В котором просим наших ученых ответить на довольно простые, на первый взгляд, но спорные вопросы читателей. Для вас мы выбрали самые интересные ответы экспертов ПостНауки.

Всем знакомо сокращение 3D, означающее «трёхмерный» (буква D - от слова dimension - измерение). Например, выбирая в кинотеатре фильм с пометкой 3D, мы точно знаем: для просмотра придётся надеть специальные очки, но зато картинка будет не плоской, а объёмной. А что такое 4D? Существует ли «четырёхмерное пространство» в реальности? И можно ли выйти в «четвёртое измерение»?

Чтобы ответить на эти вопросы, начнём с самого простого геометрического объекта - точки. Точка нульмерна. У неё нет ни длины, ни ширины, ни высоты.

// 8-cell-simple

Сдвинем теперь точку по прямой на некоторое расстояние. Допустим, что наша точка - остриё карандаша; когда мы её сдвинули, она прочертила отрезок. У отрезка есть длина, и больше никаких измерений: он одномерен. Отрезок «живёт» на прямой; прямая является одномерным пространством.

Возьмём теперь отрезок и попробуем его сдвинуть так, как раньше точку. Можно представить себе, что наш отрезок - это основание широкой и очень тонкой кисти. Если мы выйдем за пределы прямой и будем двигаться в перпендикулярном направлении, получится прямоугольник. У прямоугольника есть два измерения - ширина и высота. Прямоугольник лежит в некоторой плоскости. Плоскость - это двумерное пространство (2D), на ней можно ввести двумерную систему координат - каждой точке будет соответствовать пара чисел. (Например, декартова система координат на школьной доске или широта и долгота на географической карте.)

Если сдвинуть прямоугольник в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой он лежит, получится «кирпичик» (прямоугольный параллелепипед) - трёхмерный объект, у которого есть длина, ширина и высота; он расположен в трёхмерном пространстве, в таком, в каком живём мы с вами. Поэтому мы хорошо представляем себе, как выглядят трёхмерные объекты. Но если бы мы жили в двумерном пространстве - на плоскости, - нам пришлось бы изрядно напрячь воображение, чтобы представить себе, как можно сдвинуть прямоугольник, чтобы он вышел из той плоскости, в которой мы живём.

Представить себе четырёхмерное пространство для нас также довольно непросто, хотя очень легко описать математически. Трёхмерное пространство - это пространство, в котором положение точки задаётся тремя числами (например, положение самолёта задаётся долготой, широтой и высотой над уровнем моря). В четырёхмерном же пространстве точке соответствует четвёрка чисел-координат. «Четырёхмерный кирпич» получается сдвигом обычного кирпичика вдоль какого-то направления, не лежащего в нашем трёхмерном пространстве; он имеет четыре измерения.

На самом деле мы сталкиваемся с четырёхмерным пространством ежедневно: например, назначая свидание, мы указываем не только место встречи (его можно задать тройкой чисел), но и время (его можно задавать одним числом, например количеством секунд, прошедших с определенной даты). Если посмотреть на настоящий кирпич, у него есть не только длина, ширина и высота, но ещё и протяженность во времени - от момента создания до момента разрушения.

Физик скажет, что мы живём не просто в пространстве, а в пространстве-времени; математик добавит, что оно четырёхмерно. Так что четвёртое измерение ближе, чем кажется.

Трехмерное пространство – имеет три однородных измерения: высоту, ширину и длину. Это геометрическая модель нашего материального мира.

Чтобы понять природу физического пространства, вначале надо ответить на вопрос о происхождении его размерности. Поэтому значение размерности, как видно, самая значительная характеристика физического пространства.

Размерность пространства

Размерность – наиболее общее количественно выражаемое свойство пространства-времени. В настоящее время физическая теория, претендующая на пространственно-временное описание реальности, берет значение размерности в качестве исходного постулата. Понятие числа измерений, или размерности пространства, относится к наиболее фундаментальным понятиям математики и физики.

