Готовый перевод This is / This is: This is

В 1919 году практически неизвестный немецкий математик Теодор Калуца предложил очень смелую, даже странную идею. Она заключалась в том, что наша вселенная может иметь больше чем те три измерения, к которым мы все привыкли.

В дополнение к направлениям вправо-влево, вперед-назад и вверх-вниз. Калуца предложил, что могут быть дополнительные измерения пространства, которые мы по каким-то причинам не видим.

Когда кто-то предлагает смелую и странную теорию часто она так и остается просто смелой и странной, не меняя наше представление об окружающем мире.
Конкретно насчет этой теории — мы пока что не знаем, в чем она права, а в чем нет, но эксперименты в течение следующих трех лет могут дать нам ответ.

Эта теория оказала сильное влияние на развитие физики 20 века и продолжает вызывать множество споров. Я бы хотел рассказать вам кое-что об истории этих более чем трех измерений.
Итак, начнем.

Для начала немного предыстории, вернемся в 1907 год — год, когда Эйнштейн грелся в лучах славы после открытия теории относительности и решил взяться за новый проект — попытаться полностью понять принцип распространения силы гравитации.

В то время многие думали, что эта задача уже была решена: Ньютон дал миру теорию гравитации в конце шестнадцатого века, которая отлично работала и объясняла движение планет, движение Луны и тому подобное. Даже движение яблок, падающих с деревьев людям на голову.

Все это могло быть объяснено теорией Ньютона, но Эйнштейн понимал, что он упустил что-то очень важное, потому что даже сам Ньютон писал, что хотя и знает, как вычислить эффект от силы тяжести, он не может понять, как она на самом деле работает, как Солнце на расстоянии 150 миллионов километров каким-то образом влияет на движение Земли, как оно достигает Земли через пустое пространство и оказывает влияние на нее.

Это и есть задача, которую Эйнштейн поставил перед собой — выяснить, как работает гравитация, и я хочу показать вам, что же он обнаружил. Итак, Эйнштейн выяснил, что посредником, который переносит гравитацию и есть само пространство. Идея заключалась в следующем: вообразите, что пространство представляет из себя подложку. Пространство плоское, если на нем нет материи, но если есть, например, Солнце, то эта материя заставляет ткань пространства деформироваться, изгибаться и таким образом передается сила гравитации, даже Земля деформирует пространство вокруг себя.

Теперь посмотрите на Луну. Согласно этой теории Луна остается на своей орбите потому что она катается по впадине в искривленном пространстве, которое Солнце, Луна и Земля могут создавать самим фактом своего существования.

Полная картина такова — Земля сама остается на своей орбите потому что катается по впадине, образованной в пространстве из-за существования Солнца.

В этом и заключается новая теория о том, как, в действительности работает гравитация. Эта теория была проверена в 1919 году при помощи астрономических наблюдений, она действительно работала, она объясняла полученные данные, и это принесло Эйнштейну мировую известность, а так же заставила задуматься Калуца.

Он, как и Эйнштейн, искал то, что мы называем "Общей теорией". Это одна теория, которая может объяснить все силы природы, основываясь на одном определенном наборе понятий, одном наборе основ, одном главном уравнении, если не возражаете. Калуца сказал себе: "Эйнштейн смог объяснить гравитацию в терминах искривления линий в пространстве, — на самом деле во времени и пространстве, если быть более точным. — Может быть я заодно смогу поступить так же с другой известной силой?" — которая в то время была известна как электромагнитная сила.

Сейчас мы знаем и другие силы, но в те времена была только одна "другая", люди думали примерно так: "сила, отвечающая за электричество и магнитное взаимодействие" и так далее.

Итак, Калуца сказал: "Возможно, я могу сделать то же самое и описать электромагнитную силу в терминах искривления линий?"
Но тогда встает вопрос: "Искривление линий в чем?".
Эйнштейн уже использовал искривление линий во времени и пространстве для объяснения гравитации, и не было ничего другого, в чем можно было бы искривлять линии.

Тогда Калуца сказал: "Ну что ж, возможно есть больше измерений пространства, если я хочу описать еще одну силу — может быть мне нужно еще одно измерение".

Он представил, что в мире существует четыре измерения пространства, а не три, и предположил, что электромагнетизм изгибает линии в этом четвертом пространстве.И в вот в чем штука — когда он описывал уравнения, объясняющее искривление линий и Вселенную с четырьмя измерениями пространства, а не с тремя, он нашел старые уравнения, которые Эйнштейн уже вывел в трех измерениях и которые объясняли гравитацию, но он нашел еще одно уравнение из-за еще одного дополнительного измерения.

