• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
16.02.2019
Редакция Naked Science
18
32 545

Компактификация измерений: почему мы воспринимаем только четыре измерения

4.1

Одним из главных кандидатов в теорию всего считается теория струн или ее более обобщенный вариант — М-теория. Но она делает одно предсказание, которое нам вряд ли когда-нибудь удастся проверить, — скрытые, компактифицированные измерения.

измерения
©Wikipedia / Автор: Euclio Drusus

Теория струн пытается не только объединить квантовую механику с Общей теорией относительности, но и объяснить спектр частиц и сил, наблюдаемых в природе. В самой последней формулировке теории — матричной теории — 11 измерений. Ее сторонники столкнулись с одной из самых больших проблем струнных теорий — объяснением того, как именно «компактифицированы» дополнительные измерения, из-за чего их невозможно наблюдать в нашем четырехмерном мире. Компактификация также уточняет самые интересные свойства теории.

Теория струн утверждает, что мир состоит из невероятно маленьких вибрирующих струн в десятимерном пространстве-времени. В 1995 году, во время второй суперструнной революции, Эдвард Виттен предложил М-теорию, объединявшую все пять разных типов теории струн. Это 11-мерная теория, включающая супергравитацию. Среди ученых нет единого ответа на то, что означает «М» в названии, но многие теоретики сходятся во мнении, что эта буква означает «мембраны», так как в теории содержатся вибрирующие поверхности нескольких разных размерностей. В М-теории отсутствуют точные уравнения движения, но в 1996 году Том Бэнкс из Ратгерского университета и его коллеги предложили ее описание как «матричной теории», чьи основные переменные — матрицы.

Компактифицировать эту 11-мерную теорию до четырех изменений было отнюдь нелегко. Компактифицировать буквально означает «сворачивать» дополнительные измерения теории до очень малых размеров. Например, чтобы свернуть два измерения, возьмем бублик — или тор (это двумерная поверхность) — и будем сжимать его до круга или петли с маленьким поперечным сечением, а затем эту петлю сожмем до точки. Без достаточно чувствительного зонда, который смог бы зарегистрировать «сжатые» измерения, эта петля выглядит одномерной, в то время как точка — нульмерной. В М-теории предполагается, что речь идет о размерах порядка 10-33 сантиметров, что, в свою очередь, никоим образом не может быть зарегистрировано современным оборудованием. Получается, после компактификации семи измерений мир вокруг нас выглядит четырехмерным.

Эдвард Виттен / © Quanta Magazine/Jean Sweep

Но что же такое измерение само по себе? Интуитивно может показаться, что каждое измерение — это независимое направление, в котором мы (или какой-либо объект) можем двигаться. Так и получается, что мы живем в трех пространственных измерениях — «вперед-назад», «влево-вправо» и «вверх-вниз» — и одном временном — «прошлое-будущее». В целом это четыре измерения. Но наше восприятие измерений намертво завязано на масштабах.

Представьте, что вы наблюдаете за кораблем, издали плывущим в порт. Сначала он похож на нульмерную точку на горизонте. Через какое-то время вы понимаете, что у него есть мачта, указывающая в небо: теперь он выглядит как одномерная линия. Затем вы замечаете его паруса — и объект выглядит уже двумерным. Когда корабль еще больше приближается к причалу, вы наконец-то замечаете, что у него есть длинная палуба — третье измерение.

В этом нет ничего странного, как и в том, что бублик, уменьшенный до невероятных размеров, представляется нульмерной точкой. Дело в том, что мы не способны определять измерения с далеких расстояний. Это логически приводит к тому, что было описано выше: могут существовать другие измерения, но они настолько малы, что мы их не воспринимаем.

