authortattoo.ru → Страхование

Роль измерения в развитии науки, промышленности. Зачем нужны человеку измерения? Зачем нужны в науке измерения физика 7

Не только школьники, но даже взрослые иногда задаются вопросом: зачем нужна физика? Особенно эта тема актуальна для родителей учеников, получивших в свое время образование, далекое от физики и техники.

Но как помочь школьнику? Кроме того, учителя могут задать на дом сочинение, в котором нужно описать свои мысли по поводу необходимости изучения науки. Разумеется, лучше данную тему поручить одиннадцатиклассникам, которые имеют полное представление о предмете.

Что такое физика

Говоря простым языком, физика - это Конечно, в настоящее время физика все больше и больше отдаляется от нее, углубляясь в техносферу. Тем не менее предмет тесно связан не только с нашей планетой, но и с космосом.

Так зачем нужна физика? Ее задача - понять, как происходят те или иные явления, почему образуются те или иные процессы. Также желательно стремиться к созданию специальных расчетов, которые помогли бы предугадать те или иные события. Например, как Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения? Он изучал предмет, падавший сверху вниз, наблюдал за механическими явлениями. Затем создал формулы, которые действительно работают.

Какие разделы есть у физики

Предмет имеет несколько разделов, которые обобщенно или углубленно изучаются в школе:

механика;
колебания и волны;
термодинамика;
оптика;
электричество;
квантовая физика;
молекулярная физика;
ядерная физика.

У каждого раздела есть подразделы, подробно изучающие различные процессы. Если не просто изучать теорию, параграфы и лекции, а научиться представлять, экспериментировать с тем, о чем идет речь, то наука покажется весьма интересной, а вы поймете, зачем нужна физика. Сложные науки, которые нельзя применить на практике, например физику атома и ядра, можно рассмотреть по-другому: почитать интересные статьи из научно-популярных журналов, посмотреть документальные фильмы про данную область.

Как помогает предмет в обычной жизни

В сочинении «Зачем нужна физика» рекомендуется приводить примеры, если они уместны. Допустим, если вы описываете, зачем нужно изучать механику, то следует упомянуть случаи из повседневной жизни. Таким примером может стать обычная поездка на автомобиле: от села до города нужно доехать по свободной трассе за 30 минут. Расстояние около 60 километров. Разумеется, нам нужно знать, с какой скоростью лучше перемещаться по дороге, желательно с запасом времени.

Также можно привести пример строительства. Допустим, при возведении дома нужно правильно рассчитать прочность. Нельзя выбирать хлипкий материал. Школьник может провести другой эксперимент, чтобы понять, зачем нужна физика, например, взять длинную доску, поставить по концам стулья. Доска будет располагаться на спинках мебели. Далее следует нагрузить центр доски кирпичами. Доска будет прогибаться. При уменьшении расстояния между стульями прогиб будет меньше. Соответственно, человек получает пищу для размышления.

Хозяйка при готовке ужина или обеда часто сталкивается с физическими явлениями: тепло, электричество, механическая работа. Чтобы понимать, как поступить правильно, нужно понимать законы природы. Зачастую многому учит опыт. А физика и есть наука опыта, наблюдений.

Профессии и специальности, связанные с физикой

А вот зачем нужно изучать физику тому, кто оканчивает школу? Конечно, тем, кто поступает в университет или колледж по гуманитарным специальностям, предмет практически не нужен. Но вот в очень многих сферах наука требуется. Давайте рассмотрим в каких:

геология;
транспорт;
электроснабжение;
электротехника и приборы;
медицина;
астрономия;
строительство и архитектура;
теплоснабжение;
газоснабжение;
водоснабжение и так далее.

Например, даже машинисту поезда нужно знать данную науку, чтобы понимать, как работает локомотив; строитель должен уметь проектировать прочные и долговечные здания.

Программисты, специалисты IT-сферы также должны знать физику, чтобы понимать, как работает электроника, оргтехника. Кроме того, им нужно создавать реалистичные объекты для программ, приложений.

Применяется практически всюду: рентгенография, ультразвук, стоматологическое оборудование, лазерная терапия.

