Очередной (теперь уже точно предпоследний :-) фрагмент из финала ЖЭГ. То есть сильно разросшегося опуса «Женщины, Эйнштейн и Голография».
Начало цикла см тут: [ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8a ], [ 8b ], [ 8c ].
10
В зависимости от того, как смотреть на мир реальности, окружающей людей, о размерности пространства говорят либо в терминах 3D (трех измерений), либо 4D (добавляя в картину время). Однако наиболее продвинутые физические теории человечества компетентно заверяют, что для работы всех установленных механизмов природы количество измерений пространства должно быть – как минимум – равно десяти.
Большая проблема заключается в том, что ученым пока еще совершенно неясно, каким образом из 10D-мира их теорий естественным образом получается 3D-пространство нашей вселенной. Ирония же ситуации в том, что подсказка к решению этой сложнейшей задачи всегда находится у теоретиков перед глазами. Взглянув на пальцы наших рук и обратив внимание на их количество-тире-расположение (10=5+5), можно постичь нечто существенное. Если, конечно, помнить историю физики и уметь смотреть на вещи иначе. [101]
#
Объяснения «на пальцах» любят все и всегда – что простые люди, что гениальные ученые. Один из них (теоретик Ричард Фейнман), для примера, в свое время прибегал к такой метафоре. Все наши теории о физике разных фундаментальных взаимодействий подозрительно похожи друг на друга. В рамках общей калибровочной концепции они единообразно описывают очень разные, казалось бы, вещи. Мы не знаем, почему это так. Но может оказаться, что все изучаемые нами явления – это на самом деле разные стороны одной и той же скрытой от нас большой картины, части которой, взятые по отдельности, лишь кажутся разными. Как пальцы на одной руке.
Единый механизм взаимодействий и общий для них принцип нарушения симметрии – излагая их попроще – сводятся примерно к таким вещам. Все теории Стандартной Модели для устройства «физических сил» описывают взаимодействия между объектами-фермионами со спином 1/2 (вроде электронов) и объектами-бозонами, имеющими спин 1 (вроде фотонов), на базе концепции «циферблатов и стрелок».
У каждой частицы-волны как бы имеется свой циферблат, по кругу которого все время движется стрелка, изменяющая свою длину (или иначе, размер циферблата). И когда частицы взаимодействуют, то вероятности разных исходов этого события находятся в прямой зависимости от длины стрелок (амплитуды волны) и от того, какое «время на своем циферблате» они в этот момент указывают (фаза волны). Уже давно стало понятно, что для каждого из разных взаимодействий на циферблате есть свои особые позиции, нарушающие симметрию круга и радикально изменяющие вероятности исходов. Но вот как это все реально в природе устроено – для науки все еще остается загадкой… [102]
#
Метафора с пальцами одной руки – для иллюстрации идеи о единой и неразрывной природе всех разных «сил» физической теории – особенно уместна здесь вот по какой причине. Главная тема раздела, можно напомнить, это загадки устройства 10-мерного пространства вселенной. Или, другими словами, особенности 10D-геометрии, порождающие наш 3-мерный мир. А в науке физике очень давно, еще в середине XIX века, Уильямом Клиффордом была выдвинута идея о том, что все объекты и события окружающего нас мира – это в конечном счете есть эффекты искривлений и волн в геометрии пространства. Сейчас эту концепцию принято именовать «геометризация физики».
Первым реальным шагом к воплощению данной идеи стала теория гравитации или ОТО (общая теория относительности) Эйнштейна, на базе математики 4-мерного тензора показавшая, что в основе «сил тяготения» между объектами 3D-мира лежат эффекты искривления 4-мерного пространства. Почти сразу вслед за этим открытием появилась идея расширить размерность тензора до пяти. Неизвестно, пришла ли столь любопытная мысль Теодору Калуце при взгляде на пальцы своей руки, однако несомненно, что концепция расширения геометрии пространства до 5D подарила физикам целый букет новых чудесных открытий.
Уже самые первые, проведенные в рамках классической физики, исследования и преобразования соотношений в 5-мерном тензоре ОТО позволили Калуце продемонстрировать единую природу совершенно разных, казалось бы, взаимодействий. Выяснилось, что одни и те же уравнения изменений в 5D-геометрии мира описывают не только гравитацию Эйнштейна, но также электромагнетизм Максвелла, плюс еще одно скалярное периодическое воздействие на каждую точку пространства (очень важный, надо подчеркнуть, «плюс», с которым долгое время не знали, что делать).
В те же 1920-е годы, работая почти одновременно с Калуцей, но действуя с другой стороны, Оскар Клейн объединил новую 5D-геометрию с квантовой механикой, сумев вывести из соотношений расширенной ОТО волновое уравнение Шрёдингера. И хотя из математики формул это не следовало никак, интуиция Клейна привела его к выводу, что фундаментальной важности элемент квантовой физики – планковский квант энергии – порождается именно в 5D. А именно, как эффект непрерывных колебаний пространства по пятому измерению. Более того, когда в 1930-е годы появилась совершенно новая область исследований, ядерная физика, тот же Оскар Клейн весьма изящно (и в целом верно даже по сегодняшним меркам) встроил в свою единую 5D-конструкцию еще и ядерный аспект взаимодействий. Коллеги-ученые, впрочем, Клейна проигнорировали. [103]
#
Тема глубоких идей и открытий, имеющих важнейшее значение для прогресса науки, но игнорируемых современниками, здесь развиваться не будет. Но там, где контекст подходящий, о подобных открытиях вспоминать совершенно необходимо. В частности, принципиальной значимости идея, прямиком ведущая к постижению многомерной геометрии мира, раздвоенной в виде «10=5+5», была впервые выдвинута Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном еще в середине 1930-х годов. В сильно искаженном виде эта концепция известна сегодня под названиями «кротовая нора» или «мост ЭР», однако изначально у самих авторов речь шла о представлении частицы в виде своего рода трубки-перемычки, соединяющей два параллельных листа-пространства вселенной.