Современная физика вплотную подошла к ответу на метафизический вопрос, который был поставлен еще в работах австрийского физика и философа Эрнста Маха: «Почему пространство трехмерное?». Считается, что факт трехмерности пространства связан с фундаментальными свойствами материального мира.

Развитие процесса из точки порождает пространство, т.е. место, где должна происходить реализация программы развития. «Порождаемое пространство «есть для нас форма Вселенной, или форма материи во Вселенной».

Так считали в древности…

Еще Птолемеем было написано на тему о размерности пространства, где он утверждал, что в природе не может существовать более трех пространственных измерений. В своей книге «О небе» еще один греческий мыслитель Аристотель писал, что лишь наличие трех измерений обеспечивает совершенство и полноту мира. Одно измерение, рассуждал Аристотель, образует линию. Если добавить к линии другое измерение, получим поверхность. Дополнение поверхности еще одним измерением образует объемное тело.

Выходит, что «выйти за пределы объемного тела к чему-то другому уже нельзя, так как всякое изменение происходит в силу какого-либо недостатка, а таковой здесь отсутствует. Приведенный ход мысли Аристотеля страдает одной существенной слабостью: остается неясным, по какой причине именно трехмерное объемное тело обладает полнотой и совершенством. В свое время Галилей справедливо высмеял мнение о том, что «число «3» есть число совершенное и что оно наделено способностью сообщать совершенство всему, что обладает троичностью».

Чем определяется мерность пространства

Пространство обладает бесконечной протяженностью по всем направлениям. Однако при этом оно может быть измеряемо лишь в трех независимых друг от друга направлениях: в длину, ширину и высоту; эти направления мы называем измерениями пространства и говорим, что наше пространство имеет три измерения, что оно трехмерное. При этом «независимым направлением мы в этом случае называем линию, лежащую под прямым углом к другой. Таких линий, т.е. лежащих одновременно под прямым углом одна к другой и не параллельных между собою, наша геометрия знает лишь три. То есть мерность нашего пространства определяется количеством возможных в нем линий, лежащих под прямым углом одна к другой. На линии другой линии не может быть – это одномерное пространство. На поверхности возможны 2 перпендикуляра – это двумерное пространство. В «пространстве» три перпендикуляра – это трехмерное пространство».

Почему пространство трехмерное?

Редкий в земных условиях опыт материализации людей часто оказывают на очевидцев физическое воздействие…

Но, в представлениях о пространстве и времени есть еще много неясного, порождающего непрекращающиеся дискуссии ученых. Почему наше пространство имеет три измерения? Могут ли существовать многомерные миры? Возможно ли существование материальных объектов вне пространства и времени?

Утверждение, что физическое пространство обладает тремя измерениями, имеет столь же объективный характер, как и утверждение, к примеру, что существует три физических состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное; оно описывает фундаментальный факт объективного мира. И. Кант подчеркнул, что причина трехмерности нашего пространства еще неизвестна. П. Эренфест и Дж. Уитроу показали, что если бы число измерений пространства было больше трех, то существование планетарных систем было бы невозможным – лишь в трехмерном мире могут существовать устойчивые орбиты планет в планетных системах. То есть трехмерный порядок материи является единственно стабильным порядком.

Но трехмерность пространства не может утверждаться как некая абсолютная необходимость. Это физический факт, подобный любому другому, и, как следствие, он подлежит тому же самому виду объяснения.

Вопрос о том, почему наше пространство трехмерное, может решаться или с позиции телеологии, исходящей из ненаучного утверждения, что «трехмерный мир самый совершенный из возможных миров», или с научноматериалистических позиций, основываясь на фундаментальных физических закономерностях.

Мнение современников

Современная физика говорит о том, что характеристика трехмерности состоит в том, что она, и только она, дает возможность формулировать для физической реальности непрерывные причинные законы. Но, «современные концепции не отражают истинного состояния физической картины мира. В наше время ученые рассматривают пространство как некую структуру, состоящую из множества уровней, которые также неопределенны. И потому не случайно современная наука не может дать ответ на вопрос, почему наше пространство, в котором мы живем и которое обозреваем – трехмерное».