С какими науками связана

Физика очень тесно взаимосвязана с математикой, так как при решении задач нужно уметь преобразовывать различные формулы, проводить расчеты и строить графики. Можно добавить данную идею в сочинение «Зачем нужно изучать физику», если речь пойдет о вычислениях.

Также эта наука связана с географией, чтобы понимать природные явления, уметь анализировать грядущие события, погоду.

Биология и химия тоже связаны с физикой. Например, ни одна живая клетка не сможет существовать без гравитации, воздуха. Также живые клетки должны перемещаться в пространстве.

Как написать сочинение ученику 7-го класса

А теперь давайте поговорим о том, что может написать семиклассник, частично изучивший некоторые разделы физики. Например, можно написать о той же гравитации либо привести пример с измерением расстояния, которое он прошел от одной точки до другой, чтобы вычислить скорость своей ходьбы. Ученик 7 класса сочинение «Зачем нужна физика» может дополнить различными опытами, которые проводились на уроках.

Как видите, творческую работу можно написать вполне интересной. Кроме того, она развивает мышление, дарит новые идеи, пробуждает любопытство к одной из главнейших наук. Ведь в будущем физика может помочь при любых жизненных обстоятельствах: в быту, при выборе профессии, при устройстве на хорошую работу, во время отдыха на природе.

Хаматова Диляра

В детстве мы часто слышим пословицы, в которых используются старинные слова. Например: «От горшка два вершка, а уже указчик», «Семь пядей во лбу», «Каждый купец на свой аршин меряет», «Косая сажень в плечах», «Коломенская верста».

На уроках литературы мы изучаем классические произведения, в которых встречаются старинные слова, а на уроках математики - различные единицы измерения.

Наверное, каждого найдутся дома безмен, линейка и сантиметровая лента. Они нужны для того, чтобы измерять вес и длины. Есть дома и другие измерительные приборы. Это часы, по которым узнают время, термометр, на который каждый бросит взгляд, выходя на улицу, счетчик электроэнергии, по которому узнают, сколько надо за нее заплатить в конце месяца и многое многое другое.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Введение

Зачем нужны человеку измерения?

Первые единицы для измерения величин были не слишком точные. Например: расстояния измерялись шагами. Конечно, у разных людей величина шага различна, но брали некоторую среднюю величину. Для измерения больших расстояний шаг был слишком мелкой единицей.

Шаг – расстояние между пятками или носками шагающего человека. Средняя длина шага 71 см.

Слово « градус» - латинское, означает «шаг», «ступень». Измерение углов в градусах появилось более 3 тыс. лет назад в Вавилоне. В расчетах там использовалась шестидесятеричная система счисления.

Старинная русская система мер сложилась примерно в 10 – 11 веках. Ее основные единицы: верста, сажень, локоть и пядь.

Самая мелкая из них – это пядь. Слово это означает кисть руки (вспомните современное слово «запястье»). Определялась пядь как расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев, ее значение примерно равно 18- 19 см.

Локоть – более крупная единица, как и в большинстве государств, это была единица, равная расстоянию от локтевого сгиба до конца вытянутого среднего пальца руки. Древнерусский локоть равнялся примерно 46 – 47 см. это была основная единица в торговле холстом, полотном и другими тканями.

В XVIII веке меры уточнялись. Петр I указом установил равенство трехаршинной сажени семи английским футам. Прежняя русская система мер длины, дополненная новыми мерами, получила окончательный вид:

Миля = 7 верстам (= 7, 47 км);

Верста = 500 саженям (=1,07 км);

Сажень = 3 аршинам= 7 футам (2,13 м) ;

Аршин = 16 вершкам = 28 дюймам (71,12 см);

Фут = 12 дюймам (30,48 см);

Дюйм =10 линиям (2,54 см);

Линия = 10 точкам (2, 54см).

Очень часто, читая литературные произведения, мы встречаем старинные меры измерения величин и не всегда представляем, что они означают. Например, это всем известные сказки: Дюймовочка, сказка о царе Салтане, Конек-Горбунок, Алиса в зазеркалье, спящая красавица, Маленький Мук, и в стихотворениях А.С.Пушкина, К.И.Чуковского и многих других произведениях.