Надо было сильно постараться, чтобы не заметить взаимосвязей между идеей «моста ЭР» (кратко ER) и «зиг-заг-представлением» частицы с электрическим зарядом, обнаруженным чуть ранее в релятивистском квантовом уравнении Дирака. Это математическое преобразование, можно напомнить, позволяет смотреть на электрон и протон как на сдвоенную частицу-биспинор, все время находящуюся в перескоках между двумя существенно разными безмассовыми состояниями, условно именуемыми «зиг» и «заг». А известная нам частица с массой наблюдается как своего рода итоговый результат колебаний вот этого непрерывного скачущего биспинора.
Факты истории таковы, что никто из теоретиков не углядел ни связей между ER и уравнением Дирака, ни тем более, их общую глубокую взаимосвязь с идеей Клейна о порождении квантов энергии в процессе колебаний частиц по 5-му измерению, а также с открытием Калуцей в 5D особого скалярного воздействия на все точки пространства. Вполне возможно, что если бы в ту пору был известен феномен осциллонов (разновидности стоячих волн в вибрирующей среде, имеющих две существенно разные фазы колебаний), то единая физика всех этих вещей проступила бы куда более отчетливо. Однако осциллоны – очень простые в природе их порождения – были открыты, увы, лишь в самом конце XX века. [104]
#
Пытаясь отыскать красивую математическую структуру для разрешения тех проблем, что одолевали теорию квантовой физики, П.А.М. Дирак еще в начале 1940-х годов выдвинул концепцию «гипотетического мира», по сути своей очень близкую ER. То есть близкую сугубо классической, надо подчеркнуть, концепции Эйнштейна и Розена, выведенной как общее решение для уравнений гравитации ОТО и уравнений электромагнетизма Максвелла. В модели же Дирака еще один, параллельный нашему «гипотетический мир» понадобился для того, чтобы математически строго и эстетически изящно избавиться от натяжек и расхождений в уравнениях квантовой электродинамики.
Мир физиков, активно занятый в ту пору созданием ядерной бомбы и прочих орудий войны, к предложенной Дираком идее отнесся абсолютно безразлично. Примерно с таким же равнодушием уже в послевоенные годы был встречен и комплекс новых предложений П.А.М. по улучшению квантовой теории. Это может показаться крайне странным, но было именно так. Когда один из авторитетнейших ученых планеты продемонстрировал сообществу, что отвергнутая прежде концепция эфира – как тонкой формы материи – на самом деле не только не противоречит формулам теории относительности, но и несет в себе массу полезного для дальнейшего развития квантовой физики, то новость эта не вызвала у коллег практически никакого интереса.
По этой же причине в фундаментальной физической теории оказались совершенно упущены и все прочие идеи Дирака, наводившие мосты логики и здравого смысла между куда более внятной классической физикой XIX века и новой физикой века XX, упрямо цеплявшейся за дурную философию о «непостижимости мира». В частности, фактически без всякого обсуждения были отвергнуты идеи П.А.М. о возврате концепций абсолютного времени и абсолютной одновременности. О «струнах Дирака», избавлявших физику от бессмысленных точечных зарядов и трактовавших природу взаимодействий в терминах физических каналов-линий, соединяющих частицы. Не говоря уже о почти всеми забытом «гипотетическом мире»… [105]
#
Единственным из отцов современной физики, кто в те же 1950-е годы не только заинтересовался концепцией еще одного мира, параллельного нашему, но и определенно сумел эту идею развить, оказался Вольфганг Паули. Достоверно известно, что результатом этой разработки стала собственная новаторская теория Паули об устройстве вселенной, в основе которой он особо подчеркивал принципы «раздвоения и уменьшения симметрии».
И хотя в силу загадочных, по сию пору не раскрытых обстоятельств, этот большой ученый почему-то сначала отказался от публикации своих открытий, а затем скоропостижно умер, ничто не мешает ныне аккуратно восстановить, что там имелось в виду. Благо из обширной переписки Паули известно, какими вещами он в тот период интересовался и какие идеи разрабатывал. Да и наука с тех пор отнюдь не стояла на месте, успев самостоятельно переоткрыть примерно все то же самое – но только в разрозненном, разве что, и иначе скомпонованном виде.
Сводя ключевые результаты «концепции Паули» к нескольким фразам, можно изложить это так. Суть «раздвоения мира», необходимого не только для работы механизмов квантовой физики и гравитации, но и для целостного объединения всех взаимодействий в единую геометрическую структуру, сводится к односторонней поверхности-мембране типа «толстой» ленты Мёбиуса. Но если у всякой физической ленты есть толщина – как 3-е измерение, соединяющее две 2D-поверхности – то с размерностями и «толщиной» нашего 10D-мира картина выглядит несколько сложнее. И требует отдельных разъяснений чуть далее.
Что же касается принципов уменьшения (или нарушения) симметрии, которые выявлены наукой не только как основа единой природы всех взаимодействий, но и как глубинная причина их кажущихся различий, то здесь суть идеи в следующем. Как физическое отражение концепции абсолютного времени, все пространство мембраны в каждом такте жизни вселенной синхронно сдвигается на один дискретный шаг по оси времени – смещаясь как материальный раздел между прошлым и будущим. Иначе говоря, мембрана пространства всегда перпендикулярна оси времени, пребывая в постоянном «теперь». При этом физика вибраций мембраны такова, что спин или стрелка оси вращения частиц материи (фермионов) всегда имеет направление либо параллельно оси времени, либо антипараллельно. Соответственно, фотоны – как частицы-переносчики взаимодействий (бозоны) – всегда имеют направление спина вдоль мембраны, или иначе, перпендикулярно оси времени…
Это, собственно, и есть самое главное среди всех «нарушение симметрии» – из которого естественным физическим образом вытекают все остальные. [106]
#
Несколько парадоксальным, быть может, образом, подлинно грандиозный масштаб открытия Паули удобно объяснять на основе физики голографии. То есть такого феномена, фундаментальную важность которого в 1950-е годы не понимал еще практически никто. Включая, естественно, и самого первооткрывателя Денниса Габора, который для усовершенствования электронного микроскопа придумал новый способ «полной записи изображения» – путем регистрации на снимке не только амплитуды, но и фазы тех волн, что рассеивает снимаемый объект. (Иначе говоря, голография фиксирует не только величину «стрелок на циферблатах» частиц, но и то время, которое стрелки указывали при попадании частиц на снимок).