Вернемся к компактификации измерений. Вообразите, что вы — белка, живущая на бесконечно длинном стволе дерева. В той или иной мере древесный ствол — это цилиндр. Вы можете двигаться в двух независимых направлениях — «вдоль» и «вокруг». Однажды вам становится скучно, вы переселяетесь на дерево с более тонким стволом, окружность которого значительно меньше. Теперь ваше измерение «вокруг» стало намного меньше, чем раньше. Вам хватает всего двух шагов, чтобы полностью обойти ствол. Вы перепрыгиваете на еще более тонкое дерево. Теперь за один шаг вы оборачиваете ствол целых сто раз! Измерение «вокруг» стало слишком маленьким, чтобы вы его могли заметить. Чем тоньше становятся стволы деревьев, тем сильнее измерения вашего мира уменьшаются до одного.

Чем меньше дерево, на которое перепрыгивает белка, тем меньше и измерение «вокруг», в котором она может двигаться и которое может воспринимать / © WhyStringTheory.com 

Именно это в теории струн происходит с шестью (с семью — для М-теории) дополнительными измерениями. Каждый раз, двигая рукой через пространство, вы оборачиваетесь вокруг скрытых измерений невероятное количество раз.

Как было сказано выше, размеры компактифицированных измерений составляют порядка 10-33 сантиметров, что сопоставимо с планковской длиной (1,6×10-33 сантиметров). Следует отметить, что у нас вряд ли в ближайшее время появится возможность напрямую зарегистрировать их экспериментально. Тем не менее ученые надеются на некоторые испытания, результаты которых, однако, в немалой степени зависят от удачного стечения обстоятельств.

Форма и размер струн крайне важны для моделирования их вибраций и взаимодействий. Нужно понимать, как они закручиваются вокруг шести свернутых измерений. Точная структура поверхности, образованной в результате компактификации, изменяет физику, обусловленную струнами.

Существует несколько способов того, каким образом дополнительные измерения могут свернуться в столь маленькое пространство. Однако пока не известно, какой именно из этих способов в итоге приводит к традиционной физике.

Ранее было предпринято множество попыток компактифицировать матричную теорию при помощи шестерного тороида, но ничего не вышло. Никто и не думал, что предположительно более сложная задача компактификации при помощи многообразий Калаби — Яу предоставит действенные решения для рабочей теории. Компактификация измерений при помощи многообразий Калаби — Яу помогает избежать некоторых осложнений матричной теории.

Современные исследования в области теории струн в большей степени связаны с многообразиями Калаби — Яу. Это, безусловно, многообещающая группа компактификаций, но ясного ответа еще нет, а количество обнаруженных многообразий уже возросло до 10500, как недавно отметил один из струнных теоретиков Брайан Грин в подкасте у Шона Кэррола.

Шестимерные многообразия Калаби — Яу / © Vimeo/Graphene

Струнные теоретики пока далеки от ясного и однозначного понимания того, описывает ли М-теория мир на самых малых масштабах в действительности. Однако, как отметил Эдвард Виттен: «Удивительно, как можно построить теорию, включающую в себя гравитацию, но которая изначально базировалась только на калибровочной теории».

Теория струн — сложный математический аппарат. Как отмечали Клиффорд Джонсон и Брайан Грин в интервью для нашего журнала, трудно сказать, что эта теория в действительности описывает реальность. Но даже если окажется, что она не имеет ничего общего с реальностью, то она определенно станет важным шагом к чему-то большему — к теории, описывающей Вселенную точнее и элегантней, чем все, что мы знали до этого.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 11:00
НИУ ВШЭ

Северный Кавказ играл ключевую роль в древней колонизации Евразии и формировании ее культурного и генетического наследия, однако до сих пор не до конца изучена генетическая история носителей местных культур. Ученые впервые провели глубокое секвенирование древней ДНК представителей кобанской культуры, сформировавшейся в позднем бронзовом веке на Северном Кавказе, и сравнили ее с генетическими данными современных народов Кавказа. Результаты работы подтвердили роль носителей кобанской культуры как древнего генетического моста между бронзовым и железным веками на Северном Кавказе.