« Да еще рожу конька

Ростом только 3 вершка,

На спине с двумя горбам

Да аршинными ушами». (Ершов)

«А добрая фея, которая спасла его дочь

от смерти, пожелав ей столетнего сна,

была в то время далеко,

За 12 тысяч миль от замка. Но она сразу же узнала об

этом несчастье от маленького карлика-скорохода, у которого были семимильные сапоги.»

«Что вам надо? – шоколада.

Для кого? – для сына моего.

А много ли прислать?

– да пудов этак 5 или 6:

Больше ему не съесть.

Он у меня маленький!»

Между тем, как он далеко

Бьется долго и жестоко,
Наступает срок родин;

Сына бог им дал в аршин…

Старинные меры и задачи.

«Арифметика» Л.Ф.Магницкий

Задача №1.

В жаркий день 6 косцов выпили кадь* кваса за 8 часов. Нужно узнать, сколько косцов за 3 часа выпьют такую же кадь кваса.

______________________________________

* Кадь – ёмкость цилиндрической формы, сделанная из деревянных клёпок (дощечек) и обтянутая металлическими или деревянными обручами

Решение:

1) Сколько косцов выпьют кадь за один час?

6х8 =48 (косцов)

2) Сколько косцов выпьют кадь за три часа?

48:3 =16 (косцов)

Ответ: 16 косцов выпьют кадь кваса за 3 часа.

Выводы

Я познакомился с текстами старинных математических задач из «Арифметики» Магницкого

Также узнал старые меры длины (пядь, локоть, верста, сажень, аршин, ; веса (пуд, фунт), объема (четверть, кадьи их соответствие современным мерам. Я увидел, что в старинном учебнике большое внимание уделялось занимательным задачам, которым Л.Ф.Магницкий посвятил целый раздел под названием «О утешных неких действах чрез арифметику употребляемых».

Рассмотрел литературные произведения, в котором встречаются старинные единицы измерения, и убедился, что их очень много.

Абсолютная система измерения физических величин

В последние два столетия в науке происходила бурная дифференциация научных дисциплин. В физике помимо классической динамики Ньютона появились электродинамика, аэродинамика, гидродинамика, термодинамика, физика различных агрегатных состояний, специальная и общая теории относительности, квантовая механика и многое другое. Произошла узкая специализация. Физики перестали понимать друг друга. Теорию суперструн, например, понимают лишь насколько сот человек во всем мире. Чтобы профессионально разбираться в теории суперструн, нужно заниматься только теорией суперструн, на остальное просто не хватит времени.

Но не следует забывать, что столь разные научные дисциплины изучают одну и ту же физическую реальность – материю. Наука, а особенно физика, вплотную подошла к тому рубежу, когда дальнейшее развитие возможно только путем интегрирования (синтеза) различных научных направлений. Рассматриваемая абсолютная система измерения физических величин – первый шаг в этом направлении.

В отличие от международной системы единиц СИ, имеющей 7 основных и 2 дополнительные единицы измерения, в абсолютной системе единиц измерения используется одна единица – метр (см. табл.). Переход к размерностям абсолютной системы измерения осуществляется по правилам:

Где: L, T и М – размерности длины, времени и массы соответственно в системе СИ.

Физическая сущность преобразований (1.1) и (1.2) состоит в том, что (1.1) отражает диалектическое единство пространства и времени, а из (1.2) следует, что массу можно измерять в квадратных метрах. Правда, />в (1.2) – это не квадратные метры нашего трехмерного пространства, а квадратные метры двумерного пространства. Двумерное пространство получается из трехмерного, если трехмерное пространство разогнать до скорости, близкой к скорости света. Согласно специальной теории относительности, из-за сокращения линейных размеров в направлении движения, куб превратится в плоскость.

Размерности всех остальных физических величин установлены на основании так называемой «пи-теоремы», утверждающей, что любая верная зависимость между физическими величинами с точностью до постоянного безразмерного множителя соответствует какому-либо физическому закону.

Чтобы ввести новую размерность какой-либо физической величины, нужно:

Подобрать формулу, содержащую эту величину, в которой размерности всех других величин известны;

Алгебраически найти из формулы выражение этой величины;

В полученное выражение подставить известные размерности физических величин;

Выполнить требуемые алгебраические действия над размерностями;

Принять полученный результат как искомую размерность.

