Александър Дюдни „Planiverse. Виртуален контакт с двуизмерния свят

Дизайн на художника А. Балашова.

Когато книгата Planiverse се появи за първи път преди 16 години, изненада доста читатели. Границата между доброволното спиране на неверието и простодушното приемане, ако съществува, е много тънка. Въпреки лукавите, иронични нюанси, имаше хора, които искаха да вярват, че сме осъществили контакт с двуизмерния свят на Арде, планета с форма на диск, вписана във външната обвивка на огромно пространство с форма на балон, наречено Planiverse.

Изкушаващо е да си представим, че както лековерните, така и недоверчивите читатели са направили това поради убедителната логика и последователност на космологията и физиката на тази безкрайно фина вселена с нейните странни, но странно ефективни организми. В крайна сметка това, което се отвори пред тях, не беше просто обикновена вселена, генерирана от игра на въображение. Planiverse е повече от странно, фантастично място, тъй като по-голямата част от него е „направено“ от виртуален екип от учени и технолози. Реалността – дори псевдореалността на такова място е много по-странна, отколкото изглежда на пръв поглед.

Първо, нека се опитаме да разберем какво представлява плоската вселена Planiverse. Разберете, че две измерения означават две измерения. Ако страницата на тази книга представлява малко парче от планиверса, тогава кривата линия, начертана върху него, може да се окаже парче от планиверсален шнур или връв, чиито два свободни края не могат да бъдат свързани, защото това изисква допълнителен , трето измерение, което, така да се каже, надхвърля тази страница. Но дайте ни малко универсално лепило и ние ще залепим единия връх към другия, като уловим всичко, което се окаже вътре в дантелената примка, след като лепилото изсъхне.

Приложението към книгата съдържа доста пълна историяпроизход на плоската вселена Planiverse. Откакто колонката за математически игри на Мартин Гарднър в Scientific American публикува статия за Planiverse, хиляди (дори не стотици) читатели изпратиха писма, съдържащи ентусиазирани отговори и нови идеи. Професионални учени и инженери писаха и дори няколко добре информирани читатели изпратиха разумни предложения.

Вплетохме тези идеи в нещо хомогенно и безпроблемно, но се нуждаехме от сюжет - история - за да работи интересна книга. История, която ще ни отведе на пътешествие из Арда, планета с форма на диск, носеща се в двуизмерната вселена на Planiverse.

От предговора до края историята е разказана със сериозно, дори безстрастно лице. Написана е от перото на учен, чиито литературни възможности са постоянно под натиска на събитията. Историята включва съвременен deus ex machina - компютър. С негова помощ група студенти направиха първи контакт с двуизмерната вселена на Планиверса и нейния четирирък герой Йендред, чието копнеж за „по-висшето“ се превърна в страх, когато най-накрая се изправи лице в лице с него.

Авторът беше изненадан и обезпокоен, че толкова много хора приеха измислицата за чиста монета. Подтекстът на тази фантастична, макар и много богата на подробности история остана незабелязан от мнозина. Тенденциите в неотения са пуснали корени Западна култураоще преди 1984г. И разбира се, фантастичната алегория, въведена в разказа - това, което прави книгата, по думите на оксфордския хуманист Греъм Стюарт, "суфийска притча", остана напълно незабелязано от тези читатели. Изкушението да съживим по-високо (трето) измерение като символ на силите, дебнещи отвъд очевидната реалност на нашия свят, се оказа твърде голямо за преодоляване. Историята започва със стар предговор, който ви очаква на следващата страница.

А. К. Дюдни.

януари 2000 г

Бих искал да отбележа, че не съм толкова автор на книгата, колкото нейният съставител, и основната заслуга за това, че тази книга видя светлина, принадлежи на съществото, изобразено на първата страница. Името му е Йендред и живее в двуизмерна вселена, която аз наричам Планиверс. Историята за откриването на Планиверса, свят, в чиято реалност малцина биха повярвали, вероятно ще ви се стори интересна. Това искам да ти кажа.

Първото запознанство с този свят се състоя в нашия университет преди около година. Моите ученици работиха с компютърна програма 2DWORLD, който самите те написаха в продължение на няколко семестъра. Първоначалното намерение на програмата беше да даде на студентите практика в научно моделиране и програмиране, но 2DWORLD скоро заживя свой собствен живот.

Всичко започна с опит за симулиране на двуизмерен модел на физическо тяло. Например, прост двуизмерен обект може да има формата на диск и да се състои от много двуизмерни атоми.

Той има известна маса (в зависимост от вида и броя на атомите, които съдържа) и може да се движи в двуизмерно пространство като тази страница. Но за разлика от страницата, двумерното пространство няма дебелина и дискът не може да се простира извън границите си. Да приемем, че всички обекти в това пространство се подчиняват на закони, подобни на тези, които действат в нашия триизмерен свят. Тоест, ако бутнем диска надясно, той ще започне да се движи с постоянна скорост в равнина, която е продължение на страницата. Рано или късно, продължавайки да се движи в тази въображаема равнина, обектът ще напусне повърхността на Земята, освен ако, разбира се, не се сблъска с друг подобен обект.

Когато такива два обекта се срещнат, те ще изпитат това, което физиците наричат ​​„еластичен сблъсък“. На фигурата виждаме два обекта в момента на най-голяма деформация, когато са се сблъскали и са на път да се търкулнат един от друг. В съответствие с добре известния закон на физиката, който действа в нашата триизмерна вселена, сумата от кинетичната и потенциалната енергия на двата диска преди и след сблъсъка остава непроменена. Движейки се по този начин, дисковете няма как да не се сблъскат. Те не могат да „избягват“ и да избягват сблъсък. В един двуизмерен свят те просто няма къде да „избягат“.