Вчера, 11:48
Игорь Байдов

Во время лабораторного эксперимента канадские биологи проявили неосторожность, благодаря чему узнали, что шмели куда менее уязвимы к экстремальным погодным условиям и более выносливы, чем считалось ранее.

Позавчера, 07:22
Полина Меньшова

У детей, которые чувствуют себя обузой для других, чаще возникают суицидальные мысли, выяснили специалисты из США. Кроме того, на психологическое состояние в раннем подростковом возрасте влияют некоторые действия со стороны родителей или опекунов.

Позавчера, 16:54
Ольга Иванова

Американские исследователи пришли к выводу: тихоходки способны повышать уровень продуктов генов репарации ДНК до такой степени, что это позволяет сделать их одними из самых распространенных в своем геноме. Среди прочего это помогает им выдерживать экстремальную радиацию.

Позавчера, 07:22
Полина Меньшова

У детей, которые чувствуют себя обузой для других, чаще возникают суицидальные мысли, выяснили специалисты из США. Кроме того, на психологическое состояние в раннем подростковом возрасте влияют некоторые действия со стороны родителей или опекунов.

14 апреля
Мария Азарова

Два фешен-гиганта, одни из самых известных в мире массмаркета, — шведская компания H&M и испанская Zara — оказались косвенно причастны к разрушению окружающей среды Бразилии. К такому выводу пришли авторы крупного расследования, изучившие различные данные, в том числе полученные под прикрытием.

18 марта
Игорь Байдов

Грузовой самолет будут использовать для перевозки 90-метровых лопастей ветряных турбин, которые невозможно доставить по суше из-за размеров. Предполагается, что этот аппарат произведет революцию в сфере возобновляемых источников энергии.

8 апреля
Василий Парфенов

Режим работы, количество трудовых часов в неделю и экономическую стабильность профессии прочно ассоциируют с благополучием человека. Количественно и качественно определить эти взаимосвязи получается редко — нужны большие выборки респондентов и длительное время наблюдений. Автор новой научной работы использовал долговременное исследование более чем семи тысяч американцев, чтобы выявить основные эффекты паттернов трудовой деятельности на психическое и физическое здоровье работающих людей.

28 марта
Игорь Байдов

Американская компания JetZero, которая обещает произвести фурор в гражданской авиации, получила сертификат летной годности на испытания уменьшенной копии разрабатываемого ею сверхэффективного реактивного авиалайнера со «смешанным крылом». Предстоящая программа летных испытаний будет направлена на оценку летно-технических характеристик самолета, его устойчивости и управляемости.

[miniorange_social_login]