«Пи-теорема» позволяет не только устанавливать размерности физических величин, но и выводить физические законы. Рассмотрим для примера задачу о гравитационной неустойчивости среды.

Известно, что как только длина волны звукового возмущения оказывается больше некоторого критического значения, силы упругости (давление газа) не в состоянии вернуть частицы среды в первоначальное состояние. Требуется установить зависимость между физическими величинами.

Имеем физические величины:

/>- длина фрагментов, на которые распадается однородная бесконечно протяженная среда;

/>- плотность среды;

A - скорость звука в среде;

G - гравитационная постоянная.

В системе СИ физические величины будут иметь размерность:

/>~ L; />~ />; a~/>; G ~ />

Из />/>, />и />составляем безразмерный комплекс:

где: />и /> - неизвестные показатели степеней.

Таким образом:

Так как П по определению величина безразмерная, то получаем систему уравнений:

Решением системы будет:

следовательно,

Откуда находим:

Формула (1.3) с точностью до постоянного безразмерного множителя описывает известный критерий Джинса. В точной формуле />.

Формула (1.3) удовлетворяет размерностям абсолютной системы измерения физических величин. Действительно, входящие в (1.3) физические величины имеют размерности:

/>~ />; />~ />; />~ />; />~ />

Подставив размерности абсолютной системы в (1.3), получим:

Анализ абсолютной системы измерения физических величин показывает, что механическая сила, постоянная Планка, электрическое напряжение и энтропия имеют одинаковую размерность: />. Это означает, что законы механики, квантовой механики, электродинамики и термодинамики – инвариантны.

Например, второй закон Ньютона и закон Ома для участка электрической цепи имеют одинаковую формальную запись:

/>~ />(1.4)

/>~ />(1.5)

При больших скоростях движения во второй закон Ньютона (1.4) вводится переменный безразмерный множитель специальной теории относительности:

Если такой же множитель ввести в закон Ома (1.5), то получим:

Согласно (1,6) закон Ома допускает появление сверхпроводимости, так как />при низких температурах может принимать значение, близкое к нулю. Если бы физика с самого начала применяла абсолютную систему измерения физических величин, то явление сверхпроводимости было бы предсказано вначале теоретически, а уже потом обнаружено экспериментально, а не наоборот.

Много разговоров ведется об ускоренном расширении Вселенной. Замерить ускорение расширения современные технические средства не могут. Применим для решения этой задачи абсолютную систему измерения физических величин.

PAGE_BREAK--

Вполне естественно предположить, что ускорение расширения Вселенной />зависит от расстояния между космическими объектами />и от скорости расширения Вселенной />. Решение задачи изложенным выше методом дает формулу:

Анализ физического смысла формулы (1.7) выходит за рамки обсуждаемой проблемы. Скажем лишь, что в точной формуле />.

Инвариантность физических законов позволяет уточнить физическую сущность многих физических понятий. Одно из таких «темных» понятий – понятие энтропия. В термодинамике механическому ускорению />~/>соответствует массовая плотность энтропии

где: S – энтропия;

m – масса системы.

Полученное выражение свидетельствует о том, что энтропию, вопреки существующему заблуждению, можно не только вычислить, но и измерить. Рассмотрим для примера металлическую спиральную пружину, которую можно считать механической системой атомов кристаллической решетки металла. Если сжать пружину, то кристаллическая решетка деформируется и создаст силы упругости, которые всегда можно измерить. Сила упругости пружины будет той самой механической энтропией. Если энтропию разделить на массу пружины, то получим массовую плотность энтропии пружины, как системы атомов кристаллической решетки.

Пружину можно представить и одним из элементов гравитационной системы, вторым элементом которой является наша Земля. Гравитационной энтропией такой системы будет сила притяжения, которую можно измерить несколькими способами. Разделив силу притяжения на массу пружины, получим гравитационную плотность энтропии. Гравитационная плотность энтропии – это ускорение свободного падения.

Наконец, в соответствии с размерностями физических величин в абсолютной системе измерения, энтропия газа – это сила, с которой газ давит на стенки сосуда, в который он заключен. Удельная газовая энтропия – это просто давление газа.

Важные сведения о внутреннем устройстве элементарных частиц можно получить, исходя из инвариантности законов электродинамики и аэро-гидродинамики, а инвариантность законов термодинамики и теории информации позволяет наполнить физическим содержанием уравнения теории информации.