Това физически процесможе лесно да се покаже на компютър чрез написване на програма, която ще симулира поведението на два диска в момента на сблъсък. Разбира се, ако вземем предвид, че дисковете се състоят от отделни атоми, това ще усложни работата на програмиста и ще увеличи натоварването на процесора по време на изпълнение на програмата. Но почти всеки програмист може да напише такава програма и да покаже резултатите на екрана.

Тук горе-долу започна работата по програмата 2DWORLD. През първия семестър студентите под мое ръководство не само описаха определен набор от обекти и закона за запазване на енергията в програмата, но също така създадоха цяла система от планети, въртящи се около звезда. Една от планетите, която нарекоха Астрия, придоби особена популярност сред учениците. Към края на първия семестър започнаха разговори за начертаване на карта на тази планета и заселването й с живи същества - астрийци. Погасих тези стремежи в зародиш: семестърът беше към края си, а до изпитите не оставаше нищо. И беше невъзможно да осъществя идеята - моите ученици не бяха толкова силни програмисти.

Във всеки случай 2DWORLD се оказа много полезна програма и беше невероятно интересно да се работи с нея. Особено си спомням процеса на образуване на галактика от хаотичен куп звезди. Накратко, стигнах до извода, че проектът е успешен и че бях прав, когато реших да огранича физическото пространство на модела до две измерения. Благодарение на това учениците разбраха какво е истински модел.

Професор Йен влезе в кабинета и огледа класа.

Поздрави на всички, събрани в урока за изучаване на магически предмети. Днес имаме нова, малко необичайна тема: Двуизмерен свят.

И така, колко многомерни пространства познавате?
Разбира се, всеки е запознат с триизмерното пространство, в което живеем. Има три измерения: дължина, височина и ширина. Четвъртото измерение се счита за време, но ние няма да го вземем предвид.
Двумерното пространство е равнина. *професорът взе парче пергамент и нарисува върху него човек*Без да излизате извън равнината, обектите могат да се измерват само в две перпендикулярни посоки: например ширина и височина.
И едномерното пространство ще бъде права линия. Обектите в него ще имат едно измерение: дължина.
Тук, разбира се, питате: какви обекти? Могат ли обектите да съществуват на права линия?
Но защо не? Но аз ще включа въпроса „има ли живот в едноизмерен свят“ във вашия домашна работа. Мисля, че ще ви бъде не по-малко интересно от въпроса „има ли живот на Марс“ към един мъгъл. -))

Следващият въпрос, който трябва да изникне в ума ви е: има ли светове с Голям бройизмервания? И как изглеждат?
Разбира се, вие като млади магьосници трябва да знаете, че нищо не е невъзможно, особено в този случай. А пътуването през световете е въпрос на технология и въображение.
Но не е толкова лесно да си представите свят с измерения, по-големи от 3. За целта първо ще трябва да отидем на пътешествие в двуизмерния свят.
В крайна сметка, като се поставите на мястото на „двуизмерните хора“, като ги погледнете от страната на нашето измерение и разберете как те мислят и възприемат природата около тях, можете да разберете как съществата от 4 измерения биха ни възприели, и какво трябва да се направи, за да излезем извън границите на познатия свят. Много магьосници са се замислили над последния въпрос и ако ви интересува, съветвам ви да се обърнете към техните произведения, т.к. Няма да говоря за това на лекцията. В тази лекция просто ще се докоснем до двуизмерния свят и обектите в него, защото... Вярвам, че това ще бъде интересно, образователно и може да послужи като стимул за по-нататъшни размисли.

И така, има ли двуизмерен святВсъщност? И можем ли да влезем в него?
Разбира се, много е трудно да си представим, камо ли да пресъздадем двуизмерен свят в нашето триизмерно пространство. В края на краищата дори най-тънкият лист пергамент има ограничена дебелина. Но, както вече казах, нищо не е невъзможно. И от курса за паралелни светове трябва поне да си представите, че има различни светове и дори не непременно паралелни)
Първият, който открива и описва живота в двуизмерен свят, е английският магьосник, магьосник и математик Чарлз Хауърд Хинтън в книгата „Епизодът във Флатландия“, публикувана в Лондон през 1907 г. Няма да се изненадам, ако това е единственият магьосник, който е успял да надникне в двуизмерното измерение и да ни разкаже за това, защото... не са известни други подобни източници. Затова няма да отидем в двуизмерния свят - това е твърде необичайно и опасно за неподготвен човек - но първо ще се опитаме да си го представим добре, за да разберем какво ни очаква там.

Можете лесно да си представите двуизмерен свят, като поставите няколко монети на масата. Нека една монета, галеон, бъде Слънцето. А малките монети - кнути и шекели - са планети, които се въртят около него. Нека разгледаме една такава планета-монета. Да я наречем Астрия. Жителите на Астрия могат да се движат само по ръба на планетата, оставайки в равнината на този свят. Дърветата растат и къщите стоят в една равнина. Следователно, след като се натъкне на дърво, астроитът трябва или да се изкачи над него, или да го отсече. За да се заобиколят един друг, единият обитател трябва да прескочи другия, както биха направили акробатите на опънато въже (мисля, че жителите на такъв свят трябва да могат да скачат и летят много добре). В такъв свят е невъзможно обитателят да се обърне в другата посока: за да погледне зад гърба си, астроитанът трябва или да стои на главата си, или да използва огледало. Тъй като вторият метод е по-удобен, нито един жител не напуска къщата без огледало.
Интересна е структурата на къщите на астроитианците: всички къщи също са оборудвани с огледала, а къщите имат прозорци и врати, за да може да се влиза и излиза от тях. Но за да предотвратите срутването на къщата, можете да отворите само една врата или прозорец наведнъж. Ако западната врата е отворена, източните врати и прозорци трябва да бъдат затворени, в противен случай горната част на къщата ще се срути.
Телата на астроитите имат сложна структура. Но засега, за простота, можем да си ги представим като триъгълници с ръце, крака и едно око. Всички астрийски мъже се раждат с лице, обърнато на изток, а жените – на запад. По този начин за астроитската жена е лесно да целуне съпруга или сина си, но за да целуне дъщеря си, тя трябва да я обърне с главата надолу.))
В един двуизмерен свят колелата и осите са напълно изключени. Обектите могат да се транспортират с помощта на метода на преобръщане на кръгове (подобно на това как можем да преместваме тежки предмети върху цилиндрични ролки, поставени под тях).

