Что означает трехмерное измерение
Трёхмерное пространство
Понимание трёхмерного пространства людьми, как считается, развивается ещё в младенчестве, и тесно связано с координацией движений человека. Визуальная способность воспринимать окружающий мир органами чувств в трёх измерениях называется восприятием глубины.
В аналитической геометрии каждая точка трёхмерного пространства описывается как набор из трёх величин — координат. Задаются три взаимно перпендикулярных координатных оси, пересекающихся в начале координат. Положение точки задаётся относительно этих трёх осей заданием упорядоченной тройки чисел. Каждое из этих чисел задаёт расстояние от начала отсчёта до точки, измеренное вдоль соответствующей оси, что равно расстоянию от точки до плоскости, образованной другими двумя осями.
Также существуют другие системы координат, наиболее часто используются цилиндрическая и сферическая системы.
Другой взгляд даёт линейная алгебра, где важную роль играет понятие линейной независимости. Пространство трёхмерно по той причине, что высота коробки не зависит от её длины и ширины. На языке линейной алгебры пространство трёхмерно, потому что каждая точка может быть задана комбинацией из трёх линейно независимых векторов. В этих терминах пространство-время четырёхмерно, потому что положение точки во времени не зависит от её положения в пространстве.
Трёхмерное пространство имеет несколько свойств, которые отличают его от пространств другой размерности. Например, это пространство наименьшей размерности, в котором можно завязать узел на куске верёвки. Многие законы физики, например многие законы обратных квадратов связаны с тем что размерность нашего пространства три.
Нульмерное, одномерное и двухмерное пространства могут рассматриваться как располагающиеся в трёхмерном пространстве; само оно может считаться частью модели четырёхмерного пространства (четвёртым измерением иногда называют время).
Трёхмерное пространство
Трёхме́рное простра́нство — геометрическая модель материального мира, в котором мы находимся. Это пространство называется трёхмерным, так как оно имеет три однородных измерения — высоту, ширину и длину, то есть трёхмерное пространство описывается тремя единичными ортогональными векторами.
Понимание трёхмерного пространства людьми, как считается, развивается ещё в младенчестве, и тесно связано с координацией движений человека. Визуальная способность воспринимать окружающий мир органами чувств в трёх измерениях называется глубиной восприятия.
В аналитической геометрии каждая точка трёхмерного пространства описывается как набор из трёх величин — координат. Задаются три взаимно перпендикулярных координатных оси, пересекающихся в начале координат. Положение точки задаётся относительно этих трёх осей заданием упорядоченной тройки чисел. Каждое из этих чисел задаёт расстояние от начала отсчёта до точки, измеренное вдоль соответствующей оси, что равно расстоянию от точки до плоскости, образованной другими двумя осями.
Другой взгляд даёт линейная алгебра, где важную роль играет понятие линейной независимости. Пространство трёхмерно по той причине, что высота коробки не зависит от её длины и ширины. На языке линейной алгебры пространство трёхмерно, потому что каждая точка может быть задана комбинацией из трёх линейно независимых векторов. В этих терминах пространство-время четырёхмерно, потому что положение точки во времени не зависит от её положения в пространстве.
Нульмерное, одномерное и двухмерное пространства могут рассматриваться как располагающиеся в трёхмерном пространстве; само оно может считаться частью модели четырёхмерного пространства (четвёртым измерением континуума, как правило, называют время — неоднородное качество по отношению к пространственной мерности). [3]
Десять измерений
Упрощенное объяснение 10 измерений Теории струн.
Представьте, что вы живете в озере. Вы рыба с глазами по обе стороны головы, и все, что вы знаете, это подводный мир растительности и других рыб, плавающих вокруг вас. Солнечный свет проникает, рассеивается и преломляется через воду. Вы в своей жизни убеждены, что этот подводный мир всё, что есть, потому что это всё, что вы можете видеть и ощуать. Тем не менее, существует совершенно новая среда за пределами вашей видимости — та, где животным не нужна вода, чтобы дышать, а цветы расцветают в гораздо более засушливом мире.
Это физическая ситуация, в которой и мы находимся. Мы такие же рыбы, и эти все измерения более трехмерного,— это новые среды, которые мы не можем воспринимать. На самом деле Теория струн, которая пытается примирить относительность с квантовой механикой (законы очень большого с очень малым), работает только в том случае, если предположить, что существует гораздо больше, чем четыре измерения, к которым мы привыкли. Физики верят, но пока не могут доказать, что в Мультивселенной существует до 11 измерений. Да, Мультивселенная, это где вселенные — пузыри, которые иногда объединяются вместе или расходятся. Это разделение пузырей вселенных — одна из возможностей того, что могло бы вызвать Большой взрыв.
