Трехмерный или четырехмерный?

 

У английского писателя Герберта Уэллса есть научно-фантастический роман, где рассказывается о четырехмерной Вселенной, состоящей из бесчисленного количества трехмерных миров, подобных нашему. Все они независимы, но есть область, где они пересекаются, и можно попасть в любой из них. Такая Вселенная похожа на раскрытую книгу, где веер независимых миров-страниц имеет общий корешок.

Вселенная может состоять и из полностью независимых параллельных миров, каждый из которых, подобно гладкой шелковой ленте, повторяет все изгибы соседних. Можно придумать много различных конструкции. Но все они имеют общее свойство: между событиями в разных пространственно-временных точках трехмерного мира существует связь через недоступное нашему восприятию четвертое измерение. Таким образом, можно было бы попасть в прошлое или будущее и вернуться обратно, мгновенно переместиться из одного места в другое. Вокруг нас постоянно происходили бы чудеса. Одни предметы исчезали бы без следа, другие неожиданно появлялись бы из ничего. Малиновое варенье из плотно закрытой банки могло бы оказаться на белой простыне постели, а соседский кот — внутри запертой клетки с канарейкой.

Ничего подобного в нашем мире не наблюдается. Тем не менее это еще не означает, что у него нет четвертого измерения. Оно может открываться лишь в микромире. Например, если радиус Вселенной в направлении четвертого измерения очень маленький и она похожа на огромную и тонкую четырехмерную баранку, тогда в трехмерном пространстве — шар, а в четырехмерном — кольцо. Другой пример: трехмерный мир с микроскопически тонкими отростками и руками, выходящими в четвертое измерение. Когда речь идет об очень большом и очень малом, надо быть готовым ко всяким неожиданностям. Поэтому чтобы с уверенностью говорить о трехмерности нашего мира, надо доказать, что в процессах с элементарными частицами тоже нет самопроизвольных беспричинных явлений.

Каждый из нас еще с детских лет усвоил, что ничто в мире не происходит просто так, само по себе. У каждого события есть свой резон, своя причина. Знаменитый французский математик Лаплас считал, что причинные связи событий настолько жестко увязаны между собой, что даже падение волоса с головы человека в конечном счете должно сказаться в каких-то космических явлениях, направляя их по тому или иному пути. Это, безусловно, преувеличение. Количество связей в реальном мире так велико, что неизбежно возникает элемент случайного, когда ход событий определяется игрой многих второстепенных факторов. Как говорят философы, случайность — это непознанная необходимость.

Известно, что свои представления о строгом математическом порядке Лаплас пытался применить даже к управлению государством. Когда Наполеон, питавший особое расположение к ученому, назначил его министром внутренних дел (был такой эпизод в истории Франции!), Лаплас стал действовать, согласно математическим расчетам. Понятно, что его миссия вскоре закончилась полным провалом, — учесть и предугадать все события, особенно закулисные интриги и козни, оказалось делом безнадежным. Лапласу не помогла даже разработанная им теория вероятности!

Если причинность в микромире не нарушается, то процессы там передаются от одной пространственной точки к другой без сбоев во временном порядке событий. Это можно проверить в опытах по взаимодействию элементарных частиц. Такие опыты с максимальной точностью, достижимой на современных физических приборах, были выполнены в Советском Союзе и за рубежом. Был момент, когда казалось, что эксперимент и основанные на причинности теоретические расчеты противоречат друг другу. В опытах американских физиков некоторые величины имели не тот знак, что предсказывала для них теория. Этот поразительный результат (значит, в микромире есть беспричинные события!) держался несколько лет, пока его не опровергли опыты, выполненные в Дубне. Сегодня можно с уверенностью сказать, что вплоть до расстояний, в несколько сотен раз меньших радиуса протона, никаких беспричинных явлений в природе нет. Следовательно, нет и четвертого измерения.

Необследованными остаются меньшие расстояния. И вот тут новейшие теоретические расчеты приводят к потрясающему выводу: на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами геометрического кванта, к трем известным нам измерениям — длине, ширине и высоте — должны добавиться еще шесть или даже семь новых измерений! Микроскопические черные дыры в другие миры тоже должны быть многомерными.

Каков физический смысл дополнительных степеней свободы, пока не знают даже предсказавшие их теоретики. Может, это — характеристики каких-то совершенно новых свойств мира, не похожих ни на время, ни на три известных нам пространственных координаты. Пока трудно сказать…

И в заключение совсем, казалось бы, невероятное: размерность микропространства может случайно изменяться — флюктуировать — и стать (страшно сказать!) дробной и даже иррациональной.

Такое впечатление, что теория приоткрыла завесу над чем-то совершенно необычным, для чего не хватает ни слов, ни воображения.

 

Загадки и парадоксы

 

Идея Фридмана об ограниченной в пространстве и времени расширяющейся Вселенной вошла в учебники, о ней сегодня пишут в газетах, говорит радио, показывает телевидение. Она стала частью мировоззрения каждого образованного человека. Однако в этой грандиозной, поражающей воображение картине мироздания есть темные пятна, а часть удерживающих ее теоретических «гвоздей» готова вот-вот сломаться.