В света на Хинтън има и любов, и война, и предстояща катастрофа (приближаването на друга планета, която може да промени орбитата на Астрия дотолкова, че животът там да стане невъзможен) и дори щастлив край.
Разбира се, не мога да ви науча да пътувате между светове, особено светове с различни измерения, но основното е да знаете къде можете да отидете и на какво можете да се натъкнете - всичко останало е въпрос на ваше желание.

А сега домашното!

1. Възможно ли е да съществува едноизмерен свят и живот в него, как мислите? Обосновете отговора си (3 точки)
2. Помислете за съществуването на кои музикални инструменти е възможно в един двуизмерен свят? (2 точки)
3. Опитайте се да си представите дуел между двама магьосници в Астрия.
   Какви предмети (евентуално магически) ще ви трябват? Какви правила за дуел бихте препоръчали да използвате? (3 точки)
4. Нарисувайте цветето така, както би го нарисувал един астрийски художник. (Ако ви е трудно да нарисувате и запазите картина в jpg формат, можете да опишете рисунката с думи)(2)

Тези, които са завършили успешно домашното си, могат да считат, че са готови да се впуснат в пътуване в двуизмерния свят.)))

Когато видях тази книга, паметта ми се върна към книгите „Математическо свободно време“ и „Математически пъзели и забавления“ от Мартин Гарднър, които прочетох, когато бях още в училище. Спомних си, че една от тези книги описваше книга за въображаемата двуизмерна страна Флатландия. Тази книга е публикувана под псевдонима A. Square, което може да се преведе на руски като „Определен квадрат“. Главният герой на книгата "Flatland" беше квадрат, който живееше в тази двуизмерна страна. Спомням си точно, че тази книга е написана през 19 век. Но никога не съм чувал за книгата „Planiverse“. Фамилията на автора ми напомни фамилията на автора на книга с пъзели, която често се споменава в книгите на Мартин Гарднър - Дудени. Както разбрах по-късно, в книгите на Мартин Гарднър се споменава Хенри Ърнест Дюдени, англичанин, а авторът на тази книга е канадецът Александър Кийватин Дюдени. Александър Киватин Дюдни е известен и като автор на компютърна игра за програмисти - CoreWars, която на руски се нарича „Битката в паметта“.

Не очаквах нещо особено интересно от тази книга. Е, какво можете да измислите за плоския свят? Тъй като има едно измерение по-малко в този свят, очевидно няма място да се обърнете и да напишете нещо интересно. Но грешах.

Първо, авторът направи много компетентно резюме на историята. Човек би очаквал, че книгата ще започне по някакъв обикновен начин: „Нека си представим свят, в който няма трето пространствено измерение, какво би било?“ Или: „Имало едно време в една равнинна земя плосък човек" Краят на книгата вече си представя: „И тогава изведнъж се събудих.“ Не се интересувам.

Всъщност всичко започва с факта, че един университетски преподавател дава на своите студенти задача - да създадат програма за моделиране на двуизмерен свят. Всичко започва с модел на планетна система, в която кръгли, плоски планети обикалят около кръгло, плоско слънце. След това учениците започнаха да попълват тази програма с различни допълнителни елементи - някои моделираха континентите и моретата, някои моделираха времето, а някои населиха тази страна с двуизмерни живи същества. Един от студентите добави лексикален модул към тази програма - стана възможно да се поиска от програмата да опише околната среда.

Тогава тази програма понякога започва да се държи странно - пише думи, които не са в речника, но не ги разпознава, когато тези думи се използват от оператор, седнал на компютъра. Факт е, че светът, симулиран в програмата, се оказва толкова подобен на реалния двуизмерен свят, че резонира с него, така че чрез програмата става възможно да се погледне реалният двуизмерен свят. Връзката с този свят обаче идва чрез местен жител на име Yndrd, когото учителят и учениците наричат ​​Yendred за удобство.

Това беше първото нещо. А сега – второ. Второ, детайлите на структурата на този свят не са безсмислено копирани от нашия триизмерен свят. Двуизмерният свят има своите специфики и познатото за нас се оказва нежизнеспособно в двуизмерния свят. Например в този двуизмерен свят времето винаги е предсказуемо: към слънцето се образува зона с ниско налягане и повърхностният вятър винаги духа към слънцето. Сутрин вятърът духа на изток, където слънцето изгрява, а вечер започва да духа на запад, където слънцето залязва.

В този свят вали, но реките нямат канали: водата тече по повърхността на планетата, неспособна да заобиколи препятствията отдясно или отляво. Ето защо жителите на планетата не строят къщи. Ако построите къща, тогава водата, която тече от планините, ще стигне до къщата и ще запълни цялата депресия, образувана от планината и къщата. Ето защо местни жителите живеят в къщи, които приличат на нашите землянки, а животните живеят в дупки. За да се предотврати наводняването на землянката, тя се запечатва незабавно, щом се чуе звукът на приближаващата вода.