Когда он посмотрел на него — оно было ничем иным, как тем уравнением, которое ученые давно знали и использовали для описания электромагнитной силы.
Потрясающе.
Это было озарение.

Он был настолько поражён этим открытием,что он просто бегал кругами по своему дому с криком: "Победа!", — он открыл объединённую теорию. Вообще, Калуца был таким человеком, который воспринимал теорию очень серьезно, даже есть история — он как-то захотел научиться плавать, он прочитал книгу "как научиться плавать"... И просто прыгнул в океан.

Это человек, который доверил бы свою жизнь теории.
Теперь у тех из нас, кто мыслит более практично возникает два вопроса из его наблюдений.
Первый — если есть больше измерений пространства, то где они?

Мы их не видим. И номер два — работает ли эта теория в частностях, когда мы пробуем применить ее к миру вокруг нас?
Ответ на первый вопрос был дан в 1926 году Оскаром Клейном, он предложил, что измерения могут быть в двух видах — могут быть большие и хорошо видимые измерения, но так же могут быть и крошечные, сжатые измерения, сжатые настолько, что несмотря на то, что они вокруг нас, мы их все-равно не можем видеть.

Давайте я вам продемонстрирую. Представьте, что вы смотрите на что-нибудь типа кабеля, поддерживающего светофор, это в Манхеттене, в Центральном парке. Кабель выглядит одномерным с удаленной точки наблюдения, но вы все знаете, что он обладает определенной толщиной, ее очень сложно увидеть издалека, но если мы приблизимся и взглянем, скажем, с точки зрения муравья, то поймем, что они настолько малы, что могут попасть во все измерения.

Они могут перемещаться как в длину, так и по часовой стрелке, а так же против часовой стрелки. Надеюсь, вы оцените, было очень трудно заставить муравьев это сделать.

Это наглядно демонстрирует тот факт, что измерения могут быть двух видов: большие и малые. Предполагается, что вокруг нас могут существовать большие измерения, которые мы можем легко увидеть, а также могут существовать дополнительные измерения, сжатые, аналогичные окружности кабеля, настолько малые, что до сих пор остаются невидимыми.

Давайте покажу, как это выглядит. Так, если мы взглянем на само пространство... Я, конечно же, могу показать только два измерения на экране.

Кто-нибудь из вас, ребята, однажды исправит это, сделав нечто большее, чем плоский экран. Так, новое измерение становится все меньше, меньше и меньше, и доходит до микроскопических размеров пространства - смысл в этом, Вы можете увидеть дополнительные сжатые измерения.

Это очертания окружностей, настолько маленькие, что мы их просто не видим, но если бы вы были ультра-микроскопическим муравьем, гуляющим вокруг, вы бы были способны проникать не только в большие измерения, которые мы все знаем, но и в маленькие, сжатые измерения, настолько маленькие, что мы не сможем их увидеть невооруженным взглядом или даже с самыми современными приборами, но эти измерения глубоко вшиты в ткань пространства.

Смысл в том, что может быть больше измерений, как мы могли это сейчас наблюдать. Это объяснение того, каким образом во Вселенной может быть больше измерений чем, те, которые мы видим, но что насчет второго вопроса, который я задавал? Работает ли эта теория, когда мы пытаемся применит ее к реальному миру?

Эйнштейн, и Калуца, и многие другие работали над усовершенствованием основ этой теории и применением ее к физике Вселенной, как она понималась в то время, но в частностях она не работала.

В частностях получалось, что они не могли добиться того, чтобы масса электрона в этой теории была верной.Многие работали над этим, но к сороковым, и уж точно к пятидесятым годам эта странная, но очень убедительная теория, объединившая многих физиков, была заброшена.

До тех пор, пока кое-что замечательное не случилось в наше время, новая попытка объединить законы физики преследовалась многими физиками по всему миру, в том числе и мной, она была названа "Супер-струнная теория", как вы уже заметили, и замечательное заключается в том, что эта теория с первого взгляда не имеет ничего общего c идеей дополнительных измерений, но когда мы начали разрабатывать эту "Теорию супер-струн", мы обнаружили, что она возрождает эту идею в новом блестящем виде.

Давайте я объясню, как это произошло и что это такое — "Теория супер-струн". Это теория, которая пытается ответить на вопрос, что лежит в основе, что из себя представляет тот неделимый компонент, который составляет все в мире вокруг нас.