Теория связанных пространств

В параллельных мирах события происходят по-своему, они могут…

«Попытки искать ответ на этот вопрос, оставаясь только в пределах математики, обречена на неудачу. Ответ может содержаться в новой малоразработанной области физики». Попробуем найти ответ на этот вопрос исходя из положений рассматриваемой физики связанных пространств.

Согласно теории связанных пространств, развитие объекта идет в три этапа, при этом каждый этап развивается вдоль своего выделенного направления, т.е. вдоль своей оси развития.

На первом этапе развитие объекта идет вдоль первоначального выделенного направления, т.е. имеет одну ось развития. На втором этапе происходит поворот системы, образованной на первом этапе, на 90°, т.е. происходит изменение направления пространственной оси, и развитие системы начинает идти вдоль второго выделенного направления, перпендикулярного первоначальному. На третьем этапе снова происходит поворот развития системы на 90°, и она начинает развиваться вдоль третьего выделенного направления, перпендикулярного первым двум. В результате образуются три вложенные друг в друга сферы пространства, каждое из которых соответствует одной из осей развития. Причем все три указанные пространства связаны в единое устойчивое образование физическим процессом.

А потому как данный процесс реализуется на всех масштабных уровнях нашего мира, то все системы, в том числе и сами координаты, построены по триадному (трехкоординатному) принципу. Отсюда следует, что в результате прохождения трех этапов развития процесса естественным образом формируется трехмерное пространство, образованное как следствие физического процесса развития тремя координатными осями трех взаимно перпендикулярных направлений развития!

Эти разумные сущности возникли на самой заре существования Вселенной…

Не зря Пифагору, который, как видно, мог обладать этим знанием, принадлежит выражение: «Все вещи состоят из трех». Об этом же говорится и у Н.К. Рериха: «Символ Триединости имеет огромную древность и встречается во всем Мире, потому он не может быть ограничен какой-либо сектой, организацией, религией или традицией, а также личными или групповыми интересами, потому как представляет эволюцию сознания во всех ее фазах… Знак триединости оказался раскинутым по всему миру… Если собрать вместе все отпечатки того же самого знака, то, возможно, он окажется самым распространенным и древнейшим среди символов человеческих. Никто не может утверждать, что этот знак принадлежит только одному верованию или основан на одном фольклоре».

Не зря еще в древние времена наш мир представлялся как триединое божество (три слитое в один): нечто одно, целое и неделимое, по своей сакральной значимости намного превосходящее исходные величины.

Мы проследили пространственную специализацию (распределение по координатным направлениям пространства) внутри отдельно взятой системы, но точно такое же распределение мы можем видеть и в любом социуме от атома до галактик. Данные три разновидности пространства являются не чем иным, как тремя координатными состояниями геометрического пространства.

Мы привыкли к трем измерениям нашей Вселенной - в длину, в ширину и в глубину. Мы можем представить, как выглядели бы в усеченных измерениях - на плоскости в 2D или вдоль линии в 1D - но представить, как выглядели бы вещи при большем числе измерений, довольно трудно (если вообще возможно). Мы просто не можем представить, как что-то движется в направлении, которое как бы не входит в наше понятие о пространстве. Нашей Вселенной присуще четвертое измерение (время), но она также обладает лишь тремя пространственными. Внимание, вопрос:

Каково было бы людям, если бы число измерений в нашем мире менялось, как времена года? Допустим, полгода мы жили бы в трех измерениях, а другие полгода - в четырех.

Представьте, если можете, что имеете возможность двигаться в дополнительном направлении, помимо вверх-вниз, север-юг, запад-восток. Представьте для начала, что вы единственный в мире, кто так может.

Для кого-то в трехмерном мире вы могли бы делать невероятные вещи, которые - во многом - сделали бы вас богоподобным:

• вы могли бы телепортироваться из одного места в другое, исчезая в одном месте и появляясь где-нибудь еще;
• вы могли бы переставлять или удалять чужие внутренние органы, осуществляя хирургию без необходимости вскрывать кому-то тело;
• вы могли бы просто убрать кого-то из трехмерной Вселенной, в которой он живет, поместив его через некоторое время в другое место по вашему желанию.