В този свят пантите на вратите, с които сме запознати, не могат да съществуват и въжетата не могат да бъдат завързани на възли. Пантите на вратите приличат на сферични шарнири - кръг се вкарва в полукръгъл отвор и вратата, прикрепена към кръга, се движи нагоре и надолу. Въжетата обикновено са залепени или закрепени едно за друго с куки. Има обаче и положителна страна: Тъй като е невъзможно да се завърже възел на въже, въжетата никога не се заплитат.

Като лодка в този свят можете да използвате обикновена пръчка, чиито краища са огънати в една посока. Такава лодка не може да се обърне - само да промени посоката на движение. Като платно се използва стълб, който е монтиран вертикално в центъра на лодката. Тъй като вятърът винаги има предвидима посока, на изток всяка сутрин можете да отидете с лодка до океана, а вечер вятърът ще духа обратна страна- към сушата. На запад е обратното – можете да отидете до океана вечерта и да се върнете на континента сутринта.

Местните същества нямат вътрешен твърд скелет, тъй като скелетът в този случай би разделил организма на независими части. Всички същества на този свят имат външен скелет, като бръмбарите. Няма храносмилателен тракт от край до край, т.к ако беше така, създанието щеше да се раздели на две части. Следователно храната се консумира и храносмилателните отпадъци се отстраняват през устата - те се изплюват. Кръвообращението обаче все още съществува. Тъканите се разделят, улавят мехурчето с течност и след това се свързват. Мехурът с течност се движи между тъканите по такъв начин, че докато се движи, тъканите се разделят, а зад тях се свързват. Това води до своеобразна перисталтика на кръвта.

Няма да казвам нищо повече за устройството на този свят, само ще спомена, че има металургия, парни машини, часовникови механизми, музикални инструменти, ракети, космически станции, астрономия, химия, клетъчна биология, електричество, книги, изкуствои компютри. Всяка научна област, всеки механизъм е обяснен По подобен начин- не просто чрез копиране на нещата от нашия свят, а чрез обясняване на принципите на работа и присъщите ограничения. Например, той обяснява как клетките успяват да обменят хранителни вещества, без да изливат съдържанието си навън. Обяснява как нервни клеткипредават сигнали по пътища, които се пресичат, без да смесват сигналите. Същият проблем се обяснява във връзка с дизайна на компютрите - как логическите портове предават сигнали по пресичащи се пътища, без да смесват сигналите. Обяснява как се захранва захранването на компютърните вентили.

От това, което казах, може да остане впечатлението, че книгата е безсюжетна и всичко, което е написано в нея, е за това какво и как работи. Това е грешно.

Спойлер (разкриване на сюжета) (щракнете върху него, за да видите)

Главният герой Йендред чува за монах, който живее в друга страна - Ваницла. Vanitsla се намира в източната част на континента, зад планините. Натам се е насочил главен герой. Преди да потеглят, Йендред и баща му отишли ​​на риболов. В град Ис-Фелблт той посещава чичо си, който държи печатница и печата книги. Те отиват на пазар с децата на чичо си, където купуват балон с горещ въздух за пътуване. След това по-малките деца се прибират вкъщи, а Йендред и най-голямата дъщерячичо отива при музикален концерт. Тогава Йендред посети единствения научен институтстраната му е Punitsli. По пътя върви, продължава балон с горещ въздух, държейки го в ръцете си, извършва полет в транспортен балон и на ракета. Накрая той достига планинско плато, където почти е убит в кариера от летящо хвърчило. Тогава той най-накрая среща същия монах на име Драбк, когото искаше да срещне. След това монахът посвещава Йендред в тайно знание, след което Йендред спира да общува, губейки интерес към обитателите на триизмерния свят.

По някакъв начин тази книга ми напомни за статията на Андрей Родионов „Играта е сериозен бизнес“, която веднъж прочетох в списанието за научна фантастика „Ако“. Тази статия започва като обикновена статия, описваща класификацията на компютърните игри. След това авторът разказва как е направил своята компютърна игра. Тази история плавно се влива в жанра научна фантастика. Тогава още ходех на училище, нямах практически никакво скептично мислене и вярвах на почти всичко. Не е изненадващо, че тогава тази статия ми направи невероятно впечатление - просто не забелязах прехода от журналистическия жанр към жанра на научната фантастика и приех историята за компютърна игра на чиста монета. И в тази книга, и в статията на Андрей Родионов реалността плавно се превръща в измислица, което прави научнофантастичния компонент по-убедителен. И книгата, и статията говорят за сътворението виртуален свят, който, неочаквано за самите създатели, показва свойства, които не са били предвидени, започвайки да живеят свой собствен живот.

Между другото, много по-късно, когато се заинтересувах музикален жанр Synth Pop, намерих албуми на Андрей Родионов и Борис Тихомиров. Много харесвам някои от песните от тези албуми и по едно време дори използвах песента „Electronic Alarm Clock“ като аларма на телефона си. Не свързах веднага музиканта и автора на тази статия в главата си. И тогава разбрах, че той всъщност е разработил компютърни игри. Например, една от неговите игри се казва „Major of Pistols at the Factory“. Странно е, че светът на тази игра също е плосък. Вярно, в него главният герой знае как да се превърне в огледало :)

Аз обаче се отклоних. Да се ​​върнем към Planiverse. Книгата не е написана в резултат на индивидуални размисли. В края на книгата авторът обяснява, че дълго време е събирал статии за структурата на различни неща в плоския свят, които други хора са писали за забавление. Преди да напиша това художествена книгаавторът написа монографията „Наука и технологии в двуизмерен свят“. По-късно Мартин Гарднър написа статия за тази монография. Идеята за ракетен самолет е дадена на автора от Джеф Раскин, инициаторът на проекта Apple Macintosh. Той също така създава по-малко известния, но много уникален компютър Canon Cat. Преди да прочета тази книга, просто си мислех да си купя книгата на Джеф Раскин „Интерфейс: Нови насоки в дизайна на компютърни системи“.