Итак, упрощенное изложение 10 измерений Теории струн.
Первое измерение
Линия, соединяющая две точки. Нет ни глубины, ни высоты, только ширина. Это можно назвать осью X.
Второе измерение
Теперь мы добавили высоту или ось Y. Представьте любую плоскую фигуру, например треугольник.
Третье измерение
Теперь мы добавили глубину или ось Z. Это измерение, в котором мы ощущаем окружающий нас мир. Оно включает в себя объем и способность получать поперечные сечения от объектов. Вы можете думать об этом измерении как о пространстве без времени.
Четвертое измерение
Четвертое измерение не является пространственным, а состоит из времени. Время помогает построить местоположение объекта во Вселенной, а также добавляет способ изменения третьего измерения. Помните, мы назвали третье измерение пространством без времени? Ну, теперь у нас официально появилось космическое время.
«Время относительно, ясно? Оно может растягиваться, и оно может сжиматься, но… оно не может бежать назад. Просто не может. Единственное, что может перемещаться по измерениям, например времени, — это гравитация».
– Кристофер Нолан (Christopher Nolan), режиссер ильма Interstellar
Пятое измерение
С этого момента появляются более высокие измерения. Они незаметны для нас, считают ученые, потому что они существуют на субатомном уровне. Эти размеры скручиваются сами по себе в процессе, известном как компактификация. Размеры здесь на самом деле имеют дело с возможностями.
В пятом измерении будет новый мир, который позволит нам увидеть сходства и различия между нашим миром и этим новым, существующим в том же положении и имеющим то же начало, что и наша планета, т. е. в результате Большого взрыва.
Шестое измерение
Шестое измерение — это целая плоскость новых миров, которая позволит вам увидеть все возможные будущие, настоящие и прошлые события с тем же началом, что и наша Вселенная.
Седьмое измерение
В седьмом измерении вплоть до девятого, у нас теперь появляется возможность новых вселенных с новыми физическими силами природы и различными законами гравитации и света. Седьмое измерение — это начало этого, где мы сталкиваемся с новыми вселенными, которые имеют иное начало, чем наше. То есть они появились не в результате Большого взрыва.
Восьмое измерение
Это измерение — плоскость всех возможных прошлых и будущих времен для каждой Вселенной, простирающаяся бесконечно.
Девятое измерение
Девятое измерение раскрывает все универсальные законы физики и условия каждой отдельной Вселенной.
Десятое или одиннадцатое измерение
Некоторые ученые считают, что мультивселенная имеет только 10 измерений, в то время как другие говорят об 11-ти. Однако Мультивселенная не может иметь более 11 измерений из-за собственной консистенции — они становятся неустойчивыми и сворачиваются обратно в 10 или 11 измерений. На данный момент, всё возможно. Есть всё будущее и всё прошлое, все начала и все концы, бесконечно расширенное, измерение всего, что вы можете себе представить. Всё складывается вместе.
В то время как идея мультивселенной забавна с точки зрения научной фантастики и мечтаний, она также математически обоснована и обеспечит основу для Теории всего, что и является попыткой Теории струн. Это было бы прекрасное сочетание науки, математики и мистики.
Почему мы живем в трехмерном пространстве
Мы живем в трехмерном мире: длина, ширина и глубина. Некоторые могут возразить: «А как же четвертое измерение — время?» Действительно, время — это тоже измерение. Но вот вопрос, почему пространство измеряется в трех измерениях — загадка для ученых. Новое исследование объясняет, почему мы живем в мире 3D.
Вопрос о том, почему пространство трехмерно, мучил ученых и философов с античных времен. Действительно, почему именно три измерения, а не десять или, скажем, 45?
В целом, пространство-время четырехмерно (или 3+1-мерно): три измерения образуют пространство, четвертым измерением является время. Существуют также философские и научные теории о многомерности времени, которые предполагают, что измерений времени на самом деле больше, чем кажется: привычная нам стрела времени, направленная из прошлого в будущее через настоящее — всего лишь одна из возможных осей. Это делает возможными различные научно-фантастические проекты, вроде путешествий во времени, а также создает новую, многовариантную космологию, которая допускает существование параллельных вселенных. Однако существование дополнительных временных измерений пока не доказано научно.
Вернемся в наше, 3+1-мерное измерение. Нам хорошо известно, что измерение времени связано со вторым законом термодинамики, который гласит, что в замкнутой системе — такой, как наша Вселенная — энтропия (мера хаоса) всегда возрастает. Уменьшаться вселенский беспорядок не может. Поэтому время всегда направлено вперед — и никак иначе.
