Многие из нас помнят, как в 1915 году свет увидела общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. И вскоре она стала очень популярна среди самых широких слоёв населения. Новая теория объясняла абсолютно все явления, описанные ньютоновской теорией всемирного тяготения. Но это было далеко не всё. Основная фишка её состояла не в этом. Ведь чего тут удивительного – объяснить уже объяснённое? Дело в том, что ОТО смогла объяснить явления, которые не вписывались в классические теории того времени. Например – смещение перигелия Меркурия.
Общая теория относительности предлагала и физическое объяснение явления гравитации...
О четвёртом измерении
Альберт Эйнштейн долго думал над этой проблемой. И даже пару дней сидел под яблоней. И вдруг решил, что гравитация – это вовсе не сила! Что это геометрическое свойство самого пространства! Он записал эти простые, но в тоже время великие слова в блокнот. И чтобы «узаконить» подобное утверждение, к обычным трём измерениям (длине, ширине и высоте) учёный добавил время. Как дополнительное. С некоторыми особыми характеристиками.
Итак, общая теория относительности стала оперировать в своих уравнениях четырёхмерным пространством. Называемым в простонародье пространством-временем.
Поначалу ОТО выглядела какой-то глупой шуткой, не более того. Учёные посмеивались в кулачок всякий раз, когда видели пышную шевелюру Эйнштейна где-нибудь на банкете, посвящённом научному симпозиуму. Однако в итоге ОТО всё же получила всемирное и окончательное признание. Поскольку к 1919 году её предсказания триумфально подтвердились! Астрономы наблюдали, как гравитация отклонила световые лучи во время затмения Солнца. На следующий день Эйнштейн и его общая теория относительности стали знамениты на весь мир.
Увидев, какой успех получила теория Эйнштейна, немецкий математик Теодор Франц Эдуард Калуца (1885–1954) тоже захотел славы и любви представительниц прекрасной половины человечества. И попытался модифицировать ОТО, включив в неё электромагнетизм.
Альберт Эйнштейн после того, как стал знаменитым, смог позволить себе купить новые босоножки
О пятом измерении
Для этого примерно между 1919 и 1921 годами он постепенно, чтобы не шокировать общественность, ввёл в ОТО пятое измерение. И переработал уравнения Эйнштейна с учётом этой особенности. И что вы таки думаете? При определённых условиях Калуца сумел вывести из них как уравнения общей теории относительности, написанные для четырёх измерений, так и уравнения Максвелла для электромагнитного поля!
Мало того. Новая теория предсказала существование гипотетической частицы, которую назвали дилатон. Которая, к сожалению, так и не была обнаружена…
Когда Калуца задумчиво сидел на скамейке возле фонтана в городском парке, прохожие часто подсаживались к нему и говорили: «Ну вот ты сам прикинь. Весь наш повседневный опыт говорит, что этот мир не имеет пятого измерения!».
Как правило после этих слов Калуца закатывал глаза, дрожащей рукой надевал чёрную перчатку, брал со скамейки трость и молча уходил по аллее, постепенно растворяясь в топе беспечных зевак…
Он думал. Думал, как обойти это досадное расхождение свойств реальности и его математических выкладок. И в итоге нашёл элегантное решение. Учёный заявил, что пятое измерение существует. Но мы его не видим, потому что оно сжимается в микроскопическом масштабе в некую «петлю» в каждой точке четырёхмерного пространства-времени! О как!
Мэттью МакКонахи следит сам за собой из пятимерного гиперкуба
Теория Калуцы была доработана в 1926 г. шведским физиком Оскаром Бенджамином Кляйном (1894–1977). Он соединил её с некоторыми идеями из области квантовой механики. И даже смог рассчитать размер пятого измерения. По его мнению, радиус пятимерной петли имеет значение всего 10^-30 см. Что в тысячу триллионов раз меньше радиуса атомного ядра!
В 1930-е годы, с открытием ядерных сил, задача объединения всех физических сил в единой теории усложнилась. Уже недостаточно было объединить гравитацию и электромагнетизм. Единая теория должна была включать сильное ядерное взаимодействие (отвечающее за стабильность атомных ядер) и слабое ядерное взаимодействие (отвечающее за радиоактивность).
О десятом, одиннадцатом и двадцать шестом
Интересно, что современные теории струн и суперструн представляют собой варианты теории Калуцы-Клейна в сочетании с принципами квантовой физики, необходимыми для учёта ядерных сил. Количество измерений в струнных теориях определяется необходимостью их сведения к макроскопическому четырёхмерному пространству-времени. Это необходимо для того, чтобы не было противоречий.
Самые популярные теории струн и суперструн имеют 10, 11 или 26 измерений. Сжатые измерения – это уже не простые «петли». Это называется многообразиями. Многообразие – это обобщение кривой (одномерное многообразие) или поверхности (двумерное многообразие) в любом количестве измерений. Немного сложновато, да.
Искривление пространства под действием гравитации. Компьютерная модель
Но ни одной из этих теорий пока не удалось взять верх. И лишь только эксперимент покажет нам, достигла ли какая-либо из них Святого Грааля физики: объединения всех сил природы.
И это дело отдалённого будущего. Поскольку на данный момент огромные энергии, необходимые для экспериментальной проверки теорий струн, находятся за пределами возможностей современных ускорителей частиц.