Това е може би най най-добрата книгаот всички научнофантастични книги, които съм чел. Тази книга се основава само на едно фантастично предположение - съществува двуизмерен свят, обитаван от интелигентни живи същества и вие можете да общувате с този свят. Тук, разбира се, няма интензивност на емоциите, няма морални послания, но книгата е пристрастяваща. Бих казал, че я четох жадно, но всъщност периодично умишлено се разсейвах от нея, защото ме отвежда в друг свят, който действа по други закони, но има своя логика. Докато четете, мисленето се реорганизира толкова много, че когато се отвлечете от четенето, се чувствате дезориентирани - в главата ви продължават да се роят мисли, които изведнъж се оказват неприложими към обичайния триизмерен свят. Необходими са няколко секунди, за да оставите тези мисли настрана и да се върнете към реалността.

Това е вече четвъртата тема. Доброволците също са помолени да не забравят какви теми са изявили желание да покрият или може би някой току-що е избрал тема от списъка. Аз отговарям за повторно публикуване и популяризиране в социалните мрежи. А сега нашата тема: „теория на струните“

Вероятно сте чували, че най-популярният научна теорияна нашето време - струнната теория - предполага съществуването на много повече измерения, отколкото здравият разум ни казва.

Най-големият проблем за теоретичните физици е как да комбинират всички фундаментални взаимодействия (гравитационни, електромагнитни, слаби и силни) в една теория. Теорията за суперструните твърди, че е Теорията на всичко.

Но се оказа, че най-удобният брой измерения, необходими, за да работи тази теория, е цели десет (девет от които са пространствени и едно е времево)! Ако има повече или по-малко измерения, математическите уравнения дават ирационални резултати, които отиват до безкрайност - сингулярност.

Следващият етап от развитието на теорията за суперструните - М-теорията - вече има единадесет измерения. И друга нейна версия - F-теория - всичките дванадесет. И това изобщо не е усложнение. F-теорията описва 12-измерно пространство с повече от прости уравненияотколкото М-теорията – 11-мерна.

Разбира се, теоретичната физика не напразно се нарича теоретична. Всички нейни постижения засега съществуват само на хартия. И така, за да обяснят защо можем да се движим само в триизмерното пространство, учените започнаха да говорят за това как нещастните останали измерения трябваше да се свият в компактни сфери на квантово ниво. По-точно, не в сфери, а в пространства Калаби-Яу. Това са триизмерни фигури, вътре в които има собствен святсъс собствено измерение. Двуизмерна проекция на такъв колектор изглежда така:

Да, това изглежда малко пресилено. Но може би това обяснява защо квантов святтолкова различни от това, което възприемаме.

Да се ​​върнем малко назад в историята

През 1968 г. един млад теоретичен физик, Габриеле Венециано, се вглеждаше в многото експериментално наблюдавани характеристики на силната ядрена сила. Венециано, който тогава работеше в CERN, Европейската лаборатория за ускорители в Женева, Швейцария, работи върху този проблем в продължение на няколко години, докато един ден не получи брилянтно прозрение. За негова голяма изненада той осъзна, че една екзотична математическа формула, изобретена около двеста години по-рано от известния швейцарски математик Леонхард Ойлер за чисто математически цели - така наречената бета функция на Ойлер - изглежда способна да опише с един замах всички многобройни свойства на частиците, участващи в силно ядрено взаимодействие. Свойството, забелязано от Венециано, предоставя мощно математическо описание на много характеристики на силното взаимодействие; това предизвика вълна от работа, в която бета функцията и нейните различни обобщения бяха използвани за описание на огромните количества данни, натрупани от изследването на сблъсъци на частици по света. В известен смисъл обаче наблюдението на Венециано беше непълно. Подобно на формула наизуст, използвана от ученик, който не разбира нейното значение или значение, бета функцията на Ойлер работеше, но никой не разбираше защо. Това беше формула, която изискваше обяснение.