Комментарии

18 Комментариев

DELETED
07.03.2019
0
Экспромт на тему: Сознание определяет бытие! * Нет, я – не червь, но и – не бог! – Ответил мудрецу философ. – Сознание – венец дорог, Мировоззрения есть посох! К Познанию открыт полёт Для Человека, – от Природы! Бог вездесущий, нужен лоху, – Тысячелетий Мира Гнёт! … Мудрец, не зная суть Закона, Переложил на плечи ′бога′, Тернистость судеб и дорог… – Сознание моё есть Бог! – Ему всецело доверяю, И, никому не разрешаю Вторгаться в Разум мой, итог, – Наука, как – черты порог – Всё то, что – ЗА – сума преданий, Коль не несёт крупицы Знаний, Есть некий ′опыт′ выживания Рабам, с заоблачных высот… – Воспроизводство их же крох, Себе подобных, – в назидание! … Мудрец, отсюда, – демагог, Коль его разум из Израиля, – Несёт ветхозаветный слог, – Виновен(!), – удалив в изгнание, Спасём и Мир и Мироздание, Признав, – Сознание есть Бог! * Нет, я – не червь, но, и – не бог! Поэт – я, убеждённый в Праве Сознания – над бытием, В Первичности его, и, – Славе, Не в превосходстве над червём, Не над водой, не над огнём, – Сознание – в разумном нраве, Парит и ночью, парит днём, Природа-Мать рисует в нём, Узоры собственной Нирваны! … Рубит, как Истина – Незнание, – Сознанье – вяжет Бытие! – Всегда, как воин, – на коне, И, от того – живы Предания, – Природа-Мать – наше Сознание, Заставит Русь-Россию встать, С колен рабов, – рубить на Ять, Славян спасая Изначалье! * 19 июня 2006 г., г. Москва, VicRus
DELETED
07.03.2019
0
Не хорошо, удалили все мои посты... Ну, время покажет... А говорите - интеллигентные люди -"учёные"?
Если серьезно. То всё конечно здорово. Одна беда. Теория струн - фонозависимая теория. А так то одни плюсы. Теоретики дешевы в использовании, для них нужны только карандаш и бумага, мат.аппарат прокачен до уровня "Бог" и главное,- теоретики абсолютно безвредны для окружающей среды.
Желание интерпретировать многомерие пространственно-временных отношений на манер классических в терминах "Что, Где, Когда и Почему" на наш взгляд бесперспективно в методологическом отношении. Ситуация напоминает историю с термодинамической "теорией флогистона", когда "флогистон" пытались наделить реальными физическими свойствами. Закончилась эта история возникновением статистической физики и объяснением на её основе всех тепловых процессов. Аналогично и здесь, корректнее была бы постановка вопроса о возникновении макропространственных отношений, а не о их наследовании с макроуровневого описания без всяких на то оснований.
    Владимир
    26.02.2019
    -
    0
    +
    К сожалению, я не могу здесь дать более подробное описание постановки проблемы - здесь запрещены ссылки. Однако по классификатору Orcid с параметрами 0000-0002-1435-9220, Яндекс'у или Google можно без труда найти программную статью: " Возникновение пространственно-временной определённости "
    Урюкмей
    27.02.2019
    -
    0
    +
    Владимир Александрович, а что Вы думаете на тему геометризации физики? Имеет ли смысл Лагранжиан менять на метрику, энергию на объем, заменить силы расстояниями, вместо поля метрический тензор итп. Насколько это может быть успешно?
    +
      ещё комментарии
Илья
18.02.2019
-
-1
+
Наш энергетический мир – это один из уровней гармоничного состояния покоя колебаний и амплитуд Вселенской Разумной Энергетической Системы (ВРЭС), в пределах одного энергетического поля. Остальные миры имеют другой уровень состояния покоя колебаний и амплитуд, отличный от нашего мира. Миры вплетаются и пересекаются между собой, но почти никогда не конфликтуют из-за разности уровней колебаний и амплитуд. Места, где они пересекаются, называются в народе местами силы, они обладают повышенным источником аномальных явлений. Вероятно, в тех точках, где пересекаются одновременно несколько уровней эта сила очень мощная, вся эта конструкция напоминает перепутанную рыбацкую сеть в пространстве и движении. А, при конфликте, резонансе колебаний и сбое происходят аномалии, приведения и НЛО в результате проникновения одного мира в другой. Количество миров бесконечно на всех уровнях. Все процессы, происходящие в нашем мире цикличны, и предыдущий цикл отличается от следующего наличием новой информации и, конечно, последствиями, связанными с этим. А фракталы уровня Вселенных, которые входят в резонанс становятся инициаторами образования черных дыр с одно стороны и новых звезд и планет с другой стороны. Вселенскую Разумную Энергетическую Систему (ВРЭС), люди называют именем Бог. А деление мира на материальный и идеальный