Иэн Стюарт - Истина и красота. Всемирная история симметрии.

• Название: Истина и красота. Всемирная история симметрии.
• Автор: Иэн Стюарт
• Жанр: Математика

На протяжении многих веков симметрия оставалась ключевым понятием для художников, архитекторов и музыкантов, однако в XX веке ее глубинный смысл оценили также физики и математики. Именно симметрия сегодня лежит в основе таких фундаментальных физических и космологических теорий, как теория относительности, квантовая механика и теория струн. Начиная с древнего Вавилона и заканчивая самыми передовыми рубежами современной науки Иэн Стюарт, британский математик с мировым именем, прослеживает пути изучения симметрии и открытия ее основополагающих законов. Эксцентричный Джироламо Кардано — игрок и забияка эпохи Возрождения, первым решивший кубическое уравнение, гениальный невротик и революционер-неудачник Эварист Галуа, в одиночку создавший теорию групп, горький пьяница Уильям Гамильтон, нацарапавший свое величайшее открытие на каменной кладке моста, и, конечно же, великий Альберт Эйнштейн — судьбы этих неординарных людей и блестящих ученых служат тем эффектным фоном, на котором разворачивается один из самых захватывающих сюжетов в истории науки.

---

«Флатландия» представляла сатирический взгляд на викторианское общество — вложенный в параболу четвертого измерения, основанную на трансразмерной аналогии. Нас здесь интересует как раз аналогия, а не сатира. Успешно представив себя живущим в плоскости двумерным существом, пребывающим в блаженном неведении относительно большего 3-мерного пространства, не так сложно уже представить себя трехмерным существом, живущим в 3-мерном пространстве, блаженно неосведомленным о реальности большего 4-мерного пространства. Представим себе, что Альберт Квадрат, счастливо пребывающий в своей Флатландии, желает «визуализировать» сферу (заполненную трехмерную сферу, так что скорее даже шар). Эббот достиг этого, заставив сферу проходить сквозь плоскость Флатландии, двигаясь при этом перпендикулярно ей таким образом, чтобы Альберт видел ее сечения этой плоскостью. Сначала он видит точку, которая разрастается в ограниченный окружностью диск. Диск расширяется до тех пор, пока глазам Альберта не предстанет экватор сферы, после чего диск уменьшается в размерах, в конце концов снова превращаясь в точку и исчезая.

Сфера пересекает Флатландию.

На самом деле Альберт видит этот диск с ребра, в качестве отрезка линии с неоднородной освещенностью, однако его зрительное восприятие интерпретирует этот образ как диск, подобно тому как наше пространственное восприятие интерпретирует плоское изображение как объемное.

Применяя аналогичные рассуждения, можно «видеть» «гиперсферу» — четырехмерный аналог сферы в трехмерном пространстве — в качестве точки, которая разрастается и принимает форму сферы, расширяющейся, пока не будет пройден «экватор», а далее сжимающейся снова в точку прямо перед тем, как исчезнуть.

Гиперсфера пересекает Спейсландию.

Могло бы пространство на самом деле иметь более трех измерений? Не изысканных математических фикций, отвечающих непространственным переменным, а реальных физических размерностей? Как, собственно говоря, разместить четвертое измерение? Все ведь уже заполнено.

Если вы так думаете, то, значит, не прислушивались к Альберту Квадрату, который точно так же готов был рассуждать о плоскости. Если оставить наши доморощенные предубеждения, то представляется, что пространство могло бы в принципе быть четырехмерным, миллиономерным или сколько-угодномерным. Тем не менее все без исключения наблюдения продолжают снабжать нас информацией о том, что в нашей конкретной вселенной Господь в Своей доброте установил три измерения для пространства и одно для времени.

Или Он все же сделал по-другому? Если физика чему-то нас и учит, так это относиться к повседневным наблюдениям с опаской. Стул представляется нам твердым, но по большей части он состоит из пустого пространства. Пространство выглядит плоским, но согласно теории относительности оно искривлено. Квантовые физики думают, что на очень малых масштабах пространство представляет собой нечто вроде квантовой пены, по большей части дыр. А горячие сторонники интерпретации квантовой неопределенности в рамках «многих миров» полагают, что наша вселенная — лишь одна из бесконечного многообразия сосуществующих вселенных и что мы занимаем лишь тончайший слой обширной мультивселенной. Если уж здравый смысл может подводить нас в таких вещах, то не приведет ли он к ошибке в отношении размерности пространства или времени?

У Калуцы было простое объяснение дополнительного измерения, которое в его теории приписывалось пространству-времени. Традиционные размерности вытянуты вдоль прямых линий, достаточно длинных, чтобы их можно было наблюдать, — на самом деле длиной в миллиарды световых лет. Новое измерение, предложенное Калуцей, устроено совсем по-другому: оно скручено в маленькую окружность размером много меньше атома. Световые волны, подобно ряби на воде, могут бегать вдоль такой окружности, потому что они тоже маленькие, много меньше атома, но материя не в состоянии продвигаться в этом направлении, потому что там нет для нее места.