Габриеле Венециано

Това се промени през 1970 г., когато Йоичиро Намбу от Чикагския университет, Холгер Нилсен от института Нилс Бор и Леонард Съскинд от Станфордския университет успяха да открият физическия смисъл зад формулата на Ойлер. Тези физици показаха, че когато представят елементарни частицималки вибриращи едномерни струни, силното взаимодействие на тези частици се описва точно от функцията на Ойлер. Ако сегментите на струните бяха достатъчно малки, разсъждават тези изследователи, те все още биха изглеждали като точкови частици и следователно няма да противоречат на експерименталните наблюдения. Въпреки че тази теория беше проста и интуитивно привлекателна, скоро се оказа, че струнното описание на силната сила е погрешно. В началото на 1970г. Физиците на високите енергии са успели да надникнат по-дълбоко в субатомния свят и са показали, че редица прогнози, базирани на модели на струни, са в пряк конфликт с резултатите от наблюденията. В същото време имаше паралелно развитие на квантовата теория на полето - квантовата хромодинамика - която използва точков модел на частици. Успехът на тази теория при описването на силното взаимодействие доведе до изоставянето на струнната теория.
Повечето физици на елементарните частици вярваха, че теорията на струните е била изпратена в кошчето завинаги, но редица изследователи останаха верни на нея. Шварц, например, чувства, че „математическата структура на теорията на струните е толкова красива и има толкова много удивителни свойства, че със сигурност трябва да сочи към нещо по-дълбоко“ 2). Един от проблемите, които физиците имаха с теорията на струните, беше, че тя изглежда предоставяше твърде голям избор, което беше объркващо. Някои конфигурации на вибриращи струни в тази теория имаха свойства, които приличаха на свойствата на глуоните, което даде основание наистина да се счита за теория на силното взаимодействие. Но в допълнение към това той съдържа допълнителни частици носители на взаимодействие, които нямат нищо общо с експерименталните прояви на силното взаимодействие. През 1974 г. Шварц и Джоел Шерк от френската École Technique Supérieure правят смело предложение, което превръща този очевиден недостатък в предимство. След изучаване на странните режими на вибрация на струните, напомнящи на частици носители, те осъзнават, че тези свойства съвпадат учудващо близо с предполагаемите свойства на хипотетичната частица носител на гравитационното взаимодействие - гравитонът. Въпреки че тези " миниатюрни частициТъй като гравитационното взаимодействие все още не е открито, теоретиците могат уверено да предскажат някои фундаментални свойства, които тези частици трябва да имат. Шерк и Шварц установиха, че тези характеристики са точно реализирани за някои режими на вибрация. Въз основа на това те предполагат, че първото появяване на теорията на струните се е провалило, защото физиците са стеснили прекалено много нейния обхват. Шерк и Шварц обявиха, че струнната теория не е просто теория за силната сила, тя е квантова теория, която, наред с други неща, включва гравитацията).

Физическата общност реагира на това предложение с голяма резерва. Всъщност, според мемоарите на Шварц, „нашата работа беше игнорирана от всички“ 4). Пътищата на прогреса вече бяха напълно затрупани с множество неуспешни опити за комбиниране на гравитацията и квантовата механика. Струнната теория се провали в първоначалния си опит да опише силната сила и за мнозина изглеждаше безсмислено да се опитват да я използват за постигане на още по-големи цели. Последващи по-подробни проучвания в края на 70-те и началото на 80-те години на ХХ век. показа, че теорията на струните и квантовата механика имат свои собствени, макар и по-малки, противоречия. Изглеждаше, че гравитационната сила отново успя да устои на опита да бъде интегрирана в описанието на Вселената на микроскопично ниво.
Това беше до 1984 г. В забележителна статия, която обобщава повече от десетилетие на интензивни изследвания, които бяха до голяма степен игнорирани или отхвърлени от повечето физици, Грийн и Шварц установиха, че незначителното несъответствие с квантовата теория, което измъчва теорията на струните, може да бъде допуснато. Нещо повече, те показаха, че получената теория е достатъчно широка, за да обхване всичките четири вида сили и всички видове материя. Мълвата за този резултат се разпространи в общността на физиците, като стотици физици на елементарните частици преустановиха работата по проектите си, за да участват в нападение, което изглеждаше като последната теоретична битка в едно вековно нападение срещу най-дълбоките основи на Вселената.
Мълвата за успеха на Грийн и Шварц в крайна сметка достигна дори до студентите от първа година и предишната мрачност беше заменена от вълнуващо чувство за участие в повратна точка в историята на физиката. Много от нас стояхме будни до късно през нощта, разглеждайки огромните томове от теоретична физика и абстрактна математика, които са от съществено значение за разбирането на теорията на струните.

Ако вярвате на учените, тогава ние самите и всичко около нас се състои от безкраен брой такива мистериозни сгънати микрообекти.
Периодът от 1984 до 1986 г сега известна като "първата революция в теорията на суперструните". През този период са написани повече от хиляда статии по теория на струните от физици по целия свят. Тези произведения убедително демонстрираха, че многото свойства на стандартния модел, открити чрез десетилетия усърдно изследване, произтичат естествено от великолепната система на теорията на струните. Както отбеляза Майкъл Грийн, „Моментът, в който се запознаете със струнната теория и осъзнаете, че почти всички големи постижения във физиката от миналия век са произлезли – и са протекли с такава елегантност – от такава проста отправна точка, ясно демонстрира невероятната сила на тази теория.”5 Нещо повече, за много от тези свойства, както ще видим по-долу, теорията на струните предоставя много по-пълно и задоволително описание от стандартния модел. Тези постижения убедиха много физици, че теорията на струните може да изпълни своите обещания и да се превърне в крайната обединяваща теория.

Двумерна проекция на тримерно многообразие на Калаби-Яу. Тази проекция дава представа колко сложни са допълнителните измерения.

По този път обаче физиците, работещи върху струнната теория, отново и отново се натъкват на сериозни пречки. В теоретичната физика често трябва да се занимаваме с уравнения, които са или твърде сложни за разбиране, или трудни за решаване. Обикновено в такава ситуация физиците не се отказват и се опитват да получат приблизително решение на тези уравнения. Ситуацията в теорията на струните е много по-сложна. Дори самото извеждане на уравненията се оказва толкова сложно, че досега е получена само приблизителна форма от тях. Така физиците, работещи в теорията на струните, се оказват в ситуация, в която трябва да търсят приблизителни решения на приблизителни уравнения. След няколко години на удивителен напредък, постигнат по време на първата революция на суперструните, физиците бяха изправени пред факта, че използваните приблизителни уравнения не бяха в състояние да отговорят правилно на редица важни въпроси, като по този начин възпрепятстваха по-нататъшното развитие на изследванията. Без конкретни идеи за преминаване отвъд тези приблизителни методи, много физици, работещи в областта на теорията на струните, изпитаха нарастващо чувство на неудовлетвореност и се върнаха към предишните си изследвания. За тези, които останаха, края на 80-те и началото на 90-те години. бяха период на тестване.