Как это возможно? Представьте, что вы - трехмерное существо - взаимодействуете с двумерной вселенной, как с набором для аппликации на листе бумаги.

С точки зрения нашего дополнительного пространственного измерения мы могли бы попасть внутрь двумерного существа и двигать его внутренности, не разрезая его. Мы могли бы перевернуть его, поменять местами лево и право. Могли бы «забрать» его из его вселенной и поместить куда-то еще.

И если бы мы сами, трехмерные существа, решили попасть бы в их двумерную вселенную, мы выглядели бы странно, поскольку местные жители могли бы видеть лишь двумерные нарезки в отдельно взятый момент.

Сначала мы бы появились бы в виде двух отпечатков ног,

• потом переросли бы в два круга, по мере нашего «снижения» через их вселенную,
• круги росли бы, пока не соединились в овал,
• затем рядом с ними бы появились другие кружочки (пальцы),
• переросли бы в два больших круга (кисти, руки), вместе с овалом,
• потом все слилось бы в одну большую часть наших плеч,
• затем сузилось бы, выросло и растворилось в наших шеях и головах.

К счастью, в нашей Вселенной не проживают четырехмерные существа, поскольку они казались бы нам игнорирующими физические законы божественными существами. Но что, если мы окажемся не самыми многомерными созданиями во Вселенной, а у самой Вселенной будет больше измерений, чем сейчас? Стоит отметить, что это вполне возможно; доказано, что в прошлом у Вселенной могло быть больше измерений.

В контексте общей теории относительности весьма просто выстроить пространственно-временные рамки, в которых число «больших» (то есть макроскопических) измерений изменялось бы со временем. Вы не только могли располагать большим числом измерений в прошлом, но и в будущем вам вполне может выпасть такой шанс; вы вообще могли бы построить пространство-время, в котором это число будет колебаться, изменяясь в большую и меньшую сторону со временем, снова и снова.

Для начала все круто: у нас может быть Вселенная с четвертым - дополнительным - пространственным измерением.

Итак, это круто, но как это будет выглядеть? Обычно мы не думаем о таком, но четыре фундаментальных взаимодействия - гравитация, электромагнетизм и два ядерных взаимодействия - обладают такими свойствами и силами, поскольку существуют при тех измерениях, которыми располагает наша Вселенная. Если бы мы уменьшили или увеличили число измерений, мы бы изменили то, как, например, распространяются линии силового поля.

Если бы это затронуло электромагнетизм или ядерные силы, случилась бы катастрофа.

Представьте, что вы смотрите на атом или внутри атома смотрите на атомное ядро. Ядра и атомы являются строительными кирпичиками всей материи, из которой состоит наш мир, и измеряются мельчайшими расстояниями: ангстрем для атомов (10^-10 метра), фемтометры для ядер (10^-15 метра). Если бы вы позволили этим силам «утекать» в другое пространственное измерение, что они могли бы осуществить только если это измерение достигнет достаточно больших размеров, изменились бы законы взаимодействий, управляющие работой этих сил.

В целом эти силы будут иметь больше «пространства» для разбегания, а значит будут быстрее становиться слабее на дистанции, если будет больше измерений. Для ядер это изменение будет не таким уж плохим: размеры ядер будут больше, некоторые ядра изменят свою стабильность, станут радиоактивными или, напротив, от радиоактивности избавятся. Это ладно. Но с электромагнетизмом будет сложнее.

Представьте, что случилось бы, если бы вдруг силы, связывающие электроны с ядрами, стали слабее. Если бы произошло изменение силы этого взаимодействия. Вы не думаете об этом, но на молекулярном уровне единственное, что вас удерживает, это относительно слабые связи между электронами и ядрами. Если вы измените эту силу, вы измените конфигурации всего остального. Ферменты денатурируют, белки изменят форму, лиганды разойдутся; ДНК не будет кодироваться в молекулах, в которых должна.