Прежде всего удивляет однородность Вселенной. Как уже говорилось выше, на небольших (в космических масштабах, конечно!) участках она явно неоднородна: безвоздушное пространство, плотные планеты и звезды. Но на больших расстояниях, сравнимых с размерами скоплений галактик, распределение вещества напоминает орнамент волокон со случайными, но близкими по величине размерами деталей. Какие-то процессы сделали Вселенную равновесной. И этот экспериментальный факт трудно согласовать с гипотезой первичного взрыва. Распределение взорвавшегося вещества (инфраструктура взрыва, по терминологии специалистов) определяется игрой случайных факторов и, как правило, весьма неоднородно. Поэтому если Вселенная действительно родилась в катаклизме огненной вспышки «Биг Бэнга» с огромными перепадами плотностей и давлений, ее отдельные области-осколки должны были значительно различаться по своей массе.

Еще более удивляет необычайно высокая однородность реликтового теплового излучения — остаточного жара первичной вспышки. Температура излучения, приходящего к нам с разных направлений, в том числе и прямо противоположных, различается менее чем на сотую долю процента.

Наблюдаемая однородность Вселенной выглядит особенно загадочной, если учесть, что к нам приходят сигналы из областей, которые на протяжении всей своей истории были удалены друг от друга на такие большие расстояния, что они не успели провзаимодействовать даже с помощью самых быстрых, то есть световых, сигналов. Каким же образом они могли прийти в равновесие? По теории Фридмана это просто невозможно.

Еще один удивительный факт связан с величиной средней плотности вещества Вселенной. Из теории Фридмана следует, что если бы в первые мгновения после первичного взрыва она всего лишь на 10-53% (десятичная дробь с 54 нулями после запятой!) превосходила критическую, при которой мир становится полностью замкнутым, то силы тяготения превозмогли бы инерцию первичного взрыва и расширение Вселенной давным-давно сменилось бы ее сжатием, и теперь наблюдалось бы не разбегание галактик, а их быстрое сближение. С другой стороны, если бы плотность взорвавшейся материи на 10-53% была бы меньше критической, расширение пространства происходило бы значительно быстрее, и современная средняя плотность материи в нашем мире была бы во много-много раз меньше наблюдаемой. Другими словами, наша Вселенная родилась с плотностью, которая почему-то фантастически близка к критической. Почему так произошло? В теории Фридмана нет объяснения и этой загадке. Чтобы ее объяснить, нужны какие-то совершенно новые физические идеи.

Загадку начальной плотности иногда называют также «проблемой абсолютно плоского мира». Если плотность больше критической, мир, образно говоря, вогнутый, если меньше — он выпуклый (как говорят дети, «впуклый» и «выпуклый»!). В промежуточном случае — мир плоский. Наша Вселенная почему-то предпочла родиться плоской (с точностью 10-53%!), хотя это только одна из бесчисленного количества возможностей. Трудно думать, что это — случайность. Этому есть какая-то важная причина.

Не находят никакого объяснения в теории Фридмана или объясняются ею с трудом, ценой дополнительных, плохо обоснованных гипотез, и некоторые другие экспериментальные факты. Например, не понятно, почему не удается поймать ни одного магнитного монополя, хотя, как это следует из расчетов, они должны были бы в большом количестве родиться в раскаленном веществе юной Вселенной.

Все это говорит о том, что теория Фридмана нуждается в дальнейшем усовершенствовании. А поскольку трудности этой теории, как правило, связаны с начальным периодом жизни Вселенной, можно думать, что прежде всего следует уточнить описание свойств мира в окрестностях «особой точки» в первые доли секунды после его рождения.

Теория Фридмана и лежащая в ее основе общая теория относительности Эйнштейна имеют дело лишь с геометрическими свойствами природы. Никаких сведений о заполняющей пространство материи они не используют. Достаточно знать ее плотность, а что это за материя, каковы ее конкретные свойства — это для теории Эйнштейна-Фридмана не существенно. Такой подход оправдан на больших расстояниях, где гравитационные силы, определяющие кривизну и другие геометрические свойства нашего мира, можно рассматривать отдельно от электромагнитных и ядерных взаимодействий. Но в микромире, где силы становятся величинами одного порядка, такое приближение уже не верно. Там само пустое пространство зависит от свойств физических процессов. В нем постоянно рождаются и исчезают частицы. Вспомним испарение черных дыр вследствие «кипения» окружающего их вакуума. Такое «кипение» происходит во всем бесконечном пространстве, и его интенсивность (густота рождающихся пар частиц и античастиц) определяет основной, нулевой уровень мира — вакуум. Только что родившаяся Вселенная имела ультрамалые размеры, и ее вакуум был совсем не таким, как в современном мире. Влияло это и на ритм времени. В первые мгновения после рождения Вселенной пространство и время нельзя было рассматривать отдельно от вещества. Вот в этом направлении и следует совершенствовать теорию Фридмана.

Сама по себе идея о тесной связи свойств пространства и времени со свойствами физических процессов далеко не нова. Немецкий математик Бернгард Риман, которому мы обязаны созданием математической теории искривленных и многомерных пространств, высказал ее еще более ста лет назад.

«Эмпирические понятия, на которых основывается установление пространственных метрических отношений, — говорил он в своих лекциях в Геттингенском университете, — понятия твердого тела и светового луча, по-видимому, теряют всякую определенность в бесконечно малом, поэтому метрические отношения там не отвечают нашим геометрическим допущениям».

Эти убеждения разделял и Эйнштейн. Последние сорок лет своей жизни, большую ее часть, он целиком посвятил созданию единой теории электромагнетизма и тяготения. Экспериментальных данных, которые могли бы подсказать ему ведущую идею, в то время было еще недостаточно, а на основании одних только теоретических соображений построить новую теорию не удалось. К созданию единой теории всех сил природы, объединяющей ее геометрические и материальные свойства, физики смогли приступить лишь совсем недавно, после того, как лучше разобрались в свойствах элементарных частиц.