Абсолютная система измерения физических величин опровергает широко распространенное заблуждение об инвариантности закона Кулона и закона всемирного тяготения. Размерность массы />~/>не совпадает с размерностью электрического заряда q ~/>, поэтому закон всемирного притяжения описывает взаимодействие двух сфер, или материальных точек, а закон кулона описывает взаимодействие двух проводников с током, или окружностей.

Используя абсолютную систему измерения физических величин, мы можем чисто формально вывести знаменитую формулу Эйнштейна:

/>~ />(1.8)

Между специальной теорией относительности и квантовой теорией нет непреодолимой пропасти. Формулу Планка можно получить тоже чисто формально:

Можно и далее демонстрировать инвариантность законов механики, электродинамики, термодинамики и квантовой механики, но рассмотренных примеров достаточно для того, чтобы понять, что все физические законы являются частными случаями некоторых общих законов пространственно-временных преобразований. Интересующиеся этими законами найдут их в книге автора « Теория многомерных пространств ». – М.: Ком Книга, 2007.

Переход от размерностей международной системы (СИ) к размерностям абсолютной системы (АС) измерения физических величин

1. Основные единицы

Наименование физической величины

Размерность в системе

Название физической величины

Килограмм

Сила электрического тока

Термодинамическая температура

Количество вещества

Сила света

2. Дополнительные единицы

Плоский угол

Телесный угол

Стерадиан

3. Производные единицы

3.1 Пространственно-временные единицы

Квадратный метр

Кубический метр

Скорость

Продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--

Ампер на квадратный метр

Электрический заряд

Плотность электрического заряда линейная

Кулон на метр

Плотность электрического заряда поверхостная

Кулон на метр квадратный

Магнитодвижущая сила

Напряженность магнитного поля

Ампер на метр

Индуктивность

Магнитная постоянная

Генри на метр

Магнитный момент электрического тока

Ампер – квадратный метр

Намагниченность

Ампер на метр

Магнитное сопротивление

Ампер на вебер

3.5 Энергетическая фотометрия

Световой поток

Освешенность

Поток излучения

Энергетическая освещенность и светимость

Ватт на квадратный метр

Энергетическая яркость

Ватт на стерадиан квадратный метр

Спектральная плотность энергетической светимости:

По длине волны

По частоте

Ватт на м3

Предмет физики.

Физика – естественная наука, задача которой –изучение природы. Природа для нас это совокупность явлений окружающего мира, из взаимодействие. Мерилом справедливости научных выводов является опыт. Метод любой науки состоит в наблюдении, размышлении и опыте. Для физики, название которой означает «природоведение» существенным является установление закономерностей, которые наблюдаются в явления как живой, так и неживой природы. Эти закономерности выражаются или описываются теми или иными физическими законами.

В недалеком историческом прошлом все явления природы принято было делить на классы.: теплоты, электричества, механики, магнетизма, химических явлений, световых явлений, рентгеновских лучей, ядерных превращений. и т.д. Однако эта классификация явлений является отображением различных сторон одной физической картины мира.

Почему изучение физики так важно для человечества? Одним из существенных мотивов является необходимость применения физических, прежде всего экспериментальных методов для получения качественно новых сведений о явлениях из других областей науки. Это чисто прагматичный подход. Что касается самой физики, то в ней открытие новых явлений и осмысливание их позволяет усовершенствовать и построить более стройную картину миру, систему представлений о природе.

Пример прагматической ценности физических методов – создание микроскопа позволило исследовать множество микроскопических объектов и получить громадное количество знаний о живых микроскопических объектах в том числе в разделе клеточной биологии. Применение рентгено структурного анализа позволило расшифровать структуру ДНК. Собственные достижения физики – в прошлом веке было понято, что тепловые явления могут быть сведены к механическим. Теплота и температурные эффекты могут быть описаны с помощью законов механики.

При изучении любого ограниченного круга явлений важно установить закономерности или принципы с помощью которых объясняются все известные наблюдаемые явления рассматриваемого ряда. Установление этих принципов в дальнейшем предсказать некоторые новые явления.

