Еще из школьного курса алгебры и геометрии мы знаем о понятии трехмерного пространства. Если разобраться, сам термин «трехмерное пространство» определяется как система координат с тремя измерениями (это знают все). По сути, описать любой объемный объект можно при помощи длины, ширины и высоты в классическом понимании. Однако давайте, как говорится, копнем несколько глубже.

Что такое трехмерное пространство

Как уже стало ясно, понимание трехмерного пространства и объектов, способных существовать внутри него, определяется тремя основными понятиями. Правда, в случае с точкой это именно три значения, а в случае с прямыми, кривыми, ломаными линиями или объемными объектами соответствующих координат может быть больше.

В данном случае все зависит именно от типа объекта и применяемой системы координат. Сегодня наиболее распространенной (классической) считается Декартова система, которую иногда еще называют прямоугольной. Она и некоторые другие разновидности будут рассмотрены несколько позже.

Кроме всего прочего, здесь нужно разграничивать абстрактные понятия (если можно так сказать, бесформенные) вроде точек, прямых или плоскостей и фигуры, обладающие конечными размерами или даже объемом. Для каждого из таких определений существуют и свои уравнения, описывающие их возможное положение в трехмерном пространстве. Но сейчас не об этом.

Понятие точки в трехмерном пространстве

Для начала определимся, что представляет собой точка в трехмерном пространстве. В общем-то, ее можно назвать некой основной единицей, определяющей любую плоскую или объемную фигуру, прямую, отрезок, вектор, плоскость и т. д.

Сама же точка характеризуется тремя основными координатами. Для них в прямоугольной системе применяются специальные направляющие, называемые осями X, Y и Z, причем первые две оси служат для выражения горизонтального положения объекта, а третья относится к вертикальному заданию координат. Естественно, для удобства выражения положения объекта относительно нулевых координат в системе приняты положительные и отрицательные значения. Однако же сегодня можно найти и другие системы.

Разновидности систем координат

Как уже говорилось, прямоугольная система координат, созданная Декартом, сегодня является основной. Тем не менее в некоторых методиках задания местоположения объекта в трехмерном пространстве применяются и некоторые другие разновидности.

Наиболее известными считаются цилиндрическая и сферическая системы. Отличие от классической состоит в том, что при задании тех же трех величин, определяющих местоположение точки в трехмерном пространстве, одно из значений является угловым. Иными словами, в таких системах используется окружность, соответствующая углу в 360 градусов. Отсюда и специфичное задание координат, включающее такие элементы, как радиус, угол и образующая. Координаты в трехмерном пространстве (системе) такого типа подчиняются несколько другим закономерностям. Их задание в данном случае контролируется правилом правой руки: если совместить большой и указательный палец с осями X и Y, соответственно, остальные пальцы в изогнутом положении укажут на направление оси Z.

Понятие прямой в трехмерном пространстве

Теперь несколько слов о том, что представляет собой прямая в трехмерном пространстве. Исходя из основного понятия прямой, это некая бесконечная линия, проведенная через точку или две, не считая множества точек, расположенных в последовательности, не изменяющей прямое прохождение линии через них.

Если посмотреть на прямую, проведенную через две точки в трехмерном пространстве, придется учитывать по три координаты обеих точек. То же самое относится к отрезкам и векторам. Последние определяют базис трехмерного пространства и его размерность.

Определение векторов и базиса трехмерного пространства

Заметьте, это могут быть только три вектора, но вот троек векторов можно определить сколько угодно. Размерность пространства определяется количеством линейно-независимых векторов (в нашем случае - три). И пространство, в котором имеется конечное число таких векторов, называется конечномерным.

Зависимые и независимые векторы

Что касается определения зависимых и независимых векторов, линейно-независимыми принято считать векторы, являющиеся проекциями (например, векторы оси X, спроецированные на ось Y).

Как уже понятно, любой четвертый вектор является зависимым (теория линейных пространств). А вот три независимых вектора в трехмерном пространстве в обязательном порядке не должны лежать в одной плоскости. Кроме того, если определять независимые векторы в трехмерном пространстве, они не могут являться, так сказать, один продолжением другого. Как уже понятно, в рассматриваемом нами случае с тремя измерениями, согласно общей теории, можно построить исключительно только тройки линейно-независимых векторов в определенной системе координат (без разницы, какого типа).

Плоскость в трехмерном пространстве

Если рассматривать понятие плоскости, не вдаваясь в математические определения, для более простого понимания этого термина, такой объект можно рассматривать исключительно как двумерный. Иными словами, это бесконечная совокупность точек, у которых одна из координат является постоянной (константой).

К примеру, плоскостью можно назвать любое количество точек с разными координатами по осям X и Y, но одинаковыми координатами по оси Z. В любом случае одна из трехмерных координат остается неизменной. Однако это, так сказать, общий случай. В некоторых ситуациях трехмерное пространство может пересекаться плоскостью по всем осям.

Существует ли более трех измерений

Вопрос о том, сколько может существовать измерений, достаточно интересен. Как считается, мы живем не в трехмерном с классической точки зрения пространстве, а в четырехмерном. Кроме известных всем длины, ширины и высоты, такое пространство включает в себя еще и время существования объекта, причем время и пространство между собой взаимосвязаны достаточно сильно. Это доказал еще Эйнштейн в своей теории относительности, хотя это больше относится к физике, нежели к алгебре и геометрии.