Красотата и потенциалната сила на теорията на струните привличаха изследователите като златно съкровище, заключено сигурно в сейф, видимо само през малка шпионка, но никой не разполагаше с ключа, който би отприщил тези спящи сили. Дългият период на „сухота“ от време на време беше прекъсван от важни открития, но за всички беше ясно, че са необходими нови методи, които да надхвърлят вече известните приблизителни решения.

Безизходицата приключи със спираща дъха лекция, изнесена от Едуард Витън през 1995 г. на конференция по теория на струните в Университета на Южна Калифорния – лекция, която смая изпълнена до краен предел стая с водещи световни физици. В него той разкри план за следващия етап на изследване, като по този начин постави началото на „втората революция в теорията на суперструните“. Струнните теоретици сега работят енергично върху нови методи, които обещават да преодолеят препятствията, които срещат.

За широкото популяризиране на ТС човечеството трябва да издигне паметник на професора от Колумбийския университет Браян Грийн. Неговата книга от 1999 г. „The Elegant Universe. Суперструни, скрити измерения и търсенето на най-добрата теория” се превърна в бестселър и спечели награда Пулицър. Работата на учения е в основата на научно-популярен мини-сериал със самия автор като водещ - фрагмент от него можете да видите в края на материала (снимка Amy Sussman/Columbia University).

кликваеми 1700 px

Сега нека се опитаме поне малко да разберем същността на тази теория.

Започни отначало. Нулевото измерение е точка. Тя няма размер. Няма къде да се движите, не са необходими координати, за да се посочи местоположението в такова измерение.

Нека поставим втора до първата точка и да начертаем права през тях. Ето първото измерение. Едномерният обект има размер - дължина, но няма ширина или дълбочина. Движението в рамките на едномерното пространство е много ограничено, тъй като препятствието, което възниква по пътя, не може да бъде избегнато. За да определите местоположението на този сегмент, имате нужда само от една координата.

Нека поставим точка до сегмента. За да поберем и двата обекта, ще ни трябва двуизмерно пространство с дължина и ширина, тоест площ, но без дълбочина, тоест обем. Местоположението на всяка точка от това поле се определя от две координати.

Третото измерение възниква, когато добавим трета координатна ос към тази система. За нас, жителите на триизмерната вселена, е много лесно да си представим това.

Нека се опитаме да си представим как обитателите на двумерното пространство виждат света. Например тези двама мъже:

Всеки от тях ще види своя другар така:

И в тази ситуация:

Нашите герои ще се видят така:

Именно промяната на гледната точка позволява на нашите герои да се преценяват като двуизмерни обекти, а не като едноизмерни сегменти.

Сега нека си представим, че определен обемен обект се движи в третото измерение, което пресича този двуизмерен свят. За външен наблюдател това движение ще се изрази в промяна на двуизмерните проекции на обекта върху равнината, като броколи в MRI машина:

Но за жител на нашата Равнина такава картина е непонятна! Той дори не може да си я представи. За него всяка от двуизмерните проекции ще се разглежда като едноизмерен сегмент с мистериозно променлива дължина, появяващ се на непредсказуемо място и също изчезващ непредсказуемо. Опитите да се изчисли дължината и мястото на произход на такива обекти с помощта на законите на физиката на двумерното пространство са обречени на провал.

Ние, жителите на триизмерния свят, виждаме всичко като двуизмерно. Само преместването на обект в пространството ни позволява да усетим неговия обем. Ние също ще видим всеки многоизмерен обект като двуизмерен, но той ще се промени по изненадващи начини в зависимост от нашата връзка с него или времето.

От тази гледна точка е интересно да се мисли например за гравитацията. Вероятно всеки е виждал подобни снимки:

Те обикновено изобразяват как гравитацията огъва пространство-времето. Огъва се... къде? Точно не в някое от познатите ни измерения. А какво ще кажете за квантовото тунелиране, тоест способността на една частица да изчезне на едно място и да се появи на съвсем друго и зад препятствие, през което в нашите реалности тя не би могла да проникне, без да направи дупка в него? Ами черните дупки? Ами ако всички тези и други мистерии на съвременната наука се обясняват с факта, че геометрията на пространството изобщо не е същата, каквато сме свикнали да я възприемаме?

Часовникът тиктака

Времето добавя още една координата към нашата Вселена. За да се състои едно парти, трябва да знаете не само в кой бар ще бъде, но и точно времетова събитие.

Въз основа на нашето възприятие времето не е толкова права линия, колкото лъч. Тоест има отправна точка и движението се извършва само в една посока - от миналото към бъдещето. Освен това само настоящето е истинско. Нито миналото, нито бъдещето съществуват, както не съществуват закуските и вечерите от гледна точка на един офис служител по време на обедната му почивка.

Но теорията на относителността не е съгласна с това. От нейна гледна точка времето е пълноценно измерение. Всички събития, които са съществували, съществуват и ще съществуват, са еднакво реални, както е реален морският бряг, независимо къде точно са ни изненадали сънищата от шума на прибоя. Нашето възприятие е просто нещо като прожектор, който осветява определен сегмент на права линия от време. Човечеството в своето четвърто измерение изглежда така:

Но ние виждаме само проекция, отрязък от това измерение във всеки отделен момент във времето. Да, да, като броколи в ядрено-магнитен резонанс.