В новой статье, опубликованной в EPL, исследователи предположили, что второй закон термодинамики может также объяснить, почему пространство трехмерно.
«Ряд исследователей в области науки и философии обращались к проблеме (3 + 1)-мерной природы пространства-времени, обосновывая выбор именно этого числа его стабильностью и возможностью поддержания жизни», — рассказал соавтор исследования Джулиан Гонсалес-Айала из Национального политехнического института в Мексике и университета Саламанки в Испании порталу Phys.org. «Ценность нашей работы заключается в том, что мы представляем рассуждения, основанные на физической модели размерности Вселенной с подходящим и разумным сценарием пространства-времени. Мы первые, кто заявил, что число «три» в размерности пространства возникает в качестве оптимизации физической величины».
Ранее ученые обращали внимание на размерность Вселенной в связи с так называемым атропным принципом: «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек». Трехмерность пространства объяснялась возможностью поддержания Вселенной в том виде, в каком мы её наблюдаем. Если бы во Вселенной было множество измерений, по ньютоновскому закону тяготения не были бы возможны устойчивые орбиты планет и даже атомная структура вещества: электроны падали бы на ядра.
В данном исследовании ученые пошли другим путем. Они предположили, что пространство трехмерно из-за термодинамической величины — плотности свободной энергии Гельмгольца. Во Вселенной, заполненной излучением, эту плотность можно рассматривать как давление в пространстве. Давление зависит от температуры Вселенной и от количества пространственных измерений.
Исследователи показали, что могло происходить в первые доли секунды после Большого взрыва, называемые Планковской эпохой. В момент, когда Вселенная начала охлаждаться, плотность Гельмгольца достигла своего первого максимума. Тогда возраст Вселенной составлял долю секунды, а пространственных измерений было ровно три. Ключевая мысль исследования заключается в том, что трехмерное пространство было «заморожено», как только плотность Гельмгольца достигла своего максимального значения, которое запрещает переход в другие измерения.
На рисунке ниже изображено, как это происходило. Слева — плотность свободной энергии Гельмгольца (е) достигает своего максимального значения при температуре Т = 0,93, которое возникает, когда пространство было трехмерным (n=3). S и U представляют плотности энтропии и плотность внутренней энергии, соответственно. Справа показано, что перехода к многомерности не происходит при температуре ниже 0,93, что соответствует трем измерениям. 
Это произошло вследствие второго закона термодинамики, который допускает переходы в более высокие измерения только тогда, когда температура выше критического значения — ни градусом меньше. Вселенная непрерывно расширяется, и элементарные частицы, фотоны, теряют энергию — поэтому наш мир постепенно охлаждается: Сейчас температура Вселенной гораздо ниже уровня, предполагающего переход из 3D-мира в многомерное пространство.
Исследователи поясняют, что пространственные измерения похожи на состояния вещества, а переход из одного измерения в другое напоминает фазовый переход — такой, как плавление льда, которое возможно лишь при очень высоких температурах.
«В процессе охлаждения ранней Вселенной и после достижения первой критической температуры, принцип приращения энтропии для замкнутых систем мог запретить определенные изменения размерности», — комментируют исследователи.
Это предположение по-прежнему оставляет место для более высоких измерений, которые существовали в Планковскую эпоху, когда Вселенная была еще более горячей, чем это было при критической температуре.
Дополнительные измерения присутствуют во многих космологических моделях — в первую очередь, в теории струн. Это исследование может помочь объяснить, почему в некоторых из этих моделей дополнительные измерения исчезли или остались такими же крошечными, как были в первые доли секунды после Большого взрыва, в то время как 3D-пространство продолжает расти во всей наблюдаемой Вселенной.
В будущем исследователи планируют улучшить свою модель, чтобы включить дополнительные квантовые эффекты, которые могли возникнуть в первую долю секунды после Большого взрыва. Кроме того, результаты дополненной модели могут также служить ориентиром для исследователей, работающих на других космологических моделях, таких как квантовая гравитация.
Как выглядело бы четвертое пространственное измерение?
Мы привыкли к трем измерениям нашей Вселенной — в длину, в ширину и в глубину. Мы можем представить, как выглядели бы в усеченных измерениях — на плоскости в 2D или вдоль линии в 1D — но представить, как выглядели бы вещи при большем числе измерений, довольно трудно (если вообще возможно). Мы просто не можем представить, как что-то движется в направлении, которое как бы не входит в наше понятие о пространстве. Нашей Вселенной присуще четвертое измерение (время), но она также обладает лишь тремя пространственными. Внимание, вопрос:
Каково было бы людям, если бы число измерений в нашем мире менялось, как времена года? Допустим, полгода мы жили бы в трех измерениях, а другие полгода — в четырех.
