карандаш или игральная карта после поворота на 180° будут лежать так же, как и до поворота.

· Спин ½. Это уже гораздо более сложные объекты – в начальное состояние они возвращаются только после двух полных оборотов, то есть после поворота на 720°. Наглядно это можно представить только в виде кольца Мёбиуса.

На самом деле у всех этих объектов никакого спина нет. По той простой причине, что у них нет собственного встроенного момента импульса – они не могут сами по себе развернуться. Для их поворота необходимо совершить механическую работу с приложением внешней силы. В рассмотренных примерах эту работу совершает человек, прикладывая свои усилия.

Зато собственный момент импульса есть у человека! Для разворота ему совсем не обязательно вмешательство внешних сил. Как же определить его спин? Ведь у человека много степеней свободы – он может вращаться не только относительно своей центральной вертикальной оси, но и относительно горизонтальной, относительно правого бока или левого. Определиться поможет эксперимент с рукой – главнейшим эволюционно значимым и способным к самой разнообразной моторике органом человека, Иллюстрация 3.

Возьмём чашку, нальём немного воды и поставим её на ладонь правой (если левша – левой) руки. Начнем вращать ладонь против часовой стрелки, следя, чтобы вода не вылилась. Поворот ладони на 360° привёл к полному обороту чашки, но сама рука оказалась неестественно перекручена в суставах. Мы вернули чашку в прежнюю ориентацию, но вся система (чашка + рука) не вернулась в исходное состояние. Нам придётся продолжить вращение, приложив некоторые усилия и немного поднимая руку вверх. И только совершив поворот ладони на 720°, рука вернется в привычное, комфортное для нее положение.

Иллюстрация 3. Эксперимент с рукой и чашкой – наглядная демонстрация геометрии спина 1/2

Этот эксперимент, известный в физике как «трюк с чашкой Дирака», наглядно объясняет, почему в геометрии фермионов (спин ½) поворот на 360 градусов меняет состояние частицы, а поворот на 720 градусов возвращает её «в норму». Для нас в этом эксперименте важнее другое: у человека есть собственный встроенный момент импульса, и он идеально совпадает со спином ½, что соответствует спину фермионов. Спин ½, воспринимающийся как квантовая магия, у которой нет аналогов в нашем обычном макромире, неожиданно обнаруживается у человека!

Собственный момент импульса – это не момент вращения, спин человека, как и спин элементарных частиц, нельзя свести исключительно к способностям вращения. Эксперимент с кручением руки приведён здесь лишь как наиболее простой и объективный способ определения спинового числа. В повседневной жизни возможности причудливых кульбитов спина ½ мы почти не используем, нам гораздо проще поворачиваться на 180° или 360°. Отсюда следует, что спин человека – величина переменная, подверженная флуктуациям.

Человек, как высокоорганизованная живая материя, разумеется, отличается от всей прочей материи. Однако эти различия оказываются не такими уж непримиримыми. Помимо зеркальной симметрии физическая система человека обладает наличием собственного встроенного момента импульса. Учитывая, что спин – это очень важная, но в большей степени квантовая характеристика, малообъяснимая в рамках классической физики, нам нельзя пройти мимо запутанного квантового мира.

Квантовые фокусы

Понятию «квант» (от лат. quantum – «сколько») физика обязана Максу Планку. В 1900 году он выдвинул гипотезу о том, что энергия излучается нагретыми телами не непрерывным потоком, как утверждала классическая волновая теория, а распространяется дискретными порциями – квантами. Он рассчитал величину этих «пакетов» энергии через новую константу – постоянную Планка h, которая равна 6,6 × 10 -34 Дж·с, которую также называют «квантом действия». В силу своей микроскопической величины эта фундаментальная константа делает квантовые эффекты незаметными в нашей повседневной жизни, хотя именно она определяет стабильность всей макроскопической материи.