Интересен и тот факт, что сегодня ученые уже доказали существование как минимум двенадцати измерений. Конечно, понять, что они собой представляют, сможет далеко не каждый, поскольку это относится скорее к некой абстрактной области, которая находится вне человеческого восприятия мира. Тем не менее факт остается фактом. И не зря же многие антропологи и историки утверждают, что наши пращуры могли иметь некие специфичные развитые органы чувств вроде третьего глаза, которые помогали воспринимать многомерную действительность, а не исключительно трехмерное пространство.

Кстати сказать, сегодня существует достаточно много мнений по поводу того, что экстрасенсорика тоже является одним из проявлений восприятия многомерного мира, и тому можно найти достаточно много подтверждений.

Заметьте, что современными базовыми уравнениями и теоремами описать многомерные пространства, отличающиеся от нашего четырехмерного мира, тоже не всегда представляется возможным. Да и наука в этой области относится скорее к области теорий и предположений, нежели к тому, что можно явно ощутить или, так сказать, потрогать или увидеть воочию. Тем не менее косвенные доказательства существования многомерных миров, в которых может существовать четыре и более измерений, сегодня ни у кого не вызывают сомнений.

Заключение

В целом же, мы очень кратко рассмотрели основные понятия, относящиеся к трехмерному пространству и базовым определениям. Естественно, существует множество частных случаев, связанных с разными системами координат. К тому же мы постарались особо не лезть в математические дебри для объяснения основных терминов только для того, чтобы вопрос, связанный с ними, был понятен любому школьнику (так сказать, объяснение «на пальцах»).

Тем не менее, думается, даже из таких простых трактовок можно сделать вывод о математическом аспекте всех составляющих, входящих в базовый школьный курс алгебры и геометрии.

Сколько измерений имеет пространство мира, в котором мы живем?

Что за вопрос! Конечно, три — скажет обычный человек и будет прав. Но есть еще особая порода людей, имеющих благоприобретенное свойство сомневаться в очевидных вещах. Эти люди называются «учеными», поскольку их специально этому учат. Для них наш вопрос не так прост: измерение пространства — вещь трудноуловимая, их нельзя просто пересчитать, показывая пальцем: один, два, три. Нельзя измерить их число и каким-нибудь прибором вроде линейки или амперметра: пространство имеет 2,97 плюс-минус 0,04 измерения. Приходится продумывать этот вопрос глубже и искать косвенные способы. Такие поиски оказались плодотворным занятием: современная физика считает, что число измерений реального мира тесно связано с самыми глубокими свойствами вещества. Но путь к этим идеям начался с пересмотра нашего обыденного опыта.

Обычно говорят, что мир, как и всякое тело, имеет три измерения, которым соответствуют три разных направления, скажем, «высота», «ширина» и «глубина». Кажется ясным, что «глубина», изображенная на плоскости рисунка, сводится к «высоте» и «ширине», является в некотором смысле их комбинацией. Так же ясно, что в реальном трехмерном пространстве все мыслимые направления сводятся к каким-то трем заранее выбранным. Но что означает «сводятся», «являются комбинацией»? Где будут эти «ширина» и «глубина», если мы окажемся не в прямоугольной комнате, а в невесомости где-нибудь между Венерой и Марсом? Наконец, кто поручится, что «высота», скажем, в Москве и Нью-Йорке — это одно и то же «измерение»?

Беда в том, что мы уже знаем ответ к задаче, которую пытаемся решить, а это далеко не всегда полезно. Вот если бы оказаться в мире, число измерений которого заранее не известно, и отыскивать их по одному… Или, по крайней мере, так отрешиться от наличных знаний о действительности, чтобы посмотреть на ее первоначальные свойства совсем по-новому.

Булыжник — орудие математика

В 1915 году французский математик Анри Лебег придумал, как определить число измерений пространства, не пользуясь понятиями высоты, ширины и глубины. Чтобы понять его идею, достаточно внимательно посмотреть на брусчатую мостовую. На ней легко можно найти места, где камни сходятся по три и по четыре. Можно замостить улицу квадратными плитками, которые будут примыкать друг к другу по две или по четыре; если взять одинаковые треугольные плитки, они будут примыкать по две или по шесть. Но ни один мастер не сможет замостить улицу так, чтобы булыжники везде примыкали друг к другу только по два. Это настолько очевидно, что смешно и предполагать обратное.

Математики отличаются от нормальных людей именно тем, что замечают возможность таких абсурдных предположений и умеют делать из них выводы. В нашем случае Лебег рассуждал так: поверхность мостовой, безусловно, двумерна. В то же время на ней неизбежно есть точки, где сходятся по меньшей мере три булыжника. Попробуем обобщить это наблюдение: скажем, что размерность какой-то области равна N, если при ее замощении не удается избежать соприкосновений N + 1 или большего числа «булыжников». Теперь трехмерность пространства подтвердит любой каменщик: ведь при выкладывании толстой, в несколько слоев стены обязательно будут точки, где соприкоснутся не менее чем четыре кирпича!

Однако на первый взгляд кажется, что к лебеговскому определению размерности можно найти, как выражаются математики, «контрпример». Это дощатый пол, в котором половицы соприкасаются ровно по две. Чем не замощение? Поэтому Лебег потребовал еще, чтобы «булыжники», используемые в определении размерности, были маленькими. Это важная идея, и в конце мы вернемся к ней еще раз — в неожиданном ракурсе. А сейчас ясно, что условие малой величины «булыжников» спасает определение Лебега: скажем, короткие паркетины, в отличие от длинных половиц, в некоторых точках обязательно будут соприкасаться по три. Значит, три измерения пространства — это не просто возможность произвольно выбрать в нем какие-то три «разных» направления. Три измерения — это реальное ограничение наших возможностей, которое легко почувствовать, немного поиграв с кубиками или кирпичами.

Размерность пространства глазами Штирлица

Другое ограничение, связанное с трехмерностью пространства, хорошо чувствует узник, запертый в тюремной камере (например, Штирлиц в подвале у Мюллера). Как выглядит эта камера с его точки зрения? Шершавые бетонные стены, плотно запертая стальная дверь — словом, одна двумерная поверхность без щелей и отверстий, огораживающая со всех сторон замкнутое пространство, где он находится. Из такой оболочки деться действительно некуда. А можно ли запереть человека внутри одномерного контура? Представьте, как Мюллер рисует вокруг Штирлица мелом круг на полу и уходит восвояси: это не тянет даже на анекдот.

Из этих соображений извлекается еще один способ определить число измерений нашего пространства. Сформулируем его так: огородить со всех сторон область N-мерного пространства можно только (N-1)-мерной «поверхностью». В двумерном пространстве «поверхностью» будет одномерный контур, в одномерном — две нульмерные точки. Это определение придумал в 1913 году голландский математик Брауэр, но известным оно стало только спустя восемь лет, когда его независимо друг от друга, переоткрыли наш Павел Урысон и австриец Карл Менгер.

Здесь наши пути с Лебегом, Брауэром и их коллегами расходятся. Новое определение размерности было нужно им для того, чтобы построить абстрактную математическую теорию пространств любой размерности вплоть до бесконечной. Это — чисто математическая конструкция, игра человеческого ума, который достаточно силен даже для познания таких странных объектов, как бесконечномерное пространство. Математики не пытаются узнать, существуют ли на самом деле вещи, обладающие такой структурой: это не их профессия. Напротив, наш интерес к количеству измерений мира, в котором мы живем, физический: мы хотим узнать, сколько их на самом деле и как почувствовать их число «на своей шкуре». Нам нужны явления, а не чистые идеи.

Характерно, что все приведенные примеры были заимствованы более или менее из архитектуры. Именно эта область деятельности людей теснее всего связана с пространством, как оно представляется нам в обычной жизни. Чтобы продвинуться в поиске измерений физического мира дальше, потребуется выход к другим уровням реальности. Они доступны человеку благодаря современной технологии, а значит — физике.

При чем здесь скорость света?

Ненадолго вернемся к оставленному в камере Штирлицу. Чтобы выбраться из оболочки, надежно отделявшей его от остальной части трехмерного мира, он воспользовался четвертым измерением, которому не страшны двумерные преграды. А именно, он некоторое время подумал и нашел себе подходящее алиби. Иначе говоря, новое загадочное измерение, которым воспользовался Штирлиц, — это время.

Трудно сказать, кто первым заметил аналогию между временем и измерениями пространства. Два века назад об этом уже знали. Жозеф Лагранж, один из создателей классической механики, науки о движениях тел, сравнил ее с геометрией четырехмерного мира: его сравнение звучит, как цитата из современной книги по Общей теории относительности.

Ход мысли Лагранжа, впрочем, легко понять. В его время уже были известны графики зависимости переменных величин от времени, вроде нынешних кардиограмм или графиков месячного хода температуры. Такие графики рисуют на двумерной плоскости: вдоль оси ординат откладывают путь, пройденный переменной величиной, а вдоль оси абсцисс — прошедшее время. При этом время действительно становится просто «еще одним» геометрическим измерением. Точно так же можно добавить его и к трехмерному пространству нашего мира.

Но действительно ли время похоже на пространственные измерения? На плоскости с нарисованным графиком есть два выделенных «осмысленных» направления. А направления, не совпадающие ни с одной из осей, смысла не имеют, они не изображают ничего. На обычной же геометрической двумерной плоскости все направления равноправны, выделенных осей нет.

По-настоящему время можно считать четвертой координатой, только если оно не будет выделено среди остальных направлений в четырехмерном «пространстве-времени». Надо найти способ «вращать» пространство-время так, чтобы время и пространственные измерения «смешивались» и могли в определенном смысле переходить друг в друга.

Этот способ нашли Альберт Эйнштейн, создавший теорию относительности, и Герман Минковский, придавший ей строгую математическую форму. Они воспользовались тем, что в природе есть универсальная скорость — скорость света.

Возьмем две точки пространства, каждую — в свой момент времени, или два «события» на жаргоне теории относительности. Если умножить на скорость света интервал времени между ними, измеренный в секундах, то получится определенное расстояние в метрах. Будем считать, что этот воображаемый отрезок «перпендикулярен» пространственному расстоянию между событиями, а вместе они образуют «катеты» какого-то прямоугольного треугольника, «гипотенуза» которого — это отрезок в пространстве-времени, соединяющий выбранные события. Минковский предложил: чтобы найти квадрат длины «гипотенузы» этого треугольника, будем не прибавлять квадрат длины «пространственного» катета к квадрату длины «временного», а вычитать его. Конечно, при этом может получиться отрицательный результат: тогда считают, что «гипотенуза» имеет мнимую длину! Но какой же в этом смысл?

При вращении плоскости длина любого нарисованного на ней отрезка сохраняется. Минковский понял, что надо рассматривать такие «вращения» пространства-времени, которые сохраняют предложенную им «длину» отрезков между событиями. Именно так можно добиться, чтобы скорость света была в построенной теории универсальной. Если два события связаны световым сигналом, то «расстояние Минковского» между ними равно нулю: пространственное расстояние совпадает с интервалом времени, умноженным на скорость света. «Вращение», предложенное Минковским, сохраняет это «расстояние» нулевым, как бы ни смешивались при «повороте» пространство и время.

Это не единственная причина, по которой «расстояние» Минковского обладает реальным физическим смыслом, несмотря на крайне странное для неподготовленного человека определение. «Расстояние» Минковского дает способ построить «геометрию» пространства-времени так, что и пространственные, и временные интервалы между событиями удается сделать равноправными. Пожалуй, именно в этом заключается главная идея теории относительности.

Итак, время и пространство нашего мира так тесно связаны друг с другом, что трудно понять, где кончается одно и начинается другое. Вместе они образуют что-то вроде сцены, на которой разыгрывается спектакль «История Вселенной». Действующие лица — частицы материи, атомы и молекулы, из которых собраны галактики, туманности, звезды, планеты, а на некоторых планетах — даже живые разумные организмы (читателю должна быть известна по меньшей мере одна такая планета).

Опираясь на открытия предшественников, Эйнштейн создал новую физическую картину мира, в которой пространство и время оказались неотделимы друг от друга, а действительность стала по-настоящему четырехмерной. И в этой четырехмерной действительности «растворилось» одно из двух известных тогдашней науке «фундаментальных взаимодействий»: закон всемирного тяготения свелся к геометрической структуре четырехмерного мира. Но Эйнштейн ничего не смог сделать с другим фундаментальным взаимодействием — электромагнитным.

Пространство-время приобретает новые измерения

Общая теория относительности настолько красива и убедительна, что сразу после того, как она стала известна, другие ученые попытались пройти по тому же пути дальше. Эйнштейн свел к геометрии гравитацию? Значит, на долю его последователей остается геометризовать электромагнитные силы!

Так как возможности метрики четырехмерного пространства Эйнштейн исчерпал, его последователи стали пытаться как-то расширить набор геометрических объектов, из которых можно было бы сконструировать такую теорию. Вполне естественно, что им захотелось увеличить число размерностей.

Но пока теоретики занимались геометризацией электромагнитных сил, были открыты еще два фундаментальных взаимодействия — так называемые сильное и слабое. Теперь надо было объединить уже четыре взаимодействия. При этом возникла масса неожиданных трудностей, для преодоления которых изобретались новые идеи, все дальше уводившие ученых от наглядной физики прошлого века. Стали рассматривать модели миров, имеющих десятки и даже сотни измерений, пригодилось и бесконечномерное пространство. Чтобы рассказать об этих поисках, нужно было бы написать целую книжку. Нам важен другой вопрос: где же расположены все эти новые измерения? Можно ли почувствовать их так же, как мы ощущаем время и трехмерное пространство?

Представьте себе длинную и очень тонкую трубочку — например, пустой внутри пожарный шланг, уменьшенный в тысячу раз. Это двумерная поверхность, но два ее измерения неравноправны. Одно из них, длину, заметить легко — это «макроскопическое» измерение. Периметр же — «поперечное» измерение — можно разглядеть только под микроскопом. Современные многомерные модели мира похожи на эту трубочку, хотя они имеют не одно, а четыре макроскопических измерения — три пространственных и одно временное. Остальные измерения в этих моделях нельзя рассмотреть даже под электронным микроскопом. Чтобы обнаружить их проявления, физики пользуются ускорителями — очень дорогими, но грубыми «микроскопами» для субатомного мира.

Пока одни ученые совершенствовали эту впечатляющую картину, блестяще преодолевая одно препятствие за другим, у других назрел каверзный вопрос:

Может ли размерность быть дробной?

А почему бы и нет? Для этого надо «просто» найти новое свойство размерности, которое могло бы связать ее с нецелыми числами, и обладающие этим свойством геометрические объекты, имеющие дробную размерность. Если мы хотим найти, например, геометрическую фигуру, имеющую полтора измерения, то у нас есть два пути. Можно пытаться либо отнять пол-измерения у двумерной поверхности, либо добавить пол-измерения к одномерной линии. Чтобы это сделать, потренируемся сперва на добавлении или отнятии целого измерения.

Есть такой известный детский фокус. Фокусник берет треугольный листок бумаги, делает на нем надрез ножницами, сгибает листок по линии надреза пополам, делает еще один надрез, опять сгибает, надрезает последний раз, и — ап! — в его руках оказывается гирлянда из восьми треугольничков, каждый из которых совершенно подобен исходному, но в восемь раз меньше его по площади (и в корень квадратный из восьми раз — по размерам). Возможно, этот фокус показали в 1890 году итальянскому математику Джузеппе Пеано (а может быть, он сам любил его показывать), во всяком случае, именно тогда он заметил вот что. Возьмем идеальную бумагу, идеальные ножницы и повторим последовательность надрезания и складывания бесконечное число раз. Тогда размеры отдельных треугольничков, получаемых на каждом шаге этого процесса, будут стремиться к нулю, а сами треугольники стянутся в точки. Стало быть, мы получим из двумерного треугольника одномерную линию, не потеряв при этом ни кусочка бумаги! Если не растягивать эту линию в гирлянду, а оставить такой «скомканной», как у нас получилось при разрезании, то она заполнит треугольник целиком. Более того, под каким сильным микроскопом мы бы ни рассматривали этот треугольник, увеличивая его фрагменты в любое число раз, получаемая картина будет выглядеть точно так же, как неувеличенная: выражаясь научно, кривая Пеано имеет одинаковую структуру при всех масштабах увеличения, или является «масштабно инвариантной».

Итак, изогнувшись бесчисленное множество раз, одномерная кривая смогла как бы приобрести размерность два. Значит, есть надежда и на то, что менее «скомканная» кривая будет иметь «размерность», скажем, полтора. Но как же найти способ измерять дробные размерности?

В «булыжном» определении размерности, как помнит читатель, надо было использовать достаточно маленькие «булыжники», иначе результат мог получиться неправильный. Но маленьких «булыжников» потребуется много: тем больше, чем меньше их размер. Оказывается, для определения размерности не обязательно изучать, как «булыжники» прилегают друг к другу, а достаточно лишь выяснить, как возрастает их число при уменьшении величины.

Возьмем отрезок прямой длиной 1 дециметр и две кривых Пеано, вместе заполняющих квадрат размером дециметр на дециметр. Будем покрывать их маленькими квадратными «булыжниками» с длиной стороны 1 сантиметр, 1 миллиметр, 0,1 миллиметра и так далее вплоть до микрона. Если выражать размер «булыжника» в дециметрах, то на отрезок потребуется число «булыжников», равное их размеру в степени минус единица, а на кривые Пеано — размеру в степени минус два. При этом отрезок определенно имеет одно измерение, а кривая Пеано, как мы видели, — два. Это не просто совпадение. Показатель степени в соотношении, связывающем число «булыжников» с их размером, действительно равен (со знаком минус) размерности той фигуры, которая ими покрыта. Особенно важно, что показатель степени может быть дробным числом. Например, для кривой, промежуточной по своей «скомканности» между обычной линией и порой плотно заполняющих квадрат кривых Пеано, величина показателя будет больше 1 и меньше 2. Это и открывает нужную нам дорогу к определению дробных размерностей.

Именно таким способом была определена, например, размерность береговой линии Норвегии — страны, имеющей очень изрезанное (или «скомканное» — как кому больше нравится) побережье. Конечно, замощение булыжниками берега Норвегии происходило не на местности, а на карте из географического атласа. Результат (не абсолютно точный из-за невозможности на практике дойти до бесконечно малых «булыжников») составил 1,52 плюс-минус одна сотая. Ясно, что размерность не могла получиться меньше единицы, поскольку речь идет все-таки об «одномерной» линии, и больше двух, поскольку береговая линия Норвегии «нарисована» на двумерной поверхности земного шара.

Человек как мера всех вещей

Дробные размерности — это прекрасно, может сказать здесь читатель, но какое отношение они имеют к вопросу о числе измерений мира, в котором мы живем? Может ли случиться, что размерность мира дробная и не точно равна трем?

Примеры кривой Пеано и побережья Норвегии показывают, что дробная размерность получается, если кривая линия сильно «скомкана», заложена в бесконечно малые складочки. Процесс определения дробной размерности тоже включает в себя использование безгранично уменьшающихся «булыжников», которыми мы покрываем изучаемую кривую. Поэтому дробная размерность, выражаясь научно, может проявляться только «на достаточно малых масштабах», то есть показатель степени в соотношении, связывающем число «булыжников» с их размером, может лишь в пределе выходить на свое дробное значение. Наоборот, одним огромным булыжником можно накрыть фрактал — объект дробной размерности — конечных размеров неотличим от точки.

Для нас мир, в котором мы живем, — это прежде всего тот масштаб, на котором он доступен нам в повседневной действительности. Несмотря на поразительные достижения техники, его характерные размеры все еще определяются остротой нашего зрения и дальностью наших пеших прогулок, характерные промежутки времени — быстротой нашей реакции и глубиной нашей памяти, характерные величины энергии — силой тех взаимодействий, в которые вступает наше тело с окружающими вещами. Мы ненамного превзошли здесь древних, да и стоит ли стремиться к этому? Природные и технологические катастрофы несколько расширяют масштабы «нашей» действительности, но не делают их космическими. Микромир тем более недоступен в нашей повседневной жизни. Открытый перед нами мир — трехмерный, «гладкий» и «плоский», он прекрасно описывается геометрией древних греков; достижения науки в конечном счете должны служить не столько расширению, сколько защите его границ.

Так что же все-таки ответить людям, ждущим открытия скрытых размерностей нашего мира? Увы, единственное доступное для нас измерение, которое мир имеет сверх трех пространственных, — это время. Мало это или много, старо или ново, чудесно или обыденно? Время — это просто четвертая степень свободы, и воспользоваться ею можно очень по-разному. Вспомним еще раз того же Штирлица, кстати, физика по образованию: у каждого мгновенья свой резон…

Андрей Соболевский

В котором просим наших ученых ответить на довольно простые, на первый взгляд, но спорные вопросы читателей. Для вас мы выбрали самые интересные ответы экспертов ПостНауки.

Всем знакомо сокращение 3D, означающее «трёхмерный» (буква D - от слова dimension - измерение). Например, выбирая в кинотеатре фильм с пометкой 3D, мы точно знаем: для просмотра придётся надеть специальные очки, но зато картинка будет не плоской, а объёмной. А что такое 4D? Существует ли «четырёхмерное пространство» в реальности? И можно ли выйти в «четвёртое измерение»?

Чтобы ответить на эти вопросы, начнём с самого простого геометрического объекта - точки. Точка нульмерна. У неё нет ни длины, ни ширины, ни высоты.

// 8-cell-simple

Сдвинем теперь точку по прямой на некоторое расстояние. Допустим, что наша точка - остриё карандаша; когда мы её сдвинули, она прочертила отрезок. У отрезка есть длина, и больше никаких измерений: он одномерен. Отрезок «живёт» на прямой; прямая является одномерным пространством.

Возьмём теперь отрезок и попробуем его сдвинуть так, как раньше точку. Можно представить себе, что наш отрезок - это основание широкой и очень тонкой кисти. Если мы выйдем за пределы прямой и будем двигаться в перпендикулярном направлении, получится прямоугольник. У прямоугольника есть два измерения - ширина и высота. Прямоугольник лежит в некоторой плоскости. Плоскость - это двумерное пространство (2D), на ней можно ввести двумерную систему координат - каждой точке будет соответствовать пара чисел. (Например, декартова система координат на школьной доске или широта и долгота на географической карте.)

Если сдвинуть прямоугольник в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой он лежит, получится «кирпичик» (прямоугольный параллелепипед) - трёхмерный объект, у которого есть длина, ширина и высота; он расположен в трёхмерном пространстве, в таком, в каком живём мы с вами. Поэтому мы хорошо представляем себе, как выглядят трёхмерные объекты. Но если бы мы жили в двумерном пространстве - на плоскости, - нам пришлось бы изрядно напрячь воображение, чтобы представить себе, как можно сдвинуть прямоугольник, чтобы он вышел из той плоскости, в которой мы живём.

Представить себе четырёхмерное пространство для нас также довольно непросто, хотя очень легко описать математически. Трёхмерное пространство - это пространство, в котором положение точки задаётся тремя числами (например, положение самолёта задаётся долготой, широтой и высотой над уровнем моря). В четырёхмерном же пространстве точке соответствует четвёрка чисел-координат. «Четырёхмерный кирпич» получается сдвигом обычного кирпичика вдоль какого-то направления, не лежащего в нашем трёхмерном пространстве; он имеет четыре измерения.

На самом деле мы сталкиваемся с четырёхмерным пространством ежедневно: например, назначая свидание, мы указываем не только место встречи (его можно задать тройкой чисел), но и время (его можно задавать одним числом, например количеством секунд, прошедших с определенной даты). Если посмотреть на настоящий кирпич, у него есть не только длина, ширина и высота, но ещё и протяженность во времени - от момента создания до момента разрушения.

Физик скажет, что мы живём не просто в пространстве, а в пространстве-времени; математик добавит, что оно четырёхмерно. Так что четвёртое измерение ближе, чем кажется.

Трехмерное пространство – имеет три однородных измерения: высоту, ширину и длину. Это геометрическая модель нашего материального мира.

Чтобы понять природу физического пространства, вначале надо ответить на вопрос о происхождении его размерности. Поэтому значение размерности, как видно, самая значительная характеристика физического пространства.

Размерность пространства

Размерность – наиболее общее количественно выражаемое свойство пространства-времени. В настоящее время физическая теория, претендующая на пространственно-временное описание реальности, берет значение размерности в качестве исходного постулата. Понятие числа измерений, или размерности пространства, относится к наиболее фундаментальным понятиям математики и физики.

Современная физика вплотную подошла к ответу на метафизический вопрос, который был поставлен еще в работах австрийского физика и философа Эрнста Маха: «Почему пространство трехмерное?». Считается, что факт трехмерности пространства связан с фундаментальными свойствами материального мира.

Развитие процесса из точки порождает пространство, т.е. место, где должна происходить реализация программы развития. «Порождаемое пространство «есть для нас форма Вселенной, или форма материи во Вселенной».

Так считали в древности…

Еще Птолемеем было написано на тему о размерности пространства, где он утверждал, что в природе не может существовать более трех пространственных измерений. В своей книге «О небе» еще один греческий мыслитель Аристотель писал, что лишь наличие трех измерений обеспечивает совершенство и полноту мира. Одно измерение, рассуждал Аристотель, образует линию. Если добавить к линии другое измерение, получим поверхность. Дополнение поверхности еще одним измерением образует объемное тело.

Выходит, что «выйти за пределы объемного тела к чему-то другому уже нельзя, так как всякое изменение происходит в силу какого-либо недостатка, а таковой здесь отсутствует. Приведенный ход мысли Аристотеля страдает одной существенной слабостью: остается неясным, по какой причине именно трехмерное объемное тело обладает полнотой и совершенством. В свое время Галилей справедливо высмеял мнение о том, что «число «3» есть число совершенное и что оно наделено способностью сообщать совершенство всему, что обладает троичностью».

Чем определяется мерность пространства

Пространство обладает бесконечной протяженностью по всем направлениям. Однако при этом оно может быть измеряемо лишь в трех независимых друг от друга направлениях: в длину, ширину и высоту; эти направления мы называем измерениями пространства и говорим, что наше пространство имеет три измерения, что оно трехмерное. При этом «независимым направлением мы в этом случае называем линию, лежащую под прямым углом к другой. Таких линий, т.е. лежащих одновременно под прямым углом одна к другой и не параллельных между собою, наша геометрия знает лишь три. То есть мерность нашего пространства определяется количеством возможных в нем линий, лежащих под прямым углом одна к другой. На линии другой линии не может быть – это одномерное пространство. На поверхности возможны 2 перпендикуляра – это двумерное пространство. В «пространстве» три перпендикуляра – это трехмерное пространство».

Почему пространство трехмерное?

Редкий в земных условиях опыт материализации людей часто оказывают на очевидцев физическое воздействие…

Но, в представлениях о пространстве и времени есть еще много неясного, порождающего непрекращающиеся дискуссии ученых. Почему наше пространство имеет три измерения? Могут ли существовать многомерные миры? Возможно ли существование материальных объектов вне пространства и времени?

Утверждение, что физическое пространство обладает тремя измерениями, имеет столь же объективный характер, как и утверждение, к примеру, что существует три физических состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное; оно описывает фундаментальный факт объективного мира. И. Кант подчеркнул, что причина трехмерности нашего пространства еще неизвестна. П. Эренфест и Дж. Уитроу показали, что если бы число измерений пространства было больше трех, то существование планетарных систем было бы невозможным – лишь в трехмерном мире могут существовать устойчивые орбиты планет в планетных системах. То есть трехмерный порядок материи является единственно стабильным порядком.

Но трехмерность пространства не может утверждаться как некая абсолютная необходимость. Это физический факт, подобный любому другому, и, как следствие, он подлежит тому же самому виду объяснения.

Вопрос о том, почему наше пространство трехмерное, может решаться или с позиции телеологии, исходящей из ненаучного утверждения, что «трехмерный мир самый совершенный из возможных миров», или с научноматериалистических позиций, основываясь на фундаментальных физических закономерностях.

Мнение современников

Современная физика говорит о том, что характеристика трехмерности состоит в том, что она, и только она, дает возможность формулировать для физической реальности непрерывные причинные законы. Но, «современные концепции не отражают истинного состояния физической картины мира. В наше время ученые рассматривают пространство как некую структуру, состоящую из множества уровней, которые также неопределенны. И потому не случайно современная наука не может дать ответ на вопрос, почему наше пространство, в котором мы живем и которое обозреваем – трехмерное».

Теория связанных пространств

В параллельных мирах события происходят по-своему, они могут…

«Попытки искать ответ на этот вопрос, оставаясь только в пределах математики, обречена на неудачу. Ответ может содержаться в новой малоразработанной области физики». Попробуем найти ответ на этот вопрос исходя из положений рассматриваемой физики связанных пространств.

Согласно теории связанных пространств, развитие объекта идет в три этапа, при этом каждый этап развивается вдоль своего выделенного направления, т.е. вдоль своей оси развития.

На первом этапе развитие объекта идет вдоль первоначального выделенного направления, т.е. имеет одну ось развития. На втором этапе происходит поворот системы, образованной на первом этапе, на 90°, т.е. происходит изменение направления пространственной оси, и развитие системы начинает идти вдоль второго выделенного направления, перпендикулярного первоначальному. На третьем этапе снова происходит поворот развития системы на 90°, и она начинает развиваться вдоль третьего выделенного направления, перпендикулярного первым двум. В результате образуются три вложенные друг в друга сферы пространства, каждое из которых соответствует одной из осей развития. Причем все три указанные пространства связаны в единое устойчивое образование физическим процессом.

А потому как данный процесс реализуется на всех масштабных уровнях нашего мира, то все системы, в том числе и сами координаты, построены по триадному (трехкоординатному) принципу. Отсюда следует, что в результате прохождения трех этапов развития процесса естественным образом формируется трехмерное пространство, образованное как следствие физического процесса развития тремя координатными осями трех взаимно перпендикулярных направлений развития!

Эти разумные сущности возникли на самой заре существования Вселенной…

Не зря Пифагору, который, как видно, мог обладать этим знанием, принадлежит выражение: «Все вещи состоят из трех». Об этом же говорится и у Н.К. Рериха: «Символ Триединости имеет огромную древность и встречается во всем Мире, потому он не может быть ограничен какой-либо сектой, организацией, религией или традицией, а также личными или групповыми интересами, потому как представляет эволюцию сознания во всех ее фазах… Знак триединости оказался раскинутым по всему миру… Если собрать вместе все отпечатки того же самого знака, то, возможно, он окажется самым распространенным и древнейшим среди символов человеческих. Никто не может утверждать, что этот знак принадлежит только одному верованию или основан на одном фольклоре».

Не зря еще в древние времена наш мир представлялся как триединое божество (три слитое в один): нечто одно, целое и неделимое, по своей сакральной значимости намного превосходящее исходные величины.

Мы проследили пространственную специализацию (распределение по координатным направлениям пространства) внутри отдельно взятой системы, но точно такое же распределение мы можем видеть и в любом социуме от атома до галактик. Данные три разновидности пространства являются не чем иным, как тремя координатными состояниями геометрического пространства.

Тема многомерности пространства, в котором мы живем, давно уже привлекала внимание художников и искусствоведов. Многомерность, выход за привычные представления, открывает, казалось бы, новые и многообещающие возможности. Некоторые искусствоведы утверждали даже в начале века, что без учета многомерности пространства понять современное искусство нельзя. По этому поводу уместно сделать два замечания.

Во-первых, многомерность понимается всегда как четырехмерность, то есть существование наряду с обычными тремя пространственными измерениями (нагляднее всего их можно представить себе как смещения в трех направлениях; вверх-вниз, вперед-назад и влево-вправо) и еще одного, четвертого. За это новое измерение принимали время. Это имело известные основания, поскольку в начале века появилась теория относительности с ее понятием единого пространственно- временного континуума. Однако надо понимать, что если исходить из современной физики, то для нашей обычной жизни, обычных скоростей и расстояний, теория относительности приобретает банальный облик привычного из школьных представлений пространства и независимо от него текущего времени. И это даже в том случае, если за обычные скорости и расстояния взять размеры Солнечной системы и скорости движения планет. Поэтому теория относительности в передаче обычной человеческой жизни, основной темы художников, ничего изменить не должна.

Вторым моментом, который хотелось бы отметить, является то, что значительно более сложное четырехмерное пространство, где четвертой координатой является не время (что себе легко представить), а тоже пространственная координата (что представить себе немыслимо), уже давно привлекло внимание художников. Более того, они даже разработали успешные методы его изображения. Речь идет об иконописцах в основном XV столетия » в это время передача четырехмерного пространства достигла наибольшего совершенства в русской иконописи.

Прежде чем переходить к рассмотрению соответствующих икон, необходимо дать ряд пояснений геометрического характера, чтобы общие рассуждения о четырехмерном пространстве и возможных способах его изображения приобрели наглядность. Главная трудность в наглядном описании геометрии четырехмерного пространства связана с тем, что представить себе его нельзя. Это невозможно, поскольку требует от нас кроме естественных трех направлений (о них уже говорилось: направления вперед-назад, влево-вправо и вверх-вниз) представить себе движение в «четвертом» направлении, но такое, при котором в трех естественных направлениях движения не происходит. Иными словами, для нас, существ трехмерных, точка будет видна неподвижной, а на самом деле она будет двигаться в «четвертом» направлении. Единственный метод, который может здесь помочь,» это метод аналогий. Будем исходить из того, что наш привычный трехмерный мир «вложен» в четырехмерное пространство, что легко описать словами, но представить себе нельзя. Но зато ничего не стоит представить себе аналогичную, но элементарно простую ситуацию: двухмерный мир, «вложенный» в трехмерный. Хотя бы лист бумаги, находящийся в привычном для нас трехмерном пространстве.

Пусть теперь этот лист бумаги будет тем двухмерным «пространством», на котором живут некие «плоские» существа, могущие ползать по листу; плоские существа, ползающие по плоскому листу, » аналогия нас, трехмерных организмов, перемещающихся в трехмерном пространстве. Пусть этот лист будет безграничным, а по его обеим сторонам ползают эти самые плоские существа: одни с верхней стороны листа, другие » с нижней. Совершенно очевидно, что, сколько бы они ни ползали, верхние никогда не встретятся с нижними, хотя они могут быть бесконечно близки друг к другу » ведь их все равно будет разделять бесконечно тонкая толщина непроницаемого листа. Таким образом, каждую точку листа надо будет считать дважды » как принадлежащую верхней и как принадлежащую нижней стороне. Естественно, что на верхней стороне листа могут происходить одни, а на нижней » другие события, причем эти события не будут мешать друг другу, поскольку они сдвинуты относительно друг друга хотя и на бесконечно малую величину, но в «непостижимом» для плоских существ направлении » перпендикулярно поверхности листа. Эта «непостижимость» обусловлена для плоских существ тем, что последние никогда в своей жизни в таком направлении не перемещались и перемещаться не могут.

Эти две стороны одного листа позволяют по аналогии представить себе одновременное существование в некотором месте, хотя бы в комнате, обычного и мистического пространства. В первом живут и действуют люди, а во втором, например, ангелы. И те, и другие существуют в своих трехмерных пространствах и действуют, не мешая друг другу, поскольку эти два пространства «сдвинуты» относительно друг друга хотя и на бесконечно малую величину, но в непостижимом для людей «четвертом» направлении (напомним сделанное выше предположение, что наше обычное пространство «вложено» в четырехмерное). И в этом случае каждую точку подобной условной комнаты надо будет считать дважды » как принадлежащую мистическому и одновременно обычному пространству. Здесь полная аналогия с плоским листом, вложенным» в трехмерное пространство. Ведь можно для полноты аналогии условиться, что верхняя сторона листа является мистической, а нижняя » обычной поверхностью.