Идея заключается в следующем: представьте, что мы смотрим на какой-нибудь обычный объект, например свечу в подсвечнике, и представьте что мы хотим выяснить, из чего она сделана, мы отправляемся в путешествие глубоко внутрь объекта и исследуем составные части, глубоко внутри, как нам известно, находятся атомы, так же нам хорошо известно что на это все не заканчивается,

у атомов есть электроны, они вращаются вокруг ядра, само ядро состоит из нейтронов и протонов, но даже сами нейтроны и протоны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками, здесь традиционная теория заканчивается и начинается новая - "Теория супер-струн". Глубоко внутри любой частицы есть что-то еще,

это что-то еще представляет из себя пляшущую нить энергии, похожую на вибрирующая струну, остюда и берет свое начало "теория струн", и точно так же как вибрирующая струна у виолончели, которая может вибрировать по-разному, эта струна так же может по-разному вибрировать,

но ее вибрации производят не ноты, а различные частицы, из которых и строится наш мир.

Итак, согласно этой теории, в максимальном увеличении Вселенная выглядит следующим образом: она построена из огромного количества мельчайших нитей вибрирующей энергии, вибрация происходит с разной частотой, разная частота создает разные частицы, благодаря которым мы и наблюдаем все многообразие мира, окружающего нас.

И здесь мы видим унификацию, потому что частицы материи — электроны и кварки, радиоактивные частицы — фотоны, гравитоны, все они построены из одной сущности. Таким образом материя и силы природы объединены вибрирующими струнами, и именно поэтому эта теория называется "Общей теорией".

Но есть одна загвоздка — когда вы изучаете "Теорию струн" математически, вы обнаруживаете, что она не работает во Вселенной с тремя измерениями пространства. Точно так же она не работает во Вселенных с четырьмя, пятью и шестью измерениями пространства.

В конце концов вы можете решить уравнение, которое показывает, что "Теория струн" работает только во Вселенной с десятью измерениями пространства и одним измерением времени. Это возвращает нас обратно к идеям Колуца и Клейна о том, что наш мир, должным образом описанный, содержит больше измерений, чем мы видим.

Вы можете подумать: "Ну хорошо, если существуют дополнительные измерения и они действительно так сильно сжаты, то да, возможно мы и не можем их видеть, потому что они настолько малы, но что если, например, существует цивилизация крохотных зеленых человечков, и они настолько малы, что и их мы тоже не можем увидеть." И это действительно так. Это одно из предсказаний "Теории струн".

Нет, конечно это не предсказание "Теории струн", но оно ставит перед нами вопрос: мы пытаемся просто скрыть эти дополнительные измерения или они что-то нам говорят об окружающем мире? И в оставшееся время я хочу рассказать вам о двух их особенностях.

Первая — многие из нас верят, что эти дополнительные измерения содержат ответ на, возможно, самый глубокий вопрос в теоретической физике, теоретической науке, и этот вопрос заключается в следующем: если взглянуть на мир так, как ученые смотрели на него последнюю сотню лет,

мы видим порядка двадцати постоянных, которые описывают нашу Вселенную, это постоянные типа массы электрона и кварка, гравитационная постоянная, магнитная постоянная, всего порядка двадцати штук, которые связаны друг с другом с невероятной точностью, и ни у кого нет объяснения, почему эти постоянные имеют именно те значения, которые существуют. "Теория струн" пока на это не ответила, но мы предполагаем, что ответ на этот вопрос основывается на том, какой вид имеют эти дополнительные измерения. Самое интересное заключается в том, что если бы эти постоянные имели величины, отличные от тех, которые имеют сейчас, Вселенной, такой, какой мы ее знаем, не существовало бы.

Это глубочайший вопрос — почему эти постоянные так точно подходят друг к другу, что позволяют звездам светить и планетам существовать, когда мы понимаем, что если бы мы могли менять эти постоянные, если бы у меня было двадцать шкал, и кто-нибудь из вас поднялся и поменял бы эти постоянные, практически любое изменение привело бы к исчезновению Вселенной.
Сможем ли мы объяснить эти двадцать постоянных?

"Теория струн" предполагает, что они тесно связаны с дополнительными измерениями. Сейчас я продемонстрирую, каким образом. Когда мы говорим о дополнительных измерениях в контексте "Теории струн", подразумевается не одно дополнительное измерение, как в старых теориях Калуца и Клейна. Вот что говорит "Теория струн" о дополнительных измерениях. Они имеют очень богатую, переплетенную форму.