Факты истории сложились так, что вскоре за открытием лазера – как когерентного источника света – не только произошел значительный прорыв в развитии собственно технологии голографических изображений, но и были открыты другие важные приложения голографии. В частности, базовые принципы голографического хранения информации в кристалле и принципы голографического кино, то есть порождения голограмм в движении. Особая важность этих принципов для постижения устройства реальности, впрочем, и по сию пору остается для науки как бы тайной.
Когда Питер ван Хеерден в начале 1960-х опубликовал свои работы с расчетами и общим описанием устройства для голографического хранения информации на основе кристалла, практически никто не обратил внимание на любопытную вещь. Фактически, кристалл ван Хеердена, позволявший записывать 3D-голограммы в 2D-слои, был способен воспроизводить не 3-х, а 5-мерные изображения – доступные нам в своих 3D-проекциях… Опираясь на особенности волновой физики интерференции, ван Хеерден показал, что в слой, уже хранящий «обычный» снимок-голограмму, можно записывать и другие снимки – изменяя при записи угол между лучами предметной и опорной волн. А кроме того, изменяя частоту света, используемого для съемки, туда же можно также без помех записывать и снимки в иных частотных полосах. Таким образом, для извлечения нужной 3D-голограммы из совокупного 5D-снимка, следовало осветить его лучом под нужным углом и с нужной частотой…
Понятно, наверное, что последовательно записывая в слои голографического кристалла разные фазы движения объекта, несложно затем и «оживить» голограмму, в том же порядке считывая из памяти и воспроизводя снимки обратно. Существенно более продвинутый способ голографического кино, непосредственно порождающий движение элементов статичной голограммы с помощью компьютера и матрицы-модулятора, изобрел Стивен Бентон. Разработанный им с коллегами метод видеоголографии был построен на основе акусто-оптического модулятора, где элементы голографического изображения двигались, фактически, под воздействием акустических волн.
(Хотя внимательный читатель способен заметить это и сам, не мешает напомнить, что специфическое скалярное воздействие, охватывающее все точки пространства и по своим свойствам похожее на акустическое, было обнаружено еще Теодором Калуцей при переходе к рассмотрению физики от 4D к 5D. Так была открыта, можно сказать, еще одна, пятая «проекция единого воздействия», в нашем 3D-мире наблюдаемого как электромагнетизм, гравитация, сильные и слабые ядерные силы.) [107]
#
В 1970-1980-х годах непосредственная связь между физикой голографии и природой реальности проявилась отчетливее благодаря двум очень важным работам теоретика Майкла Берри (хотя сам он, практически наверняка, об этом тогда не думал). Сначала, в совместной работе Берри с Джоном Наем, было показано, что физику прохождения волн в среде, если рассматривать ее в четырех измерениях пространства-времени, можно описывать теми же понятиями и формулами, что и образование дефектов-дислокаций в кристаллах (всякий топологический дефект-неоднородность, следует отметить, это по природе своей нарушение симметрии пространства).
Для людей с абстрактно-математическим мышлением выявленное совпадение формул было тривиальным и практически самоочевидным фактом, но вот для физика, особенно, если он способен «смотреть иначе», в этом факте содержится прямая подсказка относительно специфической микроструктуры пространства… А спустя еще несколько лет благодаря опять-таки Майклу Берри интерес научного сообщества удалось привлечь к другому «как бы давно известному» физическому феномену, ныне обычно упоминаемому под названием «набегающей фазы Берри».
Суть этого геометрического феномена природы в том, что во всякой колебательной системе, одновременно испытывающей как минимум два разных периодических воздействия, естественным образом возникает дополнительный эффект вращения… Это интересное явление действительно известно ученым давным-давно, наблюдается в любых масштабах от космоса до микромира, но почему-то очень долго от всех ускользала его универсальная важность. Причем нельзя сказать, что на сегодняшний день с фазой Берри науке понятно уже практически все.
Например, в лазерной физике есть очень эффектный трюк с «вращением луча» (лежащий в основе прибора «оптический пинцет»): когда в луч лазера одной частоты подмешивают луч другой частоты, а эффект набегающей фазы заставляет совокупный луч вращаться – попутно вращая и попавшую в сечение луча микрочастицу. Короче, физика явления хорошо понята и успешно используется в практических приложениях… Но вот природа такого универсального явления, как спин – или собственное вращение частиц – для науки по сию пору как бы загадка…
Физика лазеров, органично сочетающая в себе квантовые эффекты и классическую физику, предоставила ученым редкие возможности для прямого изучения в макромасштабе очень тонких и обычно недоступных для наблюдения явлений микромира. В частности, появилась богатейшая область исследований под названием нелинейная оптика. Открывшая, можно сказать, глаза науке на чрезвычайно разнообразную гидродинамическую природу света в области высоких энергий (или иначе, микроскопических масштабов фотонов): оптические вихри, генерация вторых и третьих гармоник, феномены самофокусировки луча и индуцированной прозрачности среды… Список открытий и необычных феноменов здесь не только велик, но и регулярно прирастает.
Еще одной очень плодотворной областью для «нежных» исследований, без всяких ускорителей-кувалд-коллайдеров открывающей ученым тайны устройства микромира, стала физика пылевой плазмы. Благодаря специфическим особенностям физики плазмы как четвертого – особо подвижного состояния – материи, наука имеет здесь возможность моделировать и наблюдать множество феноменов самоорганизации в геометрической микроструктуре пространства. В частности – среди прочего – обнаружено одновременное существование трех «несовместимых» (как считалось прежде) фаз тонкой материи с газообразной, жидкой и кристаллической структурой.
Все перечисленные успехи новой экспериментальной физики, обнаруживающей в природе пространства и света отчетливые признаки жидкокристаллической структуры, предоставляют очень солидный базис для возврата к давним идеям ТЭК, то есть к гравитационной теории Картана-Эйнштейна. Основное отличие которой от «обычной» ОТО Эйнштейна заключается в том, что Эли Картан дал более физичное, можно сказать, описание взаимодействий пространства и вещества-энергии, не только включив в схему искривлений геометрии собственное вращение материи (спин), но и продемонстрировав, что спин материи неразрывно связан с кручением пространства (иначе именуемым торсион).
Чтобы реальность физической структуры, описываемой уравнениями ТЭК, проступила особо отчетливо, полезно сопоставить эту теоретическую модель с исследованиями Майкла Берри. И напомнить сравнительно недавнюю работу теоретиков М. Руджиеро и А. Тартальи, в которой математика теории гравитации Картана соотнесена «как у Берри» с классической теорией дефектов в упругой среде. И показано, что пространство-время ТЭК можно рассматривать как состояние 4D-континуума, содержащего дефекты – типа дисклинаций и дислокаций в кристалле, которые соотносятся с кривизной и кручением пространства…
Наконец, именно Картан был тем математиком, кто еще в 1920-е годы первым указал на важность калибровочных и гидродинамических идей для сведения всех физических «сил» к концепции единого воздействия в его разных проявлениях. Никто, правда, прислушиваться к идеям Картана не стал. [108]
#
К концу XX века главным претендентом на роль «теории всего», как бы сулящей в перспективе объединить все «силы природы» в рамках единой концепции, стали считать теорию струн. Оттенок «как бы» тут абсолютно необходим, потому что математика теории струн оперирует в 10D, но вот как от них переходить к 3D, никто не знает. А все теоретические предсказания этой математики настолько далеки от возможностей их экспериментальной проверки, что вполне справедливо относиться к теории струн как к абстрактной модели, которая может и способна «объяснять все», но не предсказывает вообще ничего, связанного с реальностью.
Практически одновременно с закреплением столь странной ситуации на передовых рубежах физической теории, в середине 1990-х произошло выдающееся открытие у физиков-экспериментаторов. Был обнаружен феномен осциллонов – на редкость устойчивых одиночных осциллирующих волн, очень простых в порождении, но демонстрирующих поразительно богатую физику взаимодействий, похожих на электромагнитные.
Энтузиасты нового открытия вполне справедливо увидели тут путь к разрешению по сию пору мутных загадок в природе электричества и магнетизма, однако по неясным причинам никто развивать это направление не стал. Поэтому непосредственная связь между осциллонами и «пульсирующими сферами» Карла Бьеркнеса, еще в XIX веке объяснявшими тайны электромагнетизма через естественные гидродинамические эффекты, так и осталась в науке незамеченной.
Ирония ситуации заключается в том, что предельно наглядная, но фактически проигнорированная научным сообществом физика осциллонов (сугубо классическая физика, но при этом с отчетливо дискретными – квантованными – фазами волн в вибрирующей среде) предоставляет ключи не только к подлинному пониманию механизмов электромагнетизма. Но также к пониманию многих механизмов квантовой физики. И даже квантовой природы гравитации.
Одним из ярких примеров, демонстрирующих, сколь полезным для понимания природы оказывается объединение наглядной физики осциллонов Бьеркнеса, непростой квантово-гравитационной 5D-теории Калуцы-Клейна и совсем уж нетривиальной 10D-теории струн, может служить следующий необычный феномен. Точнее, очень краткий и нестандартный пересказ странных результатов, полученных при решении уравнений в ряде известных струнно-коллективных работ, сделанных при непосредственном участии дамы-теоретика Евы Силверстейн.
Фактически синхронно с открытием осциллонов в физике гранулированных сред, в теории струн был открыт математический аппарат бран-поверхностей, позволивший существенно продвинуть и обобщить теорию сразу на множестве направлений. При новом брановом инструментарии базовые конфигурации геометрии в теории вибрирующих 1D-струн, ставшие поверхностями, получили новые названия типа «орбифолд» и «конифолд» (обобщение конуса).
Для сравнения, в физике осциллонов имеются две существенно разные фазы в колебаниях объекта, по традиции именуемые «пик» и «кратер». Если же вибрирующая среда жидкая и достаточно глубокая, то обе фазы осциллона становятся конусами – только один выглядит как «холм», а другой как «яма». Ну а в расчетах теории струн для подобного рода осциллирующих конфигураций установлено, что в вершине конуса накапливается избыток энергии, делающий систему нестабильной. Возврат к устойчивому состоянию происходит за счет «отщипывания» верхушки и сглаживания вершины конуса.
Или иначе, на острие конифолда рождается крошечный шарик (точнее, сферический вихрь). Если же рассматривать данный процесс в условиях двух параллельных бран, то это, по сути, устройство пары протон-электрон: широкое основание конифолда на одной бране и отщипнутый от верхушки шарик на другой бране. В следующем же такте колебаний системы происходит схождение бран и «флоп-переход» – когда конифолд переворачивается, а обе частицы пары по сути дела меняются местами.
С голографической точки зрения во всей этой струно-брано-физике осциллонов особый интерес представляет фаза схождения бран, поскольку именно здесь – «в колебаниях по пятому измерению», как предположил еще в 1920-е годы Оскар Клейн – порождается основа фотонов, планковский квант энергии. А также «кое-что еще». Если воспользоваться словами, которые применил к данной конструкции-генератору Майкл Атья, то здесь же, по сути, порождается вся математика. Да и вся прочая реальность сознания и материи, фактически…
Чтобы предельно кратко – и при этом доступно – изложить суть «процесса генерации реальности», в основе своей математически уже выявленного и описанного в теории струн, имеет смысл по возможности избегать специальных терминов теоретиков, понятных лишь в узком кругу. И попытаться изложить то же самое «на пальцах», образно выражаясь. Точнее, в терминах вихрей, понятных всем со времен Декарта.
Когда при схождении бран конус протона складывается в плоский вихрь, то попутно оказываются в одной плоскости и его внутренние вихри, регулярно образующиеся в процессе васцилляции системы и в ядерной физике известные как кварки. В момент схождения бран – когда наш мир исчезает – эти микровихри уже нельзя считать кварками (поскольку нет и самого протона), но математика показывает, что при очередном акустическом ударе-встряхивании в данном узле мембраны порождаются и разлетаются три вихря. Один отрывается от мембраны (становясь тахионом), а два других образуют в мембране неразрывную пару – или «частицу с разделенной продольной модой», испускаемую как планковский квант энергии.
Когда браны расходятся, а протон и электрон восстанавливаются на них как перевернувшиеся концы осциллона, плоские вихри-половинки кванта оказываются как бы разделенными в двух параллельных пространствах. Но при этом продолжают оставаться единой квантовой системой, в явном виде возвращающейся при следующем схождении бран.
Ранее уже отмечалось, что в разных своих проекциях сдвоенная конструкция планковского кванта оказывается в высшей степени многоликой. И в зависимости от контекста она может выглядеть то как стремительное вихревое кольцо (квант энергии), то как вихревая нить следа после кольца (не только порождающая в теле мембраны «тоннель», но и вихревую губку пространства из цепочек фон Кармана), то как единичный фотон света (спин 1), то как безмассовый гравитон (спин 2) или очень тяжелый бозон Хиггса (спин 0).
Здесь, однако, особый интерес представляют те аспекты геометрии в весьма специфической физике кванта, которые непосредственно порождают голографическую реальность и переход от 10D к 3D. И конечно же, уже не должно удивлять, что ключевую роль при этом играют гравитационно-геометрические идеи Эли Картана о неразрывных взаимосвязях между спином (вращением материи) и торсионом (кручением пространства).
Плюс, естественно, идеи калибровочной теории о циферблатах и стрелках часов у каждой частицы, об их осциллирующих размерах и об особой важности некоторых позиций стрелок на циферблатах. Ну а также, ясное дело, плюс физика вибраций в гранулированных средах, распространение дислокаций в кристаллах и общеизвестные особенности гармонических колебаний.
Каким образом 10D-пространство раскладывается к виду 5D+5D должно быть в общих чертах уже ясно. В системе вибрирующей мембраны, где идет абсолютный отсчет дискретных тактов времени, циклу «тик-так» соответствует перескок типа «зиг-заг» каждой частицы – на параллельную брану и обратно. Поскольку частица раздвоена, а положение ее на каждой из 5D-бран задается пятью координатами, то совокупный комплекс координат в каждый момент времени образует 10D.
Принципиально важным моментом в конструкции вибрирующей раздвоенной мембраны является то, что фаза расхождения бран (10D=5D+5D) регулярно сменяется фазой их схождения в совершенно иной плоский мир (2D), когда обе стороны 5D-вселенной на миг исчезают. Чтобы затем возникнуть вновь, поменявшись местами. Иначе говоря, именно физика и геометрия в основе вот этого порождения 5D из 2D, собственно, нас и интересует.
В корне иная структура плоского 2D-мира такова, что планковский квант энергии (бозон) здесь выглядит как «овал Кельвина» – пара плоских вихрей, закрученных в противоположные стороны и имеющих спины +½ и -½. Или иначе, как фермион с совокупным спином 0. А вот частицы материи, протон и электрон, в этом мире находятся в фазе весьма специфического «флоп-перехода», изменяющего их киральность и общую топологию пространства. Формулируя то же самое более доступными человеческими словами, если обычно они являются трубкой-перемычкой, соединяющей две браны, то здесь трубка «ложится в плоскость» – вытягивась в узкую-узкую щель, убирающую отверстие и превращающую фермионы в бозоны со спином 1.
Как только плоская мембрана в очередной раз встряхивается (акустическим «скалярным полем Калуцы»), 2D-мир суперсимметрии (SUSY) тут же исчезает, а на его месте возникает «толстая» мембрана с пространством 4D. Естественно спросить, почему сразу 4, а не более логичные, казалось бы, 3D?
Наиболее доходчивый и наглядный ответ на этот вопрос лежит в физике вибраций гранулированных сред, естественным образом разделяющихся на слои-фракции по размеру элементов. Несколько более сложный ответ – в физике нелинейной оптики, демонстрирующей естественное порождение вторых и третьих гармоник, удваивающих или утраивающих базовую частоту колебаний в системе…
Иначе говоря, по причине своих непрерывных осцилляций, частицы материи в природе естественным образом разделены на три поколения или три энергетических слоя. Эти слои образуют три отдельные фракции, разделенные механизмом «топологического изолятора Мёбиуса», то есть практически не взаимодействуют друг с другом. Формулируя другими словами, частота осцилляций частиц является еще одной их координатой в пространстве, превращающей 3D в 4D.
Чтобы стало яснее, каким образом 4D превращается в 5D, пора вспомнить принципы голографии в кристалле. Где одно добавочное измерение к обычной 3D-картинке появляется при изменении частотной полосы, а еще одно измерение – при изменении угла наклона для луча освещения… Очень похожий по сути механизм работает и в природе голографической реальности – но только здесь смену угла экспонирования обеспечивает плоскость поляризации отраженного света.
Один из базовых фактов квантовой электродинамики (науки о взаимодействии света и вещества), можно переформулировать так, что кванты света, излучаемые материей, распространяются как винтовая дислокация в кристалле (иначе, имеют циркулярную поляризацию энергии). А вот кванты света рассеянного, то есть отраженного частицами, распространяются подобно краевой дислокации или как плоско поляризованная волна. Это очень важный, принципиальной значимости факт для понимания сути голографической картины и механизма перехода от 5D-размерности мультиверса к 3D нашего мира.
Можно сказать, что в своей технологии голографических изображений на базе кристалла человек интуитивно воспроизвел по сути те же самые принципы, на основе которых формируется реальность. Но с тем отличием, что в кристалле нашей голографии нужная 3D-картинка извлекается фокусировкой на нужном слое, выбором нужной частоты и нужного угла наклона луча. А в природе нашей реальности мы постоянно сфокусированы на мембране-«модуляторе» или на поверхностном слое «вечного теперь», частота осцилляций материи для нас постоянна, ну а физика плоскостей поляризации для рассеянного света работает так, что мы на своей частоте вибраций постоянно и автоматически «пристегнуты» к одной и той же динамической 3D-голограмме – наиболее вероятной из всех. Хотя есть и другие.
Чтобы стало понятнее, почему наша 3D-реальность естественным образом оказывается и наиболее вероятной, полезно обратиться к метафоре стрелок-циферблатов для гармонических колебаний каждой частицы. И напомнить, что математическое описание для равномерного движения точки по окружности выглядит в точности так же, как для вертикальных колебаний грузика на пружине или мембране.
Иначе говоря, если смотреть на циферблат не «анфас», а «в профиль», то в самой верхней и самой нижней точках (где проекция стрелки или «квадрат амплитуды» максимальны) конец стрелки сильно замедляет ход, останавливается и затем с ускорением движется в обратную сторону, набирая максимальную скорость в середине траектории (где квадрат амплитуды вырождается в нуль).
В терминах вероятностей вот это зависание частицы-фермиона в крайних точках траектории означает, что данные состояния являются для нее наиболее вероятными.
Для второго важного компонента картины, квантов света или бозонов, можно считать, что они работают в качестве своеобразных «радаров», с помощью которых частицы материи ощупывают-измеряют или наблюдают друг друга. Испущенный частицей единичный квант света, имеющий циркулярную поляризацию, особенно похож на радар, коль скоро по мере движения плоскость его вихря движется по винтовой траектории. То есть энергетический дефект симметрии как бы сканирует в своем движении все доступное ему окружающее пространство. А также можно сказать, что такого рода дефекты 4D-структуры порождают эффекты кручения 3D-пространства.
Особенно важен, однако, эффект «запирания фазы» – когда бозон не поглощается частицей вещества, а отражается, отчего его плоскость поляризации оказывается зафиксирована и привязана к пространственной ориентации спина фермиона. В условиях достаточного внешнего освещения – типа света солнца-звезд или огня-ламп-фонарей – происходит взаимная настройка наиболее вероятных состояний фермионов и наиболее вероятных углов плоской поляризации бозонов. (В темноте же, привыкнув, можно начать различать другие срезы реальности. И это не галлюцинации.)
Примерно вот так, в самых общих чертах, из 10D или 5D-реальности и порождается наиболее вероятный 3D-мир – который все мы воспринимаем как «нашу вселенную»… [109]
#
Столь большое количество слов в тексте, предназначенном быть кратким, конечно же, вызвано непривычностью материала. Количество знаний человека об окружающем мире ныне воистину огромно, однако все они сложены вместе до того неудачно, что у науки нашей сформировалось в высшей степени искаженное представление об устройстве реальности. И для того, чтобы научиться смотреть на массу уже давно известных вещей в корне иначе, требуются действительно немалые усилия.
И хотя необъятную тему «устройство 10-мерной голографической вселенной» можно развивать и углублять бесконечно, здесь и сейчас имеет смысл остановиться. Добавив для завершения лишь самую-самую главную геометрическую особенность конструкции. Ту поразительную особенность, которая постоянно обеспечивает вселенной ее целостность и единство. Ну а в терминах нашей науки – это то, что обеспечивает не только единство квантовой физики и гравитации, но и эквивалентность самых загадочных физических феноменов, носящих названия ЭПР и ЭР.
Оба этих феномена, как известно, непосредственно связаны с мгновенными взаимодействиями объектов в независимости от расстояний, их разделяющих. Сколь бы гигантскими эти расстояния ни были – даже простираясь, теоретически, хоть до противоположных концов вселенной.
Эффект Эйнштейна-Подольского-Розена, или кратко ЭПР, можно напомнить, относится к области квантовой физики и описывает это мгновенное взаимодействие для масштабов микромира. Ну а феномен ЭР – также известный как «мост Эйнштейна-Розена», «кротовая нора» и «межпространственный туннель», современная наука предпочитает трактовать в сугубо космических макромасштабах, относя его к физике космологических черных дыр.
Немаловажно, что сами Э и Р, когда придумывали свой «мост», на самом деле имели в виду вовсе не космологию, а частицы микромира. Но научное сообщество обошлось с открытием по-своему. А потому на протяжении следующих 75 лет феномены EPR и ER считались совершенно разными вещами. Причем ни для того, ни для другого в теоретической физике так и не удалось отыскать внятных-постижимых механизмов, которые объясняли бы механику или геометрию мгновенных взаимодействий со сверхсветовыми скоростями. Хотя сам факт таких (квантовых) взаимодействий уже давно и многократно подтвержден экспериментами.
Продолжалась эта странная ситуация вплоть до 2012 года, пока два известнейших теоретика, Хуан Малдасена и Леонард Сасскинд, не опубликовали воистину революционную работу, объявившую коллегам и миру, что на самом деле, похоже, нет между этими феноменами никакого принципиального различия. Или иначе — «EPR = ER»…
Авторитет и известность первооткрывателей, конечно же, обеспечили интерес и внимание ученых кругов к их работе. Однако ничего даже отдаленно похожего на революцию в теоретической физике это открытие не сделало. Его восприняли как нечто совершенно обычное – как еще одну занятную и абсолютно оторванную от реальности вещицу теоретиков, погрузившихся в свои странные дуальные AdS-CFT-вселенные и понятия не имеющих, каким образом всю эту абстрактную математику пристегивать к окружающему нас миру.
Но коль скоро открытие Малдасеной и Сасскиндом (M&S) сделано действительно знаменательное, а про то, каким образом голография AdS/CFT соотносится с нашей реальностью в общих чертах уже понятно на самом деле (хотя и ценой отказа от утвердившихся догматов – иначе никак), имеет смысл хотя бы очень кратко рассказать о сути достижения теоретиков. И о том, как их «EPR = ER» соотносится с «иным взглядом на вещи».
Суть эффекта ЭПР, можно сказать, сводится к эффекту квантовой сцепленности между частицами. Сначала, когда они рядом, частицы образуют единую квантовую систему. Затем их осторожно, не изменяя квантового состояния, разносят на сколь угодно большие расстояния – и частицы при этом продолжают оставаться единой квантово сцепленной системой. Так что если нарушить измерением или воздействием состояние одной из них, тот тут же изменяется состояние другой.
Поскольку в основе голографических подходов к теоретической физике лежит идея, согласно которой частицы – это черные дыры микромира, а черные дыры космоса – это макрочастицы вселенной, M&S занялись изучением специфической физики черных дыр как квантовых объектов (точнее, квантово-информационных). И в процессе исследования того, каким образом может происходить информационное сообщение между такими объектами, они открыли черную дыру нового, совершенно неизвестного прежде типа. Похожую, образно выражаясь, на осьминога.
Если прежде черную дыру – как сингулярность в ткани пространства – традиционно было принято изображать как просто воронку, сужающийся конец которой уходит куда-то в бесконечные глубины, все больше стягиваясь в точку, то в расчетах M&S появилось нечто иное. Всякую частицу, испускаемую черной дырой в пространство, можно также считать узкой горловиной другого конца воронки, или еще одной черной микродырой. Иначе говоря, таким способом черная дыра протягивает в пространство «мост ЭР» как своего рода щупальце осьминога. И когда этот конец поглощается другой черной дырой, два макрообъекта становятся квантово сцепленными. Или, формулируя то же самое чуть по-другому, можно говорить, что «EPR = ER»…
Вскоре после этого открытия целый ряд других теоретиков продемонстрировал, что на основе этой идеи – и с опорой на AdS/CFT-соответствие – удается показать верность соотношения «EPR = ER» также и для частиц квантовой физики или «черных дыр микромира». То есть, опять-таки, получены результаты для некоторых гипотетических вселенных, в чем-то похожих, а где-то совершенно отличающихся в своей физике от нашего мира.
Если же к результатам Малдасены-Сасскинда и к результатам их коллег, развивающих идеи эквивалентности ЭР-ЭПР, присмотреться под определенным углом, то не так уж сложно заметить, что это математика для «физики по-другому». Такой физики, где все частицы реально являются и «мостами ЭР», и квантовыми парами, обеспечивающими ЭПР-сцепленность.
Причем 10D-геометрия вселенной такова, что пары частиц-фермионов, образующих материю, реально находятся и рядом друг с другом на параллельных бранах, и одновременно в противоположных концах на поверхности вселенной. А пары частиц-бозонов, образующих излучение или «щупальца осьминога», одновременно движутся в двух бранах сразу. И поскольку дуальная асимметрия в сильно искривленной геометрии бран такова, что очень большим расстояниям на одной поверхности соответствуют очень малые дистанции на другой (и наоборот), это всегда обеспечивает, что взаимодействия квантово сцепленных объектов на любых расстояниях происходят по сути мгновенно…
Вполне закономерный вопрос – почему при столь сильно искривленной геометрии 5D-бран наша 3D-вселенная представляется нам совершенно плоской – имеет на удивление простой ответ. Мы, образно выражаясь, постоянно находимся на обеих сторонах воздушного шара. И с огромной частотой сканирования наблюдаем попеременно то внешнюю выпуклую оболочку, то вогнутую внутреннюю. И поскольку поверхность одна и та же, в итоге мы воспринимаем ее «усредненную кривизну» – которая всегда и на любых расстояниях выглядит как идеальная плоскость.
Подводя итог всей этой 10D-геометрии, неизбежно приходится ожидать и следующий естественный вопрос: ну а где же в этой картине такое общеизвестное измерение, как время? Ответ на этот вопрос также звучит чрезвычайно просто. В 10-мерной геометрии «вечного теперь» никакого времени нет в принципе. Потому что время – это еще одно, 11-е измерение.
Весьма и весьма особенное, надо подчеркнуть, измерение. Лежащее не только в основе устойчивости голографической конструкции и памяти материи, но и в сути устройства единого сознания вселенной. Об этом, собственно, и будет следующий раздел. [110]
# # #
Ссылки и примечания
101.
Для общего и предельно облегченного ознакомления с «иным взглядом» на тему дополнительных невидимых измерений, а также для понимания важности этой темы в контексте «единого устройства человека и мира», может пригодиться материал «Уроки природоведения», [ https://kniganews.org/2014/03/20/nature-lesson/ ].
Популярно о взглядах науки на необходимость расширения размерности пространства и на природу скрытых измерений:
Лиза Рэндалл, «Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства». М.: УРСС , 2011
Lawrence Krauss, «Hiding in the Mirror. The Quest for Alternate Realities», Penguin, 2009
John Gribbin, «In Search of the Multiverse: Parallel Worlds, Hidden Dimensions, and the Ultimate Quest for the Frontiers of Reality», Wiley, 2010
Itzhak Bars and John Terning. «Extra Dimensions in Space and Time», Springer, 2010
102.
Richard Feynman, «QED: The Strange Theory of Light and Matter», Princeton University Press, 1985. (Русский перевод: Фейнман Р., «КЭД — странная теория света и вещества», Библ.Квант 66, 1988)
Leon Lederman and Chris Hill, «Symmetry and the Beautiful Universe», Prometheus, 2004
Joseph Rosen, «Symmetry Rules. How Science and Nature Are Founded on Symmetry», Springer, 2008
103.
О необычной судьбе научного наследия У.К.Клиффорда: «Главная тайна Со-Знания», [https://kniganews.org/2014/02/20/main-secret/]
О геометризации физики как возрождении идей Клиффорда: H.Nencka and J.-P.Bourguignon (Eds), «Geometry and Nature: In Memory of W. K. Clifford. A Conference on New Trends in Geometrical and Topological Methods». APS, 1997
О геометризации физики на русском — переводной сборник известных работ: «Геометрические идеи в физике». Под ред. Ю.И. Манина. Изд. Мир, 1983
О 5-мерных «чудесах Калуцы»: ЖЭГ, часть 2 «От упущенных возможностей к их интерпретациям», раздел 4, [https://kniganews.org/2014/05/18/weh-part2/]
О чудесах 5-мерной квантовой физики Оскара Клейна: ЖЭГ, часть 6 «Свобода от моды», разделы 9-11, [https://kniganews.org/2014/08/17/weh-part6/]
104.