Физика, будучи наукой естественной, не основывается на законах и принципах, которые могут быть получены, доказаны, рассмотрены чисто умозрительно. Всегда, любой физический закон является следствием и получен в результате обобщения набора опытных, экспериментальных фактов. Любой опыт ставится с помощью измерительных приборов. В процессе выполнения опыта измеряются те или иные результаты с некоторым погрешностями. Возникает вопрос о том, что те законы, которые подтверждаются данным опытом соблюдаются с некоторой точностью? Действительно, в некоторых случаях известные закономерности справедливы лишь в ограниченных пределах и с ограниченной точностью. С совершенствованием техники, измерительных методик и накоплением массивов опытных фактов возможно получать более точные результаты, либо опровергнуть ранее наблюдаемые с относительно большими погрешностями. В этом случае первично сформулированные принципы заменяются на новые. Этот процесс иллюстрирует собой методологию науки физики.

В качестве примера рассмотрим эволюцию Ньютоновской механики. Ньютоновской она называется потому, что Исаак Ньютон обощил и систематизировал семейство опытных фактов в «Математических началах натуральной философии»- 1642г. Ньютоновская механика с очень хорошей точностью описывает относительно медленные движения, справедлива вы нерелятивистском приближении. v << c и является, предельным случаем релятивистской механики при v/ c << 1 . Принципы Ньютоновской механики несправедливы при описании объектов микромира, в атомных, молекулярных масштабах. В этом случае правильное, подтверждаемое опытом описание достигается только на основе принципов квантовой механики.

Модель, теория, закон.

Модель – мысленный образ явления, опирающийся на известные понятия, и ограничивающийся при рассмотрении явления только наиболее существенными его сторонами. Модель позволяет построить полезное, возможно, математическое описание. Модель является отображением явления, в котором учитываются наиболее существенные его свойства. Пример: квазиклассическая планетарная модель атома Бора. Модельные предположения состоят в пренебрежении размерами ядра и электронов. Модель опускает вопросы устойчивости такого образования. Модель атома Бора правильно описывает спектр простейших водородоподобных атомов.

Теория. Иногда термин теория и модель являются синонимами. Чаще модель предполагает относительную простоту, по сравнению с теорией. Теория рассматривает более широкий круг явлений, изучает их более детально. Возможно, что теория строится на основе ряда моделей и т. образом привести решение задач с высокой математической точностью. Пример: атомно - молекулярная теория строения вещества.

Закон – краткие и общие утверждения относительно характера процессов. Например: импульс замкнутой системы сохраняется. Или, например, закон всемирного тяготения: сила пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон устанавливает соотношение между физическими величинами, описывающими явление. Чтобы называться законом некоторое утверждение должно быть многократно подтверждено опытными фактами в широком диапазоне условий. Причем эта экспериментальная проверка должна давать всякий раз точный результат. Например закон сохранения энергии рассматриваемый в актах столкновения частиц гласит: энергия системы до столкновения равна энергии системы после столкновения. Знак равенства имеет место всегда, во множестве опытов, равенство выполняется с достижимой современными приборами точностью.

Системы единиц, размерности.

Физика – количественная наука. Любое измерение дает результат в виде числа. Измеренное число подразумевает, что введены некоторые масштабы (эталоны) , которые будут называться единицами измерений (стандарты).

Перевод

Теория относительности утверждает, что мы живём в четырёх измерениях. Теория струн - что в десяти. Что такое «измерения» и как они влияют на реальность?

Когда я пишу тексты за своим столом, я могу протянуть руку вверх, чтобы включить лампу, или вниз, чтобы открыть ящик стола и достать ручку. Протянув руку вперёд, я касаюсь небольшой и странной на вид статуэтки, которую мне на счастье подарила сестра. Потянувшись назад, я могу похлопать чёрную кошку, крадущуюся у меня за спиной. Справа лежат заметки, сделанные во время исследований для статьи, слева - куча вещей, которые необходимо сделать (счета и корреспонденция). Вверх, вниз, вперёд, назад, вправо, влево - я управляю самим собой в моём личном космосе трёхмерного пространства. Невидимые оси этого мира налагает на меня прямоугольная структура моего кабинета, определяемая, как и большая часть западной архитектуры, тремя составленными вместе прямыми углами.