вообще древнее заблуждение. Наш энергетический мир материален, в нем всё материально, в том числе и слова, и мысли и человеческий взгляд, и сны, просто тут вопрос уровней. У меня был опыт убедиться, что и зеркала имеют энергетическое воздействие на окружающую среду. Идеализм низшего уровня является материализмом высшего уровня. И так до бесконечности, как вверх, так и вниз по уровням. По сути, это подтверждение фрактальности всего мира. Это является главным в понимание сути мироздания – всё в нашем энергетическом мире материально, только всё зависит от уровней. А невозможность это подтвердить говорит о нашей слабой контрольно-измерительной аппаратуре. Материализм идеального мира доступен нам, пока, на подсознательном уровне.
    Урюкмей
    27.02.2019
    -
    0
    +
    А метрика, какая у всех этих Ваших "рыболовных" сетей?
    +
      ещё комментарии
      Илья
      27.02.2019
      -
      -1
      +
      Черт его знает, какая там метрика! Я излагаю концептуальную гипотезу и в детали пока ещё не вникал. Меня это пока не волнует, но, по некоторым аспектам мироздания могу дать соответствующее пояснение. Так, например, когда фракталы уровня Вселенных, которые входят в резонанс, они становятся инициаторами образования черных дыр с одно стороны и новых звезд и планет с другой стороны, то я могу предположить, что и звезды, и планеты имеют форму тора с почти совмещенным центром вращения, а вовсе не шара, как сейчас принято думать, и, что внутри живых планет, у которых есть электромагнитное поле находится не железоникелевое ядро, а термоядерный реактор, который и является источником жизни на всех планетах со всеми своими свойствами присущими ему.
        Урюкмей
        28.02.2019
        -
        0
        +
        Ааа. Придумал то, сам не знаю, что. Вам бы романы писать фантастические. Кроме, шуток. Очень красочная картинка получается. Живые торы бороздят просторы резонирующих фракталов..... Но пока, слава Перельману, в нашем мире планеты, как раз - сферические, а Вселенная сфера S3.
-
0
+
Если логически продолжить рассуждения о компактизации измерений, то можно придти к заключению что всё сущее образовано единственным одномерным элементом, который колеблется с невероятной частотой, эквивалентной его энергии, и образует сложную гармоничную систему колебаний, которая и разворачивается в многомерные пространства колебаний и огромное множество отдельных элементарных состояний, интерпретируемых как взаимодействующие частицы.
А что, если все эти гипотетические пространственные измерения на самом деле лежат на поверхности, очевидны и незамечаемы учёным сообществом лишь по причине углублённости в "цыфири" математических расчётов? Некогда, в далёких семидесятых, в одном из научно-популярных фильмов предлагалась некая модель построения "новых" измерений относительно уже известных: необходимо построить в пространстве бесконечную прямую которая была бы "перпендикулярна" всем предыдущим, полагая, что именно таким образом образованы известные т.е. "широта", "долгота" и "высота". "Время" предлагалось считать четвёртым "перпендикуляром" к трём указанным измерениям. А что, если... Мысль моя заключается в следующем: при внимательном рассмотрении можно в нашем реальном и осязаемом мире "обнаружить" ещё некоторое количество таких прямых, перпендикулярных прочим. Например, можно провести такую бесконечную ось в пространстве из бесконечного "микро" в бесконечное "макро". Ведь физики всего мира постоянно работают исследуя мироздание в этих двух направлениях и, возможно, открытиям здесь не будет конца. Возможно ли эту бесконечную (а обратного никто не доказал) протяжённость считать, например, "пятым" измерением? И можно далее развивать эту мысль. Например, допустить бесконечность плотности, если не в качестве "самостоятельного" измерения, то в составе предыдущего? Ну и т.п.
    Антон
    18.02.2019
    -
    0
    +
    Так и думал, что однажды встречу человека, который тоже задаётся таким, вроде бы очевидным, вопросом. Четвёртая пространственная ось, идущая из микро в макро и перпендикулярная остальным, просто обязана иметь место быть в современной физике. Достаточно спросить "Сколько чисел между нулём и единицей", чтобы осознать всю бесконечность, что там спрятана. Однако, лет за пять поисков я так и не нашёл никаких статей по этой теме, словно физика отбрасывает такую возможность ещё на этапе формирования вопроса. Александр, может, вам попадались статьи по этой теме?

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: