Любая достаточно развитая технология неотличима от магии.
Десятое июня 1854 г. — дата рождения новой геометрии.
Теорию многомерности сформулировал Георг Бернхард Риман, когда прочитал свою знаменитую лекцию в Университете Гёттингена в Германии. Подобно тому, как в сумрачную затхлую комнату проникает сияние тёплого летнего солнца, лекция Римана пролила свет на ошеломляющие свойства многомерного пространства.
Его невероятно важный блестящий доклад «О гипотезах, лежащих в основании геометрии» опрокинул столпы классической греческой геометрии, с успехом выдерживавшие нападки скептиков на протяжении двух тысячелетий. Старая евклидова геометрия, в которой все геометрические фигуры рассматривались как двух- или трёхмерные, рухнула, а из её руин возникла новая геометрия — риманова. Революция Римана имела огромное значение для будущего искусства и науки. Не прошло и трёх десятилетий после его доклада, как «таинственное четвёртое измерение» оказало воздействие на развитие науки, философии и литературы в Европе. Уже через шесть десятилетий после выступления Римана Эйнштейн воспользовался четырёхмерной римановой геометрией, чтобы объяснить возникновение Вселенной и её эволюцию. А через 130 лет после знаменательного доклада физики обратились к десятимерной геометрии в попытке объединить все законы физической Вселенной. В основе трудов Римана лежало понимание того, что в многомерном пространстве физические законы упрощаются, чему, собственно, и посвящена данная книга.
Блеск и нищета
Как ни парадоксально, Риман совершенно не подходил для роли учёного, способного возвестить о столь глубокой и всесторонней революции в математической и физической мысли. Он был чрезвычайно, почти патологически застенчив и страдал возобновляющимися нервными срывами. Кроме того, Риману не давали покоя две беды, на протяжении истории погубившие многих величайших учёных: крайняя бедность и чахотка (туберкулёз). В его характере и темпераменте никак не проявлялись поразительная дерзость, размах и непоколебимая убеждённость, свойственные его трудам.
Риман родился в 1826 г. в Ганновере, Германия, и был вторым из шестерых детей бедного лютеранского пастора. Его отец, ветеран наполеоновских войн, трудился на поприще сельского священника не покладая рук, чтобы прокормить и одеть своё большое семейство. Как отмечает биограф Эрик Темпл Белл, «болезненность и ранние смерти большинства детей в семье Риманов были следствием недоедания в детстве и юности, а не отсутствием жизненных сил и стойкости. Их мать также умерла ещё до того, как дети успели вырасти»{6}.
Уже в раннем возрасте Риман демонстрировал присущие ему особенности: поразительный талант к математике в сочетании с робостью и панической боязнью любых публичных выступлений, преследовавшей его на протяжении всей жизни. Болезненно застенчивый, он был мишенью для жестоких насмешек сверстников, что вынуждало его замыкаться в себе, всё дальше уходить в свой тайный мир математики.
Вместе с тем Риман был всецело предан семье и не щадил сил и слабого здоровья, чтобы покупать подарки родителям и в особенности — любимым сёстрам. На радость отцу Риман решил стать студентом-богословом. Его целью было получить выгодную должность пастора как можно скорее, чтобы помочь родным выбраться из финансовой пропасти. (Трудно представить себе менее вероятное развитие событий: молчаливый, косноязычный, робкий юноша воображал, что сумеет произносить захватывающие, страстные проповеди, обличая грех и изгоняя дьявола.)
В старших классах школы Риман прилежно штудировал Библию, но мыслями неизменно возвращался к математике; он даже пытался математически доказать правильность Книги Бытия. Он учился так быстро, что превосходил познаниями своих наставников, обнаруживших, что угнаться за этим подопечным невозможно. В конце концов директор школы, чтобы хоть чем-то занять юношу, дал ему увесистый фолиант. Это была книга Адриена Мари Лежандра «Опыт теории чисел», внушительный 859-страничный шедевр, на тот момент — наиболее полный из всех существующих в мире трактат, посвящённый такому непростому предмету, как теория чисел. Риман проглотил его за шесть дней.
На вопрос директора «Ну как, много уже прочёл?», юный Риман ответил: «Это поистине удивительная книга. Я одолел её всю». Директор счёл эти слова бравадой и спустя несколько месяцев задал хвастливому юнцу несколько сложных вопросов по книге, на которые Риман ответил блестяще{7}.
Изнурённый каждодневными поисками пропитания, отец мог бы отправить Римана работать. Однако пастор сумел скопить сумму, достаточную для поступления его 19-летнего сына в знаменитый Гёттингенский университет, где тот познакомился с Карлом Фридрихом Гауссом, признанным «королём математиков», одним из величайших математиков того времени. Даже сегодня в ответ на просьбу перечислить трёх наиболее выдающихся математиков в истории любой математик назовёт Архимеда, Исаака Ньютона и Карла Гаусса.
В целом жизнь Римана была непрерывной чередой препятствий и бед, преодолевать которые удавалось с огромным трудом и напряжением и без того небольших сил. За каждым триумфом следовали фиаско и трагедия. Едва фортуна улыбнулась ему и он приступил к учёбе у Гаусса, как Германию захлестнула волна революции. Рабочий класс, долго терпевший нечеловеческие условия жизни и труда, восстал против правительства, рабочие городов по всей Германии взялись за оружие. Эти демонстрации и волнения начала 1848 г. стали источником вдохновения для ещё одного известного гражданина Германии — Карла Маркса и оказали заметное влияние на развитие революционного движения в Европе в последующие годы.
Когда волнения охватили всю Германию, учёба Римана прервалась. Его зачислили в студенческий отряд, где он удостоился сомнительной чести в течение 16 утомительных часов охранять особу, напуганную гораздо сильнее её охранников, — короля, который трясся от страха в своём берлинском дворце, пытаясь укрыться от гнева рабочего класса.
За рамками евклидовой геометрии
Революционные бури бушевали не только в Германии, но и в сфере математики. Вопросом, которым заинтересовался Риман, стало неизбежное падение ещё одного бастиона, авторитет которого ранее был непререкаем, — евклидовой геометрии, рассматривающей пространство как трёхмерное. Более того, это пространство не только трёхмерное, но и «плоское» (на плоскости кратчайшее расстояние между двумя точками — прямая; исключается сама возможность, что пространство может быть изогнутым, как в случае со сферой).
Пожалуй, евклидовы «Начала» можно назвать наиболее влиятельной (после Библии) книгой всех времён. На протяжении двух тысячелетий проницательнейшие умы западной цивилизации восхищались ясностью мысли и красотой геометрических построений. Тысячи прекрасных соборов Европы были воздвигнуты согласно принципам этой книги. Оглядываясь назад, можно отметить, что успех «Начал» был чересчур велик. С течением веков она стала своего рода религией; к каждому, кто осмеливался предложить искривлённое пространство или многомерность, относились как к безумцу или еретику. Бесчисленные множества поколений школьников сражались с теоремами евклидовой геометрии: длина окружности в π раз превосходит её диаметр, сумма углов треугольника составляет 180º. Но как ни бились веками самые светлые умы математики, им не удавалось найти доказательства обманчиво простых постулатов. В конце концов до европейских математиков начало доходить, что даже евклидовым «Началам», чтимым на протяжении 2300 лет, недостаёт полноты. Евклидова геометрия по-прежнему приемлема, если речь идёт о плоских поверхностях, но в мире изогнутых поверхностей она неверна.
С точки зрения Римана, евклидова геометрия особенно бесплодна, если её сравнить с поразительным многообразием мира. Нигде в природе мы не встречаем плоских, идеальных геометрических фигур Евклида. Горные цепи, океанские волны, облака, водовороты — отнюдь не правильные круги, треугольники и квадраты, а объекты с криволинейными поверхностями, количество изгибов которых поражает бесконечным разнообразием.
Время для революции наступило. Но кто возглавит её и что придёт на смену прежней геометрии?
Появление римановой геометрии
Риман восставал против мнимой математической точности греческой геометрии, фундамент которой, как он обнаружил, покоится на зыбучих песках интуиции и здравого смысла, а не на твёрдой почве логики.
Согласно Евклиду, у точки вообще нет измерения. У линии одно измерение — длина. У плоскости — два: длина и ширина. У тела — три: длина, ширина и высота. На этом всё и заканчивается. Нет ничего, что имело бы четыре измерения. Эти утверждения эхом повторял философ Аристотель, вероятно, первым в мире категорически заявивший, что четвёртое пространственное измерение невозможно. В трактате «О небе» он писал: «Величина, делимая в одном измерении, есть линия, в двух — плоскость, в трёх — тело, и, кроме них, нет никакой другой величины, так как три суть всё». Более того, в 150 г. н. э. астроном Птолемей из Александрии пошёл дальше Аристотеля и в своём труде «О расстояниях» предложил первое оригинальное «доказательство» невозможности четвёртого измерения.
Сначала, предлагал он, проведём три взаимно перпендикулярные линии. Например, угол куба представляет собой три линии, перпендикулярные друг другу. Затем попробуем провести четвёртую линию, перпендикулярную остальным трём. Как бы мы ни старались, утверждает Птолемей, провести четвёртый перпендикуляр невозможно. По мнению Птолемея, четвёртую перпендикулярную линию «нельзя измерить и определить». Таким образом, четвёртое измерение невозможно.
В действительности же Птолемей доказал невозможность визуализировать четвёртое измерение с помощью нашего трёхмерного мозга (сегодня нам уже известно немало объектов математики, которые нельзя представить, однако их существование можно доказать). Птолемей мог бы войти в историю как человек, противостоявший двум великим идеям в науке: гелиоцентрической Солнечной системе и четвёртому измерению.
За прошедшие с тех пор века появлялось немало математиков, с пеной у рта отвергавших четвёртое измерение. В 1685 г. Джон Уоллис (Валлис) высказывался против этой концепции, называя её «Чудовищем в мире природы, ещё менее возможным, чем химера или кентавр… Длина, ширина и высота исчерпывают пространство. Никакому воображению не под силу представить четвёртое пространственное измерение помимо этих трёх»{8}. В течение нескольких тысяч лет математики повторяли эту роковую ошибку: что четвёртое измерение не существует по той причине, что мы не в состоянии вообразить его себе.
Единство всех физических законов
Решительное отступление от евклидовой геометрии произошло, когда Гаусс поручил студенту Риману подготовить доклад об «основах геометрии». Гаусс всерьёз заинтересовался вопросом, сумеет ли его ученик разработать альтернативу евклидовой геометрии. (За несколько десятилетий до этого Гаусс сам в личных беседах выражал всяческие сомнения относительно евклидовой геометрии. Он даже упоминал в разговорах с коллегами гипотетических «книжных червей», живущих исключительно в двумерном пространстве. Он говорил, что это распространяется на геометрию многомерного пространства. Но будучи крайне консервативным человеком, Гаусс никогда не публиковал своих работ по многомерности, зная, какой взрыв негодования они вызовут у ограниченной, реакционно настроенной «старой гвардии». Гаусс презрительно окрестил их «беотийцами» — по названию одной из народностей Греции, представителей которой считали умственно недоразвитыми{9}.)
Риман был в ужасе. Этого застенчивого, робкого человека, впадающего в панику при мысли о публичных выступлениях, наставник попросил прочитать перед целым факультетом доклад об одной из самых сложных математических проблем столетия.
Следующие несколько месяцев Риман усердно разрабатывал теорию многомерности, напрягая все свои силы и находясь на грани нервного срыва. И без того плачевное положение усугублялось финансовыми проблемами. Чтобы обеспечивать близких, ему приходилось заниматься низкооплачиваемым репетиторством. Кроме того, Риман был вынужден отвлекаться на поиски объяснения физических проблем. Особенно часто он помогал профессору Вильгельму Веберу проводить эксперименты в новой увлекательной сфере — исследованиях электричества.
Конечно, электричество было известно и в древности — в виде искр и молний. Но в начале XIX в. это явление заняло центральное место в исследованиях физиков. В частности, внимание учёных привлекло то, что при прохождении тока по проводу, лежащему поверх компаса, стрелка компаса приводится в движение. И наоборот: движение магнитного стержня относительно провода может вызвать возникновение электрического тока в проводе. (Это явление называется законом Фарадея, на его принципах основаны все современные электрогенераторы и трансформаторы, следовательно, во многом он определяет основы современной техники и технологии.)
С точки зрения Римана, этот феномен указывал на то, что электричество и магнетизм — проявления одной и той же силы. Вдохновлённый новыми открытиями, Риман был убеждён, что мог бы дать математическое объяснение, способное объединить электричество и магнетизм. Он с головой ушёл в работу в лаборатории Вебера, уверенный, что с помощью математики удастся добиться полного понимания действия этих сил.
Но, поскольку Риман был обременён подготовкой к публичному докладу о «началах геометрии», обеспечением семьи и проведением научных экспериментов, здоровье в конце концов подвело его, и в 1854 г. он пережил нервный срыв. Позднее он писал отцу: «Исследования единства всех физических законов настолько увлекли меня, что, когда тема пробного доклада была мне объявлена, я насилу оторвался от исследовательской работы. Затем, отчасти из-за размышлений о ней, отчасти ввиду постоянного пребывания в помещении в эту скверную погоду, я занемог»{10}. Это письмо имеет большое значение, так как ясно свидетельствует, что даже во время многомесячной болезни Риман твёрдо верил, что откроет «единство всех физических законов» и что математика со временем проложит путь к этому объединению.
Сила = геометрия
Несмотря на постоянные болезни, Риман в конечном счёте изменил бытующие представления о значении силы. Ещё со времён Ньютона учёные считали силу мгновенным взаимодействием удалённых друг от друга тел. Физики называли её «дальнодействием», это означало, что некое тело способно оказывать мгновенное влияние на движение удалённых от него тел. Безусловно, ньютонова механика могла описать движение планет. Но на протяжении веков критики утверждали, что «дальнодействие» не является естественным, так как оно означало бы, что одно тело способно менять направление движения другого без соприкосновения с ним.
Риман предложил совершенно новую физическую картину. Ему представилось племя двумерных существ, подобных «книжным червям» Гаусса и живущих на листе бумаги. Но в отличие от Гаусса Риман населил этими «книжными червями» скомканный лист бумаги{11}. Что должны думать такие существа о мире, в котором они живут? Риман сообразил, что, с их точки зрения, этот мир остаётся совершенно плоским. Так как тела этих книжных червей тоже искривлены, они и не замечают, что их мир искажён. Однако Риман утверждал: при попытке переместиться по этому скомканному листу бумаги книжные черви ощутят воздействие таинственной, незримой силы, которая помешает им ползти по прямой. Им придётся отклоняться вправо или влево каждый раз, когда впереди окажется очередная складка листа.
Таким образом, Риман сделал первое за 200 лет значимое отступление от принципов Ньютона, отказался от принципа воздействия на расстоянии. По Риману, сила — следствие геометрии.
Затем Риман заменил двумерный лист бумаги нашим трёхмерным миром, «cмятым» в четвёртом измерении. Деформации нашей Вселенной неочевидны для нас. Но мы сразу почувствуем некий подвох, когда попытаемся идти по прямой. Мы будем двигаться словно во хмелю, как будто незримая сила тянет нас, толкает то вправо, то влево.
Риман пришёл к выводу, что электричество, магнетизм и гравитация вызваны деформацией нашей трёхмерной Вселенной в незримом четвёртом измерении. Таким образом, сила не может существовать самостоятельно и независимо, а представляет собой лишь видимое следствие искажения геометрии пространства. Введя в рассуждения четвёртое пространственное измерение, Риман случайно наткнулся на тему, которая стала одной из господствующих в современной теоретической физике, — явное упрощение законов природы в категориях многомерного пространства. И Риман приступил к работе над математическим языком, пригодным для выражения этой идеи.
Метрический тензор Римана: новая теорема Пифагора
Риману понадобилось несколько месяцев, чтобы оправиться от последствий нервного срыва. Его доклад, наконец прочитанный в 1854 г., приняли с воодушевлением. В ретроспективе это был, бесспорно, один из наиболее выдающихся публичных докладов в истории математики. По Европе быстро распространилось известие, что Риман решительно сбросил оковы евклидовой геометрии, которой математики подчинялись на протяжении двух тысячелетий. О докладе вскоре узнали во всех центрах образования Европы, вклад Римана в математику приветствовали повсюду в научных кругах. Доклад Римана перевели на несколько языков, он произвёл фурор в математике. К евклидовой геометрии раз и навсегда перестали относиться так, как прежде.
Суть выдающегося труда Римана, как и суть многих величайших работ в области физики и математики, уловить довольно просто. Риман начал со знаменитой теоремы Пифагора, одного из важнейших достижений древнегреческих математиков. Эта теорема устанавливает соотношения между длинами сторон прямоугольного треугольника. Согласно ей, сумма квадратов коротких сторон, катетов, равна квадрату длинной стороны, гипотенузы; если a и b — длины катетов, а с — длина гипотенузы, тогда а² + b² = с². (Естественно, теорема Пифагора лежит в основе всей архитектуры; все сооружения на планете построены с её учётом.)
Эту теорему легко сформулировать для трёхмерного пространства. Она гласит, что сумма квадратов трёх смежных сторон куба равна квадрату его диагонали; или если а, b и с — стороны куба, а d — его диагональ, тогда a² + b² + c² = d² (рис. 2.1).
Теперь так же просто можно сформулировать ту же теорему для N-мерного пространства. Представим себе N-мерный куб. Если a, b, c… — длины сторон «гиперкуба», а z — длина его диагонали, тогда a² + b² + c² + d² +… = z². Примечательный момент: хотя наш мозг не в состоянии представить N-мерный куб, формулу для его сторон и диагонали записать несложно. (Это типичная особенность работы с гиперпространством. С математической точки зрения манипулировать N-мерным пространством не труднее, чем трёхмерным пространством. Поразительно, как на простом листе бумаги можно математически описать свойства многомерных объектов, которые не в силах вообразить наш мозг.)
Затем Риман записал эти уравнения для пространств с произвольным количеством измерений. Эти пространства могут быть либо плоскими, либо искривлёнными. К плоским применяются обычные аксиомы Евклида: кратчайшее расстояние между двумя точками — прямая, параллельные линии никогда не пересекаются, сумма внутренних углов треугольника составляет 180º. Вместе с тем Риман обнаружил, что поверхности могут иметь «положительную кривизну», как поверхность сферы, где параллельные всегда пересекаются и сумма углов треугольника может быть больше 180º. Бывают и поверхности с «отрицательной кривизной»: например, седлообразные или воронкообразные. На этих поверхностях сумма углов треугольника меньше 180º. Если взять линию и точку вне этой линии, то через такую точку можно провести бесконечное множество линий, параллельных данной (рис. 2.2).
Целью Римана было ввести в математику новый элемент, позволяющий описывать все поверхности независимо от их сложности. Как и следовало ожидать, эта цель побудила его обратиться к фарадеевой концепции поля.
Как мы помним, поле Фарадея представляло собой подобие крестьянского, занимающего двумерный участок пространства. Фарадеево поле занимает часть трёхмерного пространства; любой точке этого пространства мы присваиваем ряд параметров, описывающих магнитное или электрическое взаимодействие в этой точке. Идея Римана заключалась в том, чтобы присвоить каждой точке пространства ряд параметров, которые описывали бы степень его деформации или кривизны.
К примеру, для обычной двумерной поверхности Риман вводил набор из трёх параметров для каждой точки, полностью описывающих искривление этой поверхности. Риман обнаружил, что в четырёх пространственных измерениях для описания свойств каждой точки требуется набор из десяти параметров. Каким бы «скомканным» или искривлённым ни было пространство, этих десяти параметров для каждой точки оказывалось достаточно, чтобы зашифровать всю информацию о данном пространстве. Обозначим эти десять параметров как g11, g12, g13, и т. д. (при анализе четырёхмерного пространства нижний индекс меняется от единицы до четырёх). В этом случае риманов набор из десяти параметров можно симметрично расположить, как показано на рис. 2.3{12}. (Несмотря на то что компонентов всего 16, g12 = g21, g13 = g31 и т. д., т. е. в действительности независимых компонентов только десять.) В настоящее время этот набор параметров называется римановым метрическим тензором. Грубо говоря, чем больше значение метрического тензора, тем сильнее скомкан лист. Как бы ни был смят лист бумаги, метрический тензор даёт нам простое средство измерения его кривизны в любой точке. Если же мы полностью расправим скомканный лист, сделаем его плоским, то снова вернёмся к теореме Пифагора.
Метрический тензор позволил Риману построить эффективный аппарат для описания пространств с любым количеством измерений и произвольной кривизной. К своему изумлению, Риман обнаружил, что все эти пространства чётко определены и логически последовательны. Ранее считалось, что при исследовании запретного мира высших измерений непреодолимые противоречия неизбежны. Но, как ни странно, Риман не заметил ни одного. Напротив, переход к N-мерным пространствам оказался почти пустяковым делом. Метрический тензор приобрёл сходство с шахматной доской размером N×N клеток. Это обстоятельство приобретёт глубокий физический смысл в следующих главах, когда мы перейдём к объединению всех сил.
(Как мы убедимся, секрет объединения кроется в расширении метрического тензора Римана до N-мерного пространства с последующим его нарезанием на прямоугольные части. Каждый прямоугольник соответствует одному взаимодействию. В этом случае можно описывать различные силы природы, размещая их в метрическом тензоре, как элементы в головоломке. Таково математическое выражение принципа, согласно которому многомерное пространство объединяет законы природы так, что для их объединения «хватает места» в N-мерном пространстве. Точнее, для объединения сил природы «достаточно места» в метрическом тензоре Римана.)
Риман предсказал ещё одно направление развития физики: он первым заговорил о многосвязных пространствах, или «червоточинах». Для наглядного представления этой концепции возьмите два листа бумаги, положите один на другой. Сделайте ножницами короткий разрез на каждом листе. Потом склейте листы друг с другом вдоль разрезов (рис. 2.4). (Топологически получается то же самое, что и на рис. 1.1, только горловина «червоточины» имеет нулевую длину.)
Жучок, живущий на верхнем листе, может когда-нибудь случайно заползти в разрез и очутиться на нижнем листе. И озадачиться, так как всё вокруг изменится. После многочисленных экспериментов жучок наверняка поймёт, что можно вернуться в привычный мир, если проползти через разрез в обратном направлении. Стоит только сделать это — и мир станет обычным, но любые попытки пройти через разрез в надежде сократить путь чреваты проблемами.
Разрез Римана — пример «червоточины» (с нулевой длиной), соединяющей два пространства. Римановы разрезы с успехом применил математик Льюис Кэрролл в книге «Алиса в Зазеркалье». Зеркало — это и есть риманов разрез, соединяющий Англию и Страну чудес. Сегодня римановы разрезы сохранились в двух видах. Во-первых, о них упоминают в учебных курсах математики всего мира применительно к конформному отображению или теории электростатики. Во-вторых, римановы разрезы фигурируют в сериале «Сумеречная зона» (следует отметить, что сам Риман никогда не рассматривал эти разрезы как средство перемещения между вселенными).
Наследие Римана
Риман упорно продолжал исследования в области физики. В 1858 г. он даже объявил, что наконец сформулировал единое описание для света и электричества. Он писал: «Я полностью убеждён, что моя теория верна и что через несколько лет её признают таковой»{13}. Несмотря на то что его метрический тензор стал эффективным средством описания любого изогнутого пространства в любом измерении, Риман не знал, каким именно уравнениям подчиняется этот метрический тензор; иначе говоря, он не знал, в результате чего лист стал скомканным.
К сожалению, стараниям Римана решить эту задачу неуклонно препятствовала мучительная бедность. Его успехи не приносили денег. В 1857 г. Риман перенёс ещё один нервный срыв. По прошествии многих лет его наконец назначили в Гёттингене на завидный пост, который ранее занимал Гаусс, но было уже слишком поздно. Жизнь в нужде подорвала здоровье Римана, и, подобно многим выдающимся математикам в истории человечества, он преждевременно скончался от истощения в возрасте 39 лет, не успев закончить свою геометрическую теорию гравитации, электричества и магнетизма.
Итак, Риман не просто заложил основы математики гиперпространства. Оглядываясь назад, мы видим, что Риман предвидел некоторые важные проблемы современной физики, а именно:
1. Он воспользовался многомерным пространством, чтобы упростить законы природы; т. е. для него электричество, магнетизм и гравитация были просто следствиями, вызванными деформацией, или искривлением гиперпространства.
2. Он предвидел появление концепции «червоточин». Римановы разрезы — простейшие примеры многосвязных пространств.
3. Он отображал гравитацию как поле. Поскольку метрический тензор описывает силу гравитации (посредством кривизны) в каждой точке пространства, то применительно к гравитации он представляет собой именно концепцию фарадеева поля.
Риман не сумел завершить свой труд, посвящённый силовым полям, по той причине, что ему недоставало уравнений поля, которым подчиняются электричество, магнетизм и гравитация. Иными словами, он не знал, как именно должна быть скомкана Вселенная, чтобы создать силу гравитации. Он пытался сформулировать уравнения поля для электричества и магнетизма, но умер раньше, чем справился с этой задачей. К моменту смерти он так и не узнал способа вычислить степень искривления, необходимую для описания этих взаимодействий. Решающие открытия в этой сфере остались Максвеллу и Эйнштейну.
Жизнь в пространственной складке
Чары наконец рассеялись.
За свою короткую жизнь Риман успел снять заклятие, наложенное Евклидом за две тысячи лет до того. Метрический тензор Римана стал оружием, с помощью которого молодые математики могли бросить вызов «беотийцам», улюлюкающим при любом упоминании о многомерности. Тем, кто последовал по стопам Римана, стало легче высказываться о незримых мирах.
Вскоре начались исследования по всей Европе. Видные учёные взялись за популяризацию идеи для широкой публики. Герман фон Гельмгольц, вероятно, самый знаменитый немецкий физик того поколения, поражённый трудами Римана, много и подробно писал, обращаясь к широкой аудитории и рассказывая о математике разумных существ, живущих на шаре или сфере.
Согласно Гельмгольцу, эти существа, наделённые мышлением под стать нашему, независимо от нас обнаруживают, что все евклидовы постулаты и теоремы бесполезны. К примеру, на сфере сумма углов треугольника не составляет 180º. «Книжные черви», о которых первым заговорил Гаусс, теперь населяли двумерные сферы Гельмгольца. Гельмгольц писал, что «аксиомы геометрии должны меняться в зависимости от характера пространства, населённого существами, мыслительные способности которых соответствуют нашим»{14}. Но в своих «Популярных лекциях о научных предметах» (1881 г.) Гельмгольц предупреждает читателей, что визуализировать четвёртое измерение мы не можем. Он пишет, что «подобное представление так же невозможно, как невозможно рождённому слепым представить себе, что такое разные цвета»{15}.
Некоторые учёные, восхищённые элегантностью решения Римана, пытались найти физическое применение столь мощному инструменту{16}. Одни исследовали его применительно к высшим измерениям, другие обращались к более практичным и приземлённым вопросам: например, как едят двумерные существа. Чтобы двумерные люди Гаусса могли питаться, их рты должны быть обращены вбок. Но если мы нарисуем их пищеварительный тракт, то заметим, что он полностью рассекает их тело (рис. 2.5). Таким образом, в процессе еды их тела разделяются на две части. В сущности, любая трубка, соединяющая два отверстия в их теле, будет делить их на две части, никак не скреплённые друг с другом. В результате мы встаём перед трудным выбором: либо эти люди едят так, как мы, и распадаются надвое, либо подчиняются другим законам биологии.
К сожалению, передовая риманова математика опережала сравнительно отсталую физику XIX в. Физической основы, которая направляла бы дальнейшие исследования, ещё не существовало. Лишь в следующем веке физики догнали математиков. Но это не помешало учёным XIX в. строить бесконечные догадки о том, как выглядят существа из четвёртого измерения. Вскоре они осознали, что жители четвёртого измерения должны обладать почти божественными способностями.
Быть богом
Представьте, что вы наделены способностью проходить сквозь стены.
Вам больше незачем затрудняться, открывая двери: можно пройти прямо сквозь них. Незачем обходить вокруг зданий: можно войти в них прямо сквозь стены и опоры, пройти насквозь и выйти через заднюю стену. Незачем и объезжать горы, если можно двинуться через них напрямик. Проголодавшись, можно просто протянуть руку сквозь дверцу холодильника, не открывая его. Даже если вы забудете ключи в машине и захлопнете дверцу, то всё равно сможете пройти сквозь неё и сесть за руль.
Представьте, что в ваших силах исчезать и появляться по своему желанию. Вместо того, чтобы проделывать весь путь до школы или до работы, можно просто исчезнуть дома и вновь материализоваться уже в классе или в офисе. Не нужен самолёт, чтобы побывать в отдалённых уголках, — можно просто исчезнуть и вновь материализоваться, где захочется. В час пик незачем торчать в пробке — можно раствориться в воздухе вместе с машиной и снова материализоваться в пункте назначения.
Представьте, что у вас рентгеновский взгляд. Вы издалека способны видеть места катастроф. Исчезнув и вновь материализовавшись на месте любой такой катастрофы, вы увидите, где именно находятся пострадавшие, даже если они погребены под обломками.
Представьте, что вы способны проникнуть внутрь какого-либо предмета, не открывая его. Например, извлечь дольки из апельсина, не очищая его и не разрезая его. Вас будут восхвалять как виртуозного хирурга, которому не надо даже разрезать кожу, чтобы провести операцию на внутренних органах, в итоге значительно снижается не только боль, но и риск инфекции. Вам достаточно просто проникнуть внутрь организма пациента, пройти непосредственно сквозь кожу и выполнить сложную операцию.
Представьте, как распорядился бы всеми этими возможностями преступник. Он мог бы проникнуть даже в самый неприступный банк. Мог бы увидеть ценности и деньги за массивными дверями сейфа, попасть внутрь и забрать всё, что захочет. А потом преспокойно уйти, несмотря на простреливающие его насквозь пули охранников. Преступника с такими способностями не удержала бы ни одна тюрьма.
Скрывать от нас что-либо было бы бесполезно. Никто не сумел бы утаить от нас никакие сокровища. Нас не остановили бы никакие препятствия. Мы творили бы чудеса, демонстрировали мастерство, недоступное пониманию простых смертных. Мы сделались бы всемогущими.
Какое существо может обладать такой божественной силой? Ответ: существо из многомерного мира. Разумеется, все его подвиги недоступны тому, кто живёт в мире трёх измерений. Для нас стены непроницаемы, а тюремные решётки нерушимы. Попытка пройти сквозь стену завершится острой болью и разбитым в кровь носом. Но для обитателя четырёхмерного мира всё перечисленное — игра.
Для того чтобы понять, как можно совершить все эти удивительные трюки, вернёмся к вымышленным двумерным существам Гаусса, поселив их на двумерной столешнице. Для того чтобы посадить преступника в тюрьму, флатландцам достаточно очертить вокруг него круг. Куда бы ни кинулся преступник, везде он будет натыкаться на непреодолимое препятствие. Но нам проще простого вызволить этого узника из его темницы. Мы можем протянуть руку, схватить флатландца, отделить его от двумерного мира и перенести на другое место (рис. 2.6). Этот подвиг, совершенно заурядный в трёх измерениях, выглядит фантастикой в двумерном мире.
Тюремщик увидит, что заключённый вдруг исчез из надёжной, неприступной тюрьмы, растворившись в воздухе. А потом так же внезапно этот заключённый возникнет в другом месте. Если объяснить тюремщику, что заключённый был «поднят вверх», за пределы Флатландии, он не поймёт, о чём речь. В словаре флатландцев нет понятия «вверх», представить себе, что это такое, они не в силах.
Схожим образом можно объяснить и другие действия и явления. К примеру, обратим внимание, что внутренние органы флатландца (например, желудок или сердце) для нас полностью видимы — точно так же, как мы видим внутреннюю структуру клеток на предметном стекле под микроскопом. Поэтому несложно проникнуть внутрь флатландца и провести хирургическую операцию, не делая разрезов на коже. Кроме того, мы можем отделить флатландца от его плоского мира, повернуть другой стороной к себе и снова положить на плоскость. Отметим, что теперь его левые и правые органы поменялись местами, т. е. сердце находится справа (рис. 2.7).
Продолжая рассматривать Флатландию, мы убедимся, что здесь мы всемогущи. Даже если флатландец прячется в доме или под землёй, мы прекрасно видим его. Ему наши способности кажутся магическими, между тем мы-то знаем, что это не магия, а следствие более выгодного положения и угла зрения. (Такие «магические» действия в принципе возможны в сфере физики гиперпространства, однако мы считаем своим долгом вновь предупредить: техника и технологии, необходимые для манипуляций этим пространственно-временным континуумом, значительно превосходят все возможности землян, по крайней мере в ближайшие столетия. Возможно, эти манипуляции под силу каким-нибудь представителям внеземной жизни, значительно опережающим землян в развитии и владеющим технологиями управления источниками энергии, в квадрильоны раз превосходящими по мощности наши самые эффективные машины.)
Знаменитый доклад Римана был популяризован в работах Гельмгольца и многих других учёных, однако неспециалистам мало что могут дать эти объяснения или сведения о питании двумерных существ. Среднестатистический человек ставит вопрос более конкретно: какие существа могут проходить сквозь стены, видеть сквозь сталь и творить чудеса? Кто всемогущ и подчиняется законам, отличающимся от наших?
Ну, конечно, привидения!
В отсутствие какой-либо физической основы, обуславливающей введение высших измерений, теория четвёртого измерения вдруг приобрела неожиданный оборот. Сейчас мы проследим странное, но важное отклонение в истории гиперпространства, изучим его неожиданное, но значительное влияние на искусство и философию. Этот экскурс в популярную культуру покажет, как мистики подсказали нам хитроумные способы визуализации многомерного пространства.
Привидения из четвёртого измерения
Четвёртое измерение вошло в общественное сознание в 1877 г., когда в Лондоне один судебный процесс приобрёл скандальную славу международного масштаба.
Лондонские газеты широко и подробно освещали сенсационные заявления экстрасенса Генри Слейда и невероятный судебный процесс над ним. К этому нашумевшему процессу были привлечены самые видные физики тех времён. В результате такой огласки обсуждения четвёртого измерения сошли с классных досок, исписанных математиками, и буквально выплеснулись в светское общество, превратились в тему застольных бесед всего Лондона. «Пресловутое четвёртое измерение» стало притчей во языцех.
Всё началось довольно безобидно, когда американский экстрасенс Слейд приехал в Лондон и провёл несколько сеансов для влиятельных горожан. После этого Слейда арестовали за мошенничество и обвинили в «применении хитроумных устройств и уловок, ловкости рук и т. д». с целью обмана клиентов{17}. В любое другое время этот процесс прошёл бы незамеченным. Но лондонское общество было скандализовано и удивлено, когда известные физики выступили в защиту экстрасенса, утверждая, что его действия служат доказательством способности вызывать духов из четвёртого измерения. Раздуванию скандала способствовал тот факт, что защитниками Слейда были не рядовые британские учёные, а величайшие физики мира. Многие из них в дальнейшем удостоились Нобелевской премии.
Ведущую роль в разжигании скандала сыграл Иоганн Цёлльнер, профессор физики и астрономии Лейпцигского университета. Именно Цёлльнер мобилизовал целую плеяду видных физиков и побудил их вступиться за Слейда.
В способности мистиков развлекать салонными фокусами королевский двор и высший свет не было, конечно, ничего нового. Веками мистики утверждали, что способны вызывать духов, чтобы те читали послания в запечатанных конвертах, извлекали различные предметы из закупоренных бутылок, делали целыми сломанные спички и сцепляли вместе кольца. Странный поворот процессу придало то, что учёные утверждали, будто подобные фокусы возможны благодаря манипулированию предметами в четвёртом измерении. В ходе этого процесса широкая публика впервые получила представление о том, что четвёртое измерение помогает творить чудеса.
Цёлльнер заручился поддержкой всемирно известных физиков, причастных к Обществу паранормальных (психических) исследований и даже возглавлявших эту организацию, в том числе самых выдающихся учёных XIX в.: Уильяма Крукса, изобретателя катодно-лучевой трубки, ныне применяемой во всех телевизорах и мониторах компьютеров{18}; Вильгельма Вебера, сотрудника Гаусса и наставника Римана (в настоящее время международная единица магнитного потока носит официальное название «вебер» в честь него); Джозефа Джона Томпсона, удостоенного Нобелевской премии в 1906 г. за открытие электрона, и лорда Рэлея, признанного историками одним из величайших специалистов в области классической физики конца XIX в., ставшего нобелевским лауреатом по физике в 1904 г.
В частности, Крукс, Вебер и Цёлльнер проявили особый интерес к деятельности Слейда, которого суд в конце концов признал виновным в мошенничестве. Однако Слейд утверждал, что может доказать свою невиновность, повторив фокусы перед учёным собранием. Заинтригованный Цёлльнер принял вызов. В 1877 г. был проведён ряд контролируемых экспериментов, чтобы проверить способность Слейда переносить предметы через четвёртое измерение. Для оценки способностей Слейда Цёлльнер пригласил нескольких выдающихся учёных.
Сначала Слейду дали два отдельных цельных деревянных кольца. Сможет ли он продеть одно кольцо через другое, не сломав их и не нарушив их целостности другим способом? Если Слейд справится с этой задачей, писал Цёлльнер, это будет «чудо, т. е. явление, которое совершенно невозможно объяснить с помощью имевшихся у нас ранее представлений о физических и органических процессах»{19}.
Затем Слейду дали морскую раковину, закрученную в определённую сторону. Сумеет ли он превратить закрученную вправо раковину в закрученную влево, и наоборот?
И наконец, Слейду дали замкнутую сплошную петлю из высушенных кишок животного. Удастся ли ему сделать узел на петле, не разрезая её?
Кроме того, Слейду предложили тесты других видов. Например, на верёвке был завязан правосторонний узел, концы верёвки были скреплены воском с оттиснутой на нём личной печатью Цёлльнера. Слейда попросили развязать узел, не нарушая целостности восковой печати, и снова завязать верёвку, но уже левосторонним узлом. Поскольку узлы можно развязать в четвёртом измерении, для того, кто имеет с ним дело, такая задача не составит труда. Ещё Слейда попросили извлечь содержимое из запечатанной бутылки так, чтобы бутылка осталась целой.
Сумел ли Слейд продемонстрировать удивительные способности?