Другими словами, если электромагнитная сила изменится, поскольку начнет распространяться в крупное четвертое пространственное измерение, которое достигнет размеров ангстрема, тела людей моментально развалятся, и мы умрем.

Но не все потеряно. Есть много моделей - в основном разработанных в рамках теории струн - где эти силы, электромагнитные и ядерные, ограничены тремя измерениями. Только гравитация может проходить через четвертое измерение. Для нас это означает, что если четвертое измерение будет расти в размере (и, следовательно, в последствиях), гравитация будет «кровоточить» в дополнительное измерение. Следовательно, объекты будут испытывать меньшее притяжение, чем то, к которому привыкли мы.

Все это приведет к проявлению «странного» поведения у разных вещей.

Астероиды, например, - которые сцепились вместе - разлетятся, поскольку их гравитации окажется недостаточно, чтобы удержать камни вместе. Кометы, приближаясь к Солнцу, будут испаряться быстрее и демонстрировать еще более красивые хвосты. Если четвертое измерение вырастет достаточно большим, на Земле сильно уменьшатся гравитационные силы, в результате чего наша планета вырастет больше, особенно вдоль экватора.

Люди, живущие вблизи полюсов, почувствуют себя словно в среде с уменьшенной гравитацией, а люди на экваторе окажутся в опасности улететь в космос. На макроуровне знаменитый закон тяготения Ньютона - закон обратных квадратов - внезапно станет законом обратного куба, сильно уменьшая силу тяжести с расстоянием.

Если измерение достигнет размеров дистанции от Земли до Солнца, все в Солнечной системе окажется развязанным. Даже если это будет длиться всего пару дней в году - и если гравитация будет в норме каждые три месяца - наша полностью развалится всего за сто лет.

На Земле настали бы времена, когда мы не только получили бы возможность передвигаться «дополнительным» путем через пространстве, когда обзавелись бы не только дополнительным «направлением», помимо вверх-вниз, влево-право и вперед-назад, но и когда свойства гравитации изменились бы в худшую сторону. Мы прыгали бы выше и дальше, но последствия для ныне стабильной Вселенной были бы апокалиптическими.

Поэтому мечтать о появлении четвертого измерения точно не стоит. Впрочем, есть и позитивная нотка. Нам не пришлось бы беспокоиться о глобальном потеплении, поскольку увеличение расстояния до Солнца сильно охладило бы наш мир, быстрее, чем нарастающий атмосферный углекислый газ его нагревает.

Запускает проект «Вопрос учёному», в рамках которого специалисты будут отвечать на интересные, наивные или практичные вопросы. В этом выпуске кандидат физико-математических наук Илья Щуров рассказывает о 4D и о том, можно ли выйти в четвёртое измерение.

Что такое четырёхмерное пространство («4D»)?

Илья Щуров

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры высшей математики НИУ ВШЭ

Начнём с самого простого геометрического объекта - точки. Точка - нульмерна. У неё нет ни длины, ни ширины, ни высоты.

Сдвинем теперь точку по прямой на некоторое расстояние. Допустим, что наша точка - остриё карандаша; когда мы её сдвинули, она прочертила отрезок. У отрезка есть длина, и больше никаких измерений - он одномерен. Отрезок «живёт» на прямой; прямая является одномерным пространством.

Возьмём теперь отрезок и попробуем его сдвинуть, как раньше точку. (Можно представить себе, что наш отрезок - это основание широкой и очень тонкой кисти.) Если мы выйдем за пределы прямой и будем двигаться в перпендикулярном направлении, получится прямоугольник. У прямоугольника есть два измерения - ширина и высота. Прямоугольник лежит в некоторой плоскости. Плоскость - это двумерное пространство (2D), на ней можно ввести двумерную систему координат - каждой точке будет соответствовать пара чисел. (Например, декартова система координат на школьной доске или широта и долгота на географической карте.)

Если сдвинуть прямоугольник в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой он лежит, получится «кирпичик» (прямоугольный параллелепипед) - трёхмерный объект, у которого есть длина, ширина и высота; он расположен в трёхмерном пространстве - в таком, в каком живём мы с вами. Поэтому мы хорошо представляем себе, как выглядят трёхмерные объекты. Но если бы мы жили в двумерном пространстве - на плоскости - нам пришлось бы изрядно напрячь воображение, чтобы представить себе, как можно сдвинуть прямоугольник, чтобы он вышел из той плоскости, в которой мы живём.

Представить себе четырёхмерное пространство для нас также довольно непросто, хотя очень легко описать математически. Трёхмерное пространство - это пространство, в котором положение точки задаётся тремя числами (например, положение самолёта задаётся долготой, широтой и высотой над уровнем моря). В четырёхмерном же пространстве точке соответствует четвёрка чисел-координат. «Четырёхмерный кирпич» получается сдвигом обычного кирпичика вдоль какого-то направления, не лежащего в нашем трёхмерном пространстве; он имеет четыре измерения.

На самом деле мы сталкиваемся с четырёхмерным пространством ежедневно: например, назначая свидание, мы указываем не только место встречи (его можно задать тройкой чисел), но и время (его можно задавать одним числом - например, количеством секунд, прошедших с определённой даты). Если посмотреть на настоящий кирпич, у него есть не только длина, ширина и высота, но ещё и протяженность во времени - от момента создания до момента разрушения.

Физик скажет, что мы живём не просто в пространстве, а в пространстве-времени; математик добавит, что оно четырёхмерно. Так что четвёртое измерение ближе, чем кажется.

Задачи:

Привести какой-нибудь другой пример реализации четырёхмерного пространства в реальной жизни.

Определить, что такое пятимерное пространство (5D). Как должен выглядеть 5D-фильм?

Ответы просьба присылать на e-mail: [email protected]

Человек, идущий вперед, двигается в одном измерении. Если он же подпрыгнет или изменит направление влево или вправо, то освоит еще два измерения. А проследив свой путь при помощи наручных часов, проверит на практике действие четвертого.

Есть люди, которые ограничиваются этими параметрами окружающего мира и их особо не волнует то, что дальше. Но также есть и ученые, готовые идти за горизонты привычного, превращая мир в свою огромную песочницу.

Мир за гранью четырех измерений

Согласно теории многомерности, выдвинутой еще в конце восемнадцатого начале девятнадцатого века Мебиусом, Якоби, Плюкхером, Кели, Риманом, Лобачевским, мир совсем не четырехмерный. Он рассматривался как некая математическая абстракция, в которой нет особого смысла, а многомерность возникала как атрибут этого мира.

Особенно интересны в этом смысле работы Римана, в которой привычной геометрии Евклида была сделана подножка и показано, каким необычным может быть мир людей.

Пятое измерение

В 1926 году шведский математик Клейн, в попытке обосновать явление пятого измерения, сделал смелое предположение, что человек не способен наблюдать его потому, что оно очень малого размера. Благодаря данной работе появились интересные труды, посвященные многомерной структуре пространства, огромная часть которых относится к квантовой механике и достаточно трудна для понимания.

Митио Каку и многомерность бытия

Согласно работам еще одного американского ученого японского происхождения, мир людей имеет намного больше измерений, чем пять. Он выдвигает интересную аналогию о карпах плавающих в . Для них есть только этот пруд, есть три измерения, в которых они могут двигаться. И не понимают, что чуть выше грани воды открывается новый неизведанный мир.

Так и человек не может познать мир за пределами своего «пруда», а на самом деле измерений может быть бесконечное множество. И это не просто эстетические интеллектуальные изыскания ученого. Некоторые физическое особенности известного человеку мира, гравитация, волны света, распространение энергии, имеют определенные несоответствия и странности. Объяснить их с точки зрения обычного четырехмерного мира невозможно. Но если добавить еще несколько измерений, все становится на свои места.

Человек не может своими органами чувств охватить все измерения, которые имеются . Однако то, что они существуют, уже научный факт. И с ними можно работать, познавать, выявлять закономерности. И, возможно, когда-нибудь человек научится понимать то, насколько огромен, сложен и интересен окружающий его мир.