Представьте, если можете, что имеете возможность двигаться в дополнительном направлении, помимо вверх-вниз, север-юг, запад-восток. Представьте для начала, что вы единственный в мире, кто так может.
Для кого-то в трехмерном мире вы могли бы делать невероятные вещи, которые — во многом — сделали бы вас богоподобным:
С точки зрения нашего дополнительного пространственного измерения мы могли бы попасть внутрь двумерного существа и двигать его внутренности, не разрезая его. Мы могли бы перевернуть его, поменять местами лево и право. Могли бы «забрать» его из его вселенной и поместить куда-то еще.
И если бы мы сами, трехмерные существа, решили попасть бы в их двумерную вселенную, мы выглядели бы странно, поскольку местные жители могли бы видеть лишь двумерные нарезки в отдельно взятый момент.
В контексте общей теории относительности весьма просто выстроить пространственно-временные рамки, в которых число «больших» (то есть макроскопических) измерений изменялось бы со временем. Вы не только могли располагать большим числом измерений в прошлом, но и в будущем вам вполне может выпасть такой шанс; вы вообще могли бы построить пространство-время, в котором это число будет колебаться, изменяясь в большую и меньшую сторону со временем, снова и снова.
Для начала все круто: у нас может быть Вселенная с четвертым — дополнительным — пространственным измерением.
Итак, это круто, но как это будет выглядеть? Обычно мы не думаем о таком, но четыре фундаментальных взаимодействия — гравитация, электромагнетизм и два ядерных взаимодействия — обладают такими свойствами и силами, поскольку существуют при тех измерениях, которыми располагает наша Вселенная. Если бы мы уменьшили или увеличили число измерений, мы бы изменили то, как, например, распространяются линии силового поля.
Если бы это затронуло электромагнетизм или ядерные силы, случилась бы катастрофа.
В целом эти силы будут иметь больше «пространства» для разбегания, а значит будут быстрее становиться слабее на дистанции, если будет больше измерений. Для ядер это изменение будет не таким уж плохим: размеры ядер будут больше, некоторые ядра изменят свою стабильность, станут радиоактивными или, напротив, от радиоактивности избавятся. Это ладно. Но с электромагнетизмом будет сложнее.
Представьте, что случилось бы, если бы вдруг силы, связывающие электроны с ядрами, стали слабее. Если бы произошло изменение силы этого взаимодействия. Вы не думаете об этом, но на молекулярном уровне единственное, что вас удерживает, это относительно слабые связи между электронами и ядрами. Если вы измените эту силу, вы измените конфигурации всего остального. Ферменты денатурируют, белки изменят форму, лиганды разойдутся; ДНК не будет кодироваться в молекулах, в которых должна.
Другими словами, если электромагнитная сила изменится, поскольку начнет распространяться в крупное четвертое пространственное измерение, которое достигнет размеров ангстрема, тела людей моментально развалятся, и мы умрем.
Но не все потеряно. Есть много моделей — в основном разработанных в рамках теории струн — где эти силы, электромагнитные и ядерные, ограничены тремя измерениями. Только гравитация может проходить через четвертое измерение. Для нас это означает, что если четвертое измерение будет расти в размере (и, следовательно, в последствиях), гравитация будет «кровоточить» в дополнительное измерение. Следовательно, объекты будут испытывать меньшее притяжение, чем то, к которому привыкли мы.
Астероиды, например, — которые сцепились вместе — разлетятся, поскольку их гравитации окажется недостаточно, чтобы удержать камни вместе. Кометы, приближаясь к Солнцу, будут испаряться быстрее и демонстрировать еще более красивые хвосты. Если четвертое измерение вырастет достаточно большим, на Земле сильно уменьшатся гравитационные силы, в результате чего наша планета вырастет больше, особенно вдоль экватора.
Люди, живущие вблизи полюсов, почувствуют себя словно в среде с уменьшенной гравитацией, а люди на экваторе окажутся в опасности улететь в космос. На макроуровне знаменитый закон тяготения Ньютона — закон обратных квадратов — внезапно станет законом обратного куба, сильно уменьшая силу тяжести с расстоянием.
На Земле настали бы времена, когда мы не только получили бы возможность передвигаться «дополнительным» путем через пространстве, когда обзавелись бы не только дополнительным «направлением», помимо вверх-вниз, влево-право и вперед-назад, но и когда свойства гравитации изменились бы в худшую сторону. Мы прыгали бы выше и дальше, но последствия для ныне стабильной Вселенной были бы апокалиптическими.