Это пример в пространстве Калаби-Яо, название не так важно, но, как вы видите, дополнительные измерения как бы завернуты сами на себя и переплетаются в очень интересную форму, интересную структуру, и идея в том, что если именно так выглядят дополнительные измерения, то микроскопический ландшафт нашей Вселенной вокруг нас выглядит так в мельчайших масштабах —

когда вы двигаете рукой, вы перемещаетесь через эти дополнительные измерения раз за разом, но они настолько малы, что мы не замечаем этого. Каким же будет физический смысл, относящийся к тем двадцати постоянным?

Рассмотрим этот момент. Поглядим на валторну и отметим, что вибрации воздушной струи зависят от формы инструмента. Согласно "Теории струн" все постоянные — отражение того, каким образом могут вибрировать струны, таким образом точно так же как воздушная струя зависит от изгибов и поворотов в конструкции инструмента струи сами по себе зависят от характера вибраций системы, внутри которой они движутся.

Позвольте мне теперь добавить "нити" в это повествование, посмотрите как эти штуки вибрируют, они появятся через несколько мгновений, вот они. Характер их вибраций изменяется в зависимости от геометрии дополнительных измерений.

Если бы мы точно знали как выглядят дополнительные измерения, пока мы не знаем, но если бы мы узнали, мы бы смогли вычислить ноты, модели вибрации "струн", и если бы мы смогли вычислить модели вибрации "струн", мы бы смогли рассчитать эти двадцать постоянных.

Если результат, который мы получим путем наших вычислений совпадет с теми самыми постоянными, значения которых получены экспериментально, это во многих отношениях будет первым фундаментальным объяснением того, почему структура Вселенной именно такова, как она есть.
И второй момент, которым я бы хотел закончить — каким образом мы можем ставить эксперименты над этими дополнительными измерениями так сказать напрямую?

Что это — просто интересная математическая структура, которая может объяснить нам ранее необъясненные особенности мира?

Или мы можем провести тесты на эти дополнительные измерения? И мы думаем, и это, мне кажется просто потрясающим, что в течении следующих примерно пяти лет мы сможем поставить эксперимент на предмет существования дополнительных измерений. Вот как он будет выглядеть: в Церне, Женева, Швейцария, построена машина, получившая название Большой Адронный Коллайдер. Эта машина которая будет запускать частицы в тоннеле в противоположных направлениях, со скоростями, близкими к скоростям света.

Время от времени частицы будут направляться друг в друга и будет происходить их столкновение. Надежда в том, что если столкновение обладает достаточной энергией, оно может вытолкнуть частицу из нашего измерения в другое.

Как мы это узнаем? Мы сложим количество энергии после столкновения, сравним с количеством энергии до, и если после столкновения энергии стало меньше —это будет свидетельством того, что энергия утекла, и если она будет утекать в соответствии с моделью, которую мы можем вычислить, это будет доказательством того, что дополнительные измерения существуют. Давайте я продемонстрирую.

Представим, что у нас есть некий вид частиц, например, гравитоны, своеобразные осколки, которые мы предполагаем будут вытесняться из системы, в случае если дополнительные измерения существуют. Так будет проходить эксперимент: мы сталкиваем частицы друг с другом, и если мы правы, некоторое количество энергии после столкновения вытеснится из системы в эти дополнительные измерения.

За таким экспериментом мы будем наблюдать в ближайшие 5-7-10 лет приблизительно. И если этот эксперимент увенчается успехом, если мы будем наблюдать вытеснение такой частицы, замечая уменьшение энергии в наших измерениях, это покажет нам, что дополнительные измерения существуют, и для меня это выдающееся событие, выдающаяся возможность. Вспомним еще раз, Ньютон и его абсолютное пространство, не описывающее ничего кроме нейтрино,

место действия, где происходят все события Вселенной, далее Эйнштейн, он говорит, что пространство и время могут деформироваться, в этом и заключается смысл гравитации. И теперь "Теория струн", которая утверждает: "Да, гравитация, квантовая механика, электромагнетизм, все вместе в одном комплексе, но только если Вселенная имеет больше измерений, чем те, что мы видим". И это эксперимент, который позволит проверить данную теорию в наше время. Потрясающая возможность,

большое спасибо за внимание.

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/322/2173

Переводчики: KOHuK, Belgio, drill