Что значит, если у Вселенной есть дополнительные измерения?

В одном из самых запоминающихся интервью в моей карьере я сидел за своим столом, обхватив голову руками, и разговаривал по телефону с физиком о дополнительных измерениях. Я пытался понять, что значит, что целое измерение маленькое. После нескольких минут размышлений я сказал: «Не маленький, как мармелад, правда?», мысленно блокируя смех коллеги, сидевшего напротив меня. Ответ? Ну, это сложно.

Мы с некоторой регулярностью упоминаем о «дополнительных» измерениях в физике, но очень редко говорим о том, что это на самом деле означает. Они часто вступают в игру, когда упоминается теория струн — радикальный набор идей, предполагающий, что все состоит из невероятно крошечных струн. Когда эти струны вибрируют, они будут производить эффекты, которые мы интерпретируем как атомы, электроны и кварки. Я склонен с некоторым подозрением относиться к теории струн, главным образом потому, что идеи в ней варьируются от трудных до невозможных для практической проверки, что заставляет меня задуматься. И он полагается на дополнительные измерения, чтобы скрыть эти скрученные струны от нашего взгляда, что мне просто трудно усвоить.

Конечно, есть одно или два хорошо известных объяснения, например, сатирическое Флатландия новелла 1884 года (написанная Эдвином Эбботтом под псевдонимом «Квадрат») и очень забавные обучающие видеоролики на его основе. По большей части это аллегории и метафоры – тем не менее, они предлагают способ понять, что может ощущаться при встрече с другим измерением с точки зрения жизни вчетвером, даже если на самом деле они не касаются дополнительных измерений сами по себе. Большую часть времени, когда мы на самом деле копаемся в том, что может означать существование дополнительных измерений, возникает много размахиваний руками, возможно, небольшая путаница, а затем мы идем дальше.

Но дополнительные измерения, если они реальны, могли бы законно решить некоторые серьезные проблемы в физике и космологии, поэтому стоит попытаться их понять. Классическим примером одной из таких проблем является гравитация, которая намного слабее любой другой фундаментальной силы. Мы не знаем, почему это так, и было высказано предположение, что некоторая гравитация может утекать в дополнительные измерения, ослабляя ее воздействие в нашей собственной воспринимаемой Вселенной. Совсем недавно нечто подобное было предложено для объяснения новых измерений темной энергии, которые указывают на то, что она может ослабевать с течением времени. Если существуют дополнительные измерения, которые изменение размера со временем это распространится на измерения, которые мы знаем и испытываем – три пространства и одно время – изменяя энергетический баланс Вселенной.

Плюс, даже если у меня есть некоторые вопросы о том, существуют ли дополнительные измерения, идея интересна.

Вероятно, наиболее понятным видом дополнительного измерения является тип, используемый в Флатландияистория о геометрических фигурах, живущих в двухмерном мире. Они обитают на плоской поверхности и носятся по ней, как шайбы, скользящие по льду. С плоской точки зрения, глядя на край своей фигуры, они видят любую другую фигуру как просто линию.

Но какой-то Лавкрафтовский межпространственный ужас, имеющий три измерения (скажем, человек), может рассматривать их сверху или снизу – не только для того, чтобы увидеть, что они на самом деле являются формами, а не линиями, но также и для того, чтобы увидеть то, что находится внутри них. Живя в трехмерном мире, вы могли бы вырвать одну из фигур из ее плоскости и перевернуть ее на бок; другие фигуры все еще остались внутри Флатландия просто увидел бы странное сечение его внутренней части, которое пересекается с их плоскостью, а не ровную линию его края.

Если экстраполировать это на реальный мир с его тремя измерениями пространства и одним измерением времени, ужас еще более высокого измерения сможет заглянуть внутрь вас и, возможно, даже вырвать вас из знакомого пространства-времени в свое измерение. Если бы это произошло, те из нас, кто остался позади, увидели бы меняющееся поперечное сечение вашей истинной пятимерной формы при движении вашего тела.

Одним из вариантов такого рода дополнительного измерения является гипотеза мира бранЭто идея о том, что наша собственная Вселенная является краем – мембраной – космоса более высокого измерения. Впервые предложенная в 1999 году, эта идея в последние несколько лет вернулась из относительной безвестности как один из очень немногих правдоподобных способов втиснуть нашу реальность в ограничения теории струн.

В одной из версий этой идеи мембрана, ограничивающая нашу Вселенную, является границей между пространством более высокого измерения, называемым гиперпространством, и ничем. Это поставило бы нас прямо на границу космической пустоты. Это уместно называть браной конца света. Тогда фундаментальные частицы, с которыми мы знакомы, были бы самыми концами пятимерных струн, живущих в гиперпространстве, но мы никогда не смогли бы увидеть всю струну, точно так же, как треугольник в Флатландия никогда не сможет увидеть форму более сложную, чем линия.

Это подводит нас к пяти измерениям, но их может быть гораздо больше, и все они не обязательно должны быть такими же обширными, как в мире бран. На самом деле они вполне могли даже не быть космическими; представьте, что время может двигаться вбок, а не только вперед и назад. (Давайте не будем вдаваться в подробности.) И некоторые размеры могут быть, ну, маленькими, как мармелад, или даже намного меньше.

Вы можете думать о измерениях как о наборе стеклянных матрешек, каждая из которых вложена в более крупную, где вы можете получить доступ только к кукле, которая представляет количество измерений, в которых вы живете (предположительно, четыре), и тех, которые находятся внутри него. Размеры желейных конфет – те, которые были бы физически малы, а не малы с точки зрения более низких измерений – подобны пузырям в стекле. Они могут показаться совершенно разными, но, как и одна из матрешек, один из этих пузырей ограничивает пространство. Это просто крошечное пространство, что-то вроде карманная вселенная.

Сможете ли вы войти в эту карманную вселенную? Нет, если только вы не маленькие, как мармелад, или, скорее, маленькие, как фотон, поскольку эти размеры считаются чрезвычайно ничтожными. Причина в том, что мы их не видели – если бы они были большими, их было бы гораздо легче обнаружить. Но обнаружить небольшое измерение не было бы совершенно невозможно. Подумайте о том, как пролить свет сквозь стеклянные матрешки. Любые пузырьки будут создавать искажения и отражения света. Настоящее дополнительное измерение могло бы сделать нечто подобное.

Итак, скажем, гравитационная волна должна пройти через один из этих пузырей в нашей Вселенной. Оно будет иметь слегка искаженную форму, и с помощью достаточно мощного детектора мы сможем измерить это искажение. Есть и другие способы поиска, включающие крошечные квантовые эффекты и экзотические частицы, которые, как мы думаем, могут быть созданы только в дополнительных измерениях.

Исследователи детекторов гравитационных волн, коллайдеров частиц и даже обычных телескопов охота за этими тонкими намекамино пока ничего не найдено. Тем не менее, сам факт возможности поиска дополнительных измерений может ослабить мое предыдущее утверждение о том, что теория струн не дает проверяемых предсказаний. Если мы в конечном итоге их найдем, это может означать радикальный сдвиг в моих взглядах на теорию струн – и, конечно же, в нашем понимании Вселенной в целом.