Магия в четвёртом измерении
Сегодня мы понимаем, что манипуляции многомерным пространством, на которые претендовал Слейд, потребовали бы технологии гораздо более развитой, чем возможна на нашей планете в обозримом будущем. Этот скандальный случай примечателен другим: тем, что Цёлльнер сделал правильный вывод — удивительные чудеса Слейда возможны лишь в том случае, если кудесник каким-то образом способен перемещать предметы через четвёртое измерение. Следовательно, с образовательной точки зрения эксперименты Цёлльнера наглядны и достойны обсуждения.
К примеру, в мире трёх измерений отдельные кольца нельзя соединить, продев одно через другое, не сломав их. Точно так же и замкнутые верёвочные петли нельзя связать узлами, не разрезая их. Любой бойскаут или герлскаут, кому доводилось сражаться с узлами ради получения отличительного значка, знает, что избавиться от узлов на замкнутой верёвочной петле нельзя. Но в высших измерениях узлы легко распутываются, а кольца — сплетаются. Это происходит благодаря наличию «дополнительного пространства», где верёвки проходят одна мимо другой, а кольца соединяются друг с другом. Если четвёртое измерение существует, петли и кольца можно перенести в него из нашей Вселенной, переплести, а затем снова вернуть в наш мир. В сущности, узлы не могут оставаться связанными в четвёртом измерении. Их всегда можно развязать, не разрезая верёвку. Сделать это в трёхмерном мире невозможно, зато очень просто в четырёхмерном. Оказывается, третье измерение — единственное, в котором узлы остаются завязанными. (Доказательство этого довольно неожиданного вывода дано в примечаниях{20}.)
Точно так же в трёх измерениях невозможно превратить строго левосторонний предмет в правосторонний. Люди рождаются с сердцем слева в груди, и никакой хирург, каким бы искусным он ни был, не в состоянии поменять местами человеческие внутренние органы. Это возможно (как впервые указал математик Август Мёбиус в 1827 г.), только если мы извлечём организм из нашей Вселенной, повернём его в четвёртом измерении и снова вернём в привычный мир. Два из этих фокусов показаны на рис. 2.8; их можно выполнить, только если удастся перенести предметы в четвёртое измерение.
Раскол в научном сообществе
Цёлльнер спровоцировал бурную полемику, утверждая в журналах Quarterly Journal of Science и Transcendental Physics, что Слейд ошеломил своих зрителей «чудесными» фокусами во время выступлений в присутствии выдающихся учёных. (Но на самом деле Слейд провалил эксперименты, проведённые под контролем.)
Воодушевление, с которым Цёлльнер встал на защиту удивительных способностей Слейда, произвело сенсацию в лондонском обществе. (В сущности, это был только один из нескольких широко известных инцидентов XIX в. с участием спиритуалистов и медиумов. Викторианская Англия питала явную слабость к оккультизму.) Учёные, как и публика в целом, вскоре разделились на сторонников и противников. Цёлльнера поддерживал круг учёных с прочной репутацией, в том числе Вебер и Крукс — маститые учёные и опытные экспериментаторы. Всю жизнь они наблюдали за природными явлениями, а теперь у них на глазах Слейд выполнял трюки, возможные лишь в том случае, если четвёртое измерение населено духами.
Однако противники Цёлльнера указывали, что учёные, привыкшие доверять своим органам чувств, хуже, чем кто-либо, способны раскусить фокусника. Иллюзионист специально учится отвлекать, обманывать, сбивать с толку те же самые органы чувств. Учёный может внимательно следить за правой рукой фокусника, а в это время трюк втайне выполнит левая рука. Критики также заявляли, что лишь другому фокуснику под силу разоблачить коллегу, понять, в чём заключается ловкость его рук. Только вор может поймать за руку вора.
В одной особенно ядовитой статье, опубликованной в научном ежеквартальном журнале Bedrock, критика была направлена в адрес двух других видных физиков, сэра Уильяма Барретта и сэра Оливера Лоджа, а также их работ в области телепатии. Автор статьи был беспощаден:
Совсем не обязательно либо считать необъяснимым феномен так называемой телепатии, либо ненормальным психическое состояние сэра Уильяма Барретта и сэра Оливера Лоджа. Можно предположить и третье. Стремление верить стало причиной их готовности принять свидетельства, полученные при условиях, которые они сами признали бы несостоятельными, если бы имели представление об экспериментальной психологии.
Более века спустя те же самые доводы «за» и «против» звучали в спорах о трюках израильского менталиста Ури Геллера, убедившего двух авторитетных учёных из Стэнфордского исследовательского института в Калифорнии, что он умеет сгибать ключи силой одной только мысли и творить другие чудеса. (В комментариях некоторые учёные повторяли высказывание, восходящее к временам древних римлян: «Populus vult decipi, ergo decipiatur» — «Люди хотят быть обманутыми, следовательно, будут обмануты».)
Страсти, бушевавшие в британском научном сообществе, спровоцировали оживлённые дебаты, быстро распространившиеся и по другую сторону Ла-Манша. К сожалению, за несколько лет, прошедших после смерти Римана, учёные успели забыть о его изначальной цели — упростить законы природы с помощью высших измерений. В результате теория многомерности продолжала развиваться в интересных, но спорных направлениях. Этот урок имеет большое значение. Без ясной физической мотивации или направляющей физической картины чисто математические концепции порой заводят в сферу спекуляций.
Тем не менее эти десятилетия не были полностью потеряны: математики и мистики, такие как Чарльз Хинтон, разработали немало оригинальных способов «увидеть» четвёртое измерение. В конце концов всепроникающее влияние четвёртого измерения описало полный круг и оплодотворило мир физики.