Это не такая уж глупая идея. Если посмотреть на водяной шланг издалека, он будет выглядеть как линия, т.е. будет казаться одномерным. Но при ближайшем рассмотрении становится ясно, что шланг в действительности трехмерен и имеет маленькие круглые сечения.

Эта скрытая структура нового измерения объясняет кое-что из того, что можно наблюдать с большого расстояния, а именно то, как шлангу удается подавать воду. Для этого сечения должны быть соответствующей формы, с полостью посередине. Теперь представим себе, что толщина шланга меньше, чем размер атома. Чтобы заметить дополнительные размерности, в этом случае потребовалось бы разглядывать шланг необычайно скрупулезно. Такой невероятно тонкий шланг не смог бы подавать воду, но достаточно маленькие объекты все же смогли бы по нему путешествовать.

С далекого расстояния (как показано сверху) шланг выглядит одномерным. При ближайшем рассмотрении (внизу) он обнаруживает два дополнительных измерения.

Таким образом, удается заметить влияние дополнительных измерений, не наблюдая при этом их самих. Это означает, что скрытые размерности пространства-времени представляют собой полностью научное предположение: их присутствие можно в принципе проверить, пусть только исследуя результат их влияния, а не непосредственно воспринимая их органами чувств. Большинство проверок в науке основаны на изучении влияния — если бы мы могли непосредственно видеть причины какого-либо явления, нам не требовались бы ни теория, ни эксперимент. Например, никто никогда не видел электромагнитного поля. То, что удается увидеть, — это искры и отклонение стрелки компаса к северу, откуда (если наблюдения выполняют ученые) делается вывод о том, что за это ответственно некоторое поле.

Теория Калуцы приобрела определенную популярность, потому что она оставалась единственной известной идеей, поддерживающей надежду на существование объединенной теории поля. В 1926 году другой математик, Оскар Клайн, усовершенствовал теорию Калуцы, предположив, что квантовая механика, возможно, в состоянии объяснить, почему пятое измерение скручивается в нечто столь маленькое. В действительности его размер должен иметь порядок величины, близкий к постоянной Планка, — должен иметь порядок «планковской длины» 10−35 метров[80].

Теория Калуцы-Клайна, как ее стали называть, привлекала физиков в течение некоторого времени. Но невозможность непосредственно убедиться в присутствии дополнительного измерения отравляла им всю радость. По определению теория Калуцы-Клайна находилась в согласии со всеми известными явлениями в гравитации и электромагнетизме[81]. Ее невозможно было отвергнуть на основе стандартных экспериментов. Но она ничего на самом деле и не добавляла — не предсказывала ничего такого, что можно было бы проверить. От той же проблемы страдают многие попытки объединить существующие законы. Все то, что в них можно проверить, уже известно, а новое проверке не подлежит. Первоначальный энтузиазм пошел на спад.

Роковой удар по теории Калуцы-Клайна — не в отношении ее верности, а в отношении того, стоит ли тратить на нее драгоценное время исследований — был нанесен ошеломляющим ростом гораздо более привлекательной теории, в которой можно было делать новые предсказания и экспериментально их проверять. Это была квантовая теория, переживавшая тогда пору своей цветущей молодости.

К 60-м годам двадцатого века, однако, квантовая механика начала сбавлять обороты. Первоначальный прогресс уступил место глубоким парадоксам и необъяснимым наблюдениям. Успех квантовой теории не подлежал сомнению, и на этой основе вскоре возникла «стандартная модель» фундаментальных частиц. Но становилось все труднее найти новые вопросы, на которые был бы хоть какой-нибудь шанс получить ответ. По-настоящему новые идеи трудно было проверить; те идеи, которые допускали проверку, были лишь развитием уже существующих.

Из всех этих исследований возник один весьма изящный основополагающий принцип: ключевую роль в отношении структуры материи на очень малых масштабах играет симметрия. Но важные симметрии фундаментальных частиц — это ни обычные движения эвклидова пространства без деформаций, ни даже лоренцевы преобразования релятивистского пространства-времени. Они включают в себя калибровочные симметрии и суперсимметрии. Кроме того, имеются и другие виды симметрии (вполне в духе тех, что изучал Галуа), действующие перестановками на дискретном множестве объектов.

Каким образом могут существовать различные типы симметрий?

Симметрии всегда образуют группу[82], но имеется много различных способов, которыми группа может действовать. Она может действовать параллельными переносами или вращениями, перестановками компонент или же обращением направления времени. Физика частиц привела к открытию нового способа, каким могут действовать симметрии, названные калибровочными. Выбранное название — историческая случайность (лучше было бы называть их локальными симметриями).