Досега всички теории са работили с голям брой пространствени измерения, а временното винаги е било единственото. Но защо пространството позволява множество измерения за пространство, но само един път? Докато учените не могат да отговорят на този въпрос, хипотезата за две или повече времеви пространства ще изглежда много привлекателна за всички философи и писатели на научна фантастика. И физиците също, какво от това? Например американският астрофизик Ицхак Барс вижда корена на всички проблеми с теорията на всичко като пренебрегваното второ времево измерение. Като умствено упражнение, нека се опитаме да си представим свят с две времена.

Всяко измерение съществува отделно. Това се изразява в това, че ако променим координатите на обект в едно измерение, координатите в други може да останат непроменени. Така че, ако се движите по една времева ос, която пресича друга под прав ъгъл, тогава в пресечната точка времето наоколо ще спре. На практика ще изглежда така:

Всичко, което Нео трябваше да направи, беше да постави своята едномерна времева ос перпендикулярно на времевата ос на куршумите. Една дреболия, ще се съгласите. В действителност всичко е много по-сложно.

Точното време във вселена с две времеви измерения ще се определя от две стойности. Трудно ли е да си представим двуизмерно събитие? Тоест такъв, който е удължен едновременно по две времеви оси? Вероятно такъв свят ще изисква специалисти по картографиране на времето, точно както картографите картографират двуизмерната повърхност на земното кълбо.

Какво друго отличава двумерното пространство от едномерното? Възможността за заобикаляне на препятствие, например. Това е напълно извън границите на нашия ум. Жител на едноизмерен свят не може да си представи какво е да завиеш зад ъгъл. И какво е това - ъгъл във времето? Освен това в двуизмерното пространство можете да пътувате напред, назад или дори диагонално. Нямам представа какво е да минаваш през времето по диагонал. Да не говорим за факта, че времето е в основата на много физически закони и е невъзможно да си представим как ще се промени физиката на Вселената с появата на друго времево измерение. Но е толкова вълнуващо да се мисли за това!

Много голяма енциклопедия

Други измерения все още не са открити и съществуват само в математически модели. Но можете да се опитате да си ги представите така.

Както разбрахме по-рано, виждаме триизмерна проекция на четвъртото (времево) измерение на Вселената. С други думи, всеки момент от съществуването на нашия свят е точка (подобно на нулевото измерение) в периода от Големия взрив до края на света.

Тези от вас, които са чели за пътуването във времето, знаят каква важна роля играе в него кривината на пространствено-времевия континуум. Това е петото измерение - именно в него четириизмерното пространство-време се "огъва", за да сближи две точки на тази линия. Без това пътуването между тези точки би било твърде дълго или дори невъзможно. Грубо казано, петото измерение е подобно на второто - то премества „едноизмерната“ линия на пространство-времето в „двуизмерна“ равнина с всичко, което предполага под формата на способността да се завие зад ъгъла.

Малко по-рано нашите особено философски настроени читатели вероятно са мислили за възможността за свободна воля в условия, когато бъдещето вече съществува, но все още не е известно. Науката отговаря на този въпрос по следния начин: вероятности. Бъдещето не е тояга, а цяла метла възможни вариантиразвитие на събитията. Ще разберем коя ще се сбъдне, когато стигнем до там.

Всяка от вероятностите съществува под формата на „едномерен“ сегмент на „равнината“ на петото измерение. Кой е най-бързият начин за прескачане от един сегмент в друг? Точно така - огънете тази равнина като лист хартия. Къде да го огъна? И отново правилно - в шестото измерение, което придава на цялата тази сложна структура "обем". И по този начин го прави, подобно на триизмерното пространство, „завършен“, нова точка.

Седмото измерение е нова права линия, която се състои от шестизмерни „точки“. Коя е друга точка на тази линия? Целият безкраен набор от възможности за развитие на събитията в друга вселена, образувана не в резултат на Големия взрив, а при други условия и действаща по други закони. Тоест седмото измерение са мъниста от паралелни светове. Осмото измерение събира тези „прави линии“ в една „равнина“. А деветото може да се сравни с книга, която съдържа всички „листове“ на осмото измерение. Това е съвкупността от всички истории на всички вселени с всички закони на физиката и всички начални условия. Отново точка.

Тук достигнахме границата. За да си представим десетото измерение, имаме нужда от права линия. И каква друга точка може да има на тази линия, ако деветото измерение вече обхваща всичко, което може да се представи, и дори това, което е невъзможно да си представим? Оказва се, че деветото измерение не е просто поредната отправна точка, а крайната – поне за нашето въображение.

Теорията на струните твърди, че струните вибрират в десетото измерение - основните частици, които изграждат всичко. Ако десетото измерение съдържа всички вселени и всички възможности, тогава струните съществуват навсякъде и през цялото време. Искам да кажа, че всеки низ съществува както в нашата вселена, така и във всяка друга. По всяко време. Незабавно. Готино, а?

Физик, специалист по теория на струните. Той е известен с работата си върху огледалната симетрия, свързана с топологията на съответните многообразия на Калаби-Яу. Познат на широката публика като автор на научно-популярни книги. Неговата „Елегантна вселена“ е номинирана за награда „Пулицър“.

През септември 2013 г. в Москва по покана Политехнически музейБраян Грийн пристигна. Известен физик, теоретик на струните и професор в Колумбийския университет, той е известен на широката публика предимно като популяризатор на науката и автор на книгата „Елегантната вселена“. Lenta.ru разговаря с Браян Грийн за теорията на струните и скорошните трудности, пред които е изправена теорията, както и за квантовата гравитация, амплитуедъра и социалния контрол.

Литература на руски език: Kaku M., Thompson J.T. „Отвъд Айнщайн: Суперструни и търсенето на окончателната теория“ и какво беше това Оригиналната статия е на уебсайта InfoGlaz.rfВръзка към статията, от която е направено това копие -