Об истории рождения концепции «мост ЭР»: «Сцепленность как суть», раздел»Краткая (пред) История Вопроса», [https://kniganews.org/2013/12/25/entangled/]
О том, как сдвоенная природа скачущего «биспинора протон-электрон» была открыта Германом Вейлем практически одновременно с уравнением Дирака: «ЖЭГ, часть 5 (Самый странный человек)», раздел «Трудности перевода», [https://kniganews.org/2014/07/17/weh-part5/ ]
О «зиг-заг» представлении электрона в уравнении Дирака: Roger Penrose, «The Road to Reality. A Complete Guide to the Laws of the Universe», 2004. (Русский перевод: Пенроуз Р. «Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель». Ижевск изд. 2007)
О примечательной, но очень долго неизвестной в науке физике осциллонов: Книга новостей, глава «Танцы на песке», [ https://kniganews.org/map/e/01-00/hex43/ ]
105.
О безуспешных попытках П.А.М.Дирака перенаправить развитие физики в более естественное, логичное и эстетически привлекательное русло: ЖЭГ, часть 7 (Бунт ученого), раздел «Дирак неизвестный», [ https://kniganews.org/2014/10/25/weh-part7/ ]
106.
О тайнах главного научного открытия Паули: Книга новостей, главы «Мировая формула», [ https://kniganews.org/map/n/00-01/hex1b/ ]; и «Что-то случилось», [https://kniganews.org/map/n/00-01/hex1c/ ]
Масса подробностей о переоткрытых в науке «неизвестных принципах Паули» и о работе механизмов «раздвоения и уменьшения симметрии: kniganews.org, «Там за облаками», раздел 4 (Базис, Двумир, СУСИ, Фокус)
107.
Об истории рождения и базовых принципах голографии: Книга новостей, «Полная запись», [ https://kniganews.org/map/e/01-11/hex74/ ]. О трудной судьбе технологий голографического хранения информации: «По волнам холопамяти», [http://kiwibyrd.org/2014/08/15/332/ ]
Базовые работы ван Хеердена о голографии на основе кристалла: P. J. van Heerden, «A new optical method of storing and retrieving information,» Applied Optics, Vol. 2, Issue 4, pp. 387-392 , (1963) ; P. J. van Heerden, «Theory of optical information storage in solids,» Applied Optics, Vol. 2, Issue 4, pp. 393-400 (1963)
Подробности о видео-голографии Стива Бентона на основе акусто-оптического модулятора:
Graham Saxby, «Practical holography», IOP, 2004
Stephen Benton and Michael Bove, «Holographic Imaging», Wiley, 2008
108.
Об аналогиях между светом и распространением дефектов в кристаллах: J.Nye &M.Berry. «Dislocations in wave trains», Proc. of the Royal Society, Ser. A 336, 165 (1974). Популярно о том же по-русски: Книга новостей, «Свет как дислокация», [https://kniganews.org/map/e/01-10/hex6a/ ]
О фазе Берри: Frank Wilczek and Alfred Shapere, «Geometric Phases in Physics», World Scientific, 1989;
Клышко Д.Н., «Геометрическая фаза Берри в колебательных процессах», УФН, 1993, Том 163, вып 1.
О богатой и неожиданной физике пылевой плазмы: Книга новостей, «Эволюция спиралей», [ https://kniganews.org/map/e/01-11/hex72/ ]; «Додекаэдрон, СинХрон и Лохотрон», раздел «То, что не упоминают», [ https://kniganews.org/2015/03/25/nmd4/ ]
О теории гравитации Картана-Эйнштейна со спином материи и кручением пространства: ЖЭГ, часть 6 «Свобода от моды», [ https://kniganews.org/2014/08/17/weh-part6/ ]. О связях этой теории с физикой дефектов в кристаллах: M. L. Ruggiero and A. Tartaglia, «Einstein-Cartan theory as a theory of defects in space-time,» Am. J. Phys., vol. 71, pp. 1303-1313, 2003 [arXiv:gr-qc/0306029v2]
109.
О странных феноменах многомерной физики, обнаруживаемых в природе чисто математическими исследованиями:
Shamit Kachru, Eva Silverstein. «Chirality Changing Phase Transitions in 4d String Vacua». (1997) [arXiv:hep-th/9704185] ;
A. Adams, J. Polchinski and E. Silverstein, «Don’t Panic! Closed String Tachyons in ALE Spacetimes». JHEP 0110, 029 (2001) [arXiv:hep-th/0108075] ;
A. Adams, X. Liu, J. McGreevy, A. Saltman, E. Silverstein. «Things Fall Apart: Topology Change from Winding Tachyons». JHEP 0510, 033 (2005) [arXiv:hep-th/0502021]
О том же самом популярно и по-русски: Книга новостей, «Фазовые переходы с переворотом», [https://kniganews.org/map/w/10-00/hex89/]; «Без паники – тахионы» [https://kniganews.org/map/w/10-00/he8a/]
О многоликой природе планковского кванта энергии: «Там за облаками», раздел 4 (Фокус), [ https://kniganews.org/2013/01/01/beyond-clouds-44/ ]
О вибрирующей жидкости как системе, демонстрирующей естественный мост между явлениями классической и квантовой физики: «Квантовая физика как она есть» [https://kniganews.org/2013/11/20/qph-as-it-is/]
О множестве исследований, с разных концов изучавших микроскопическую структуру пространства, и пришедших, фактически, к одному и тому же выводу – что при углублении до самых мелких, планковских масштабов, размерность пространства неожиданно уменьшается от 4D до 2D: Книга новостей, «Пространство под микроскопом», [ https://kniganews.org/map/w/10-00/hex82/ ]
110.
Подробности об открытии «ER=EPR» см. в материале «Сцепленность и урок природоведения (Сцепленность как суть)», [ https://kniganews.org/2013/12/25/entangled/ ]
О сильнейшем искривлении геометрии пространств в двухбранной конфигурации вселенной: Lisa Randall, «Warped Passages. Unraveling the Mysteries of the Universe’s Hidden Dimensions», Harper Collins, 2005 (Русский перевод: Лиза Рэндалл, «Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства». М.: УРСС , 2011)
книга новостей 