Наши архитектура, образование и словари сообщают нам о трёхмерности пространства. Оксфордский словарь английского языка так определяет пространство: «непрерывная область или простор, свободная, доступная или не занятое ничем. Измерения высоты, глубины и ширины, в рамках которых существуют и движутся все вещи». [словарь Ожегова говорит похожим образом: «Протяженность, место, не ограниченное видимыми пределами. Промежуток между чем-н., место, где что-н. вмещается.» / прим. перев. ]. В XVIII веке Иммануил Кант утверждал, что трёхмерное евклидово пространство является априорной необходимостью, и нам, пресыщенным изображениями, созданными компьютером, и видеоиграми, постоянно напоминают об этом представлении в виде вроде бы аксиоматичной прямоугольной системы координат. В точки зрения XXI века это кажется уже почти самоочевидным.

И всё же идея о жизни в пространстве, описываемом какой-то математической структурой - это радикальная инновация западной культуры, сделавшая необходимостью опровержение старинных верований по поводу природы реальности. Хотя зарождение современной науки часто описывают как переход к механизированному описанию природы, вероятно, более важным его аспектом - и однозначно более длительным - был переход к понятию о пространстве как о геометрической конструкции.

В прошлом веке задача описания геометрии пространства стала основным проектом теоретической физики, в котором эксперты, начиная с Альберта Эйнштейна, пытались описать все фундаментальные взаимодействия природы в виде побочных продуктов формы самого пространства. Хотя на локальном уровне нас приучили думать о пространстве как о трёхмерном, общая теория относительности описывает четырёхмерную Вселенную, а теория струн говорит о десяти измерениях - или об 11, если взять за основу её расширенный вариант, М-теорию . Существуют варианты этой теории с 26-ю измерениями, а недавно математики с энтузиазмом приняли версию , описывающую 24 измерения. Но что это за «измерения»? И что означает наличие десяти измерений в пространстве?

Чтобы прийти к современному математическому пониманию пространства, сначала необходимо подумать о нём как о некоей арене, которую может занимать материя. По меньшей мере, пространство необходимо представить себе, как нечто протяжённое. Такая идея, пусть и очевидная для нас, показалась бы еретической Аристотелю , чьи концепции представления физического мира преобладали в западном мышлении в поздней античности и в средневековье.

Строго говоря, аристотелева физика включала в себя не теорию пространства, а лишь концепцию места. Рассмотрим чашку чаю, стоящую на столе. Для Аристотеля чашка была окружённой воздухом, самим по себе представлявшим некую субстанцию. В его картине мира не было такой вещи, как пустое пространство - были только границы между веществами - чашкой и воздухом. Или столом. Для Аристотеля пространство, если вы хотите его так называть, было лишь бесконечно тонкой гранью между чашкой и тем, что её окружает. Баз протяжённости пространство не было чем-то таким, внутри чего может быть что-то другое.

С математической точки зрения, «измерение» - это всего лишь ещё одна координатная ось, ещё одна степень свободы, становящаяся символической концепцией, не обязательно связанной с материальным миром. В 1860-х пионер в области логики Огастес де Морган, чьи работы повлияли на Льюиса Кэрролла, подытожил эту становящуюся всё более абстрактной область, отметив, что математика - это чисто «наука о символах», и как таковая не обязана связываться с чем-либо, кроме самой себя. Математика, в каком-то смысле, это логика, свободно перемещающаяся на полях воображения.

В отличие от математиков, свободно играющих на полях идей, физики привязаны к природе, и, по крайней мере, в принципе, зависят от материальных вещей. Но все эти идеи приводят нас к освобождающей возможности - ведь если математика допускает количество измерений больше трёх, и мы считаем, что математика оказывается полезной для описания мира, откуда нам знать, что физическое пространство ограничено тремя измерениями? Хотя Галилей, Ньютон и Кант принимали длину, ширину и высоту как аксиомы, не может ли в нашем мире существовать больше измерений?

Опять-таки, идея Вселенной с количеством измерений больше трёх проникла в сознание общества через художественную среду, на этот раз - через литературные рассуждения, наиболее известной из которых служит работа математика Эдвина Эбботта Эбботта "Флатландия " (1884). Это очаровательная социальная сатира рассказывает историю скромного Квадрата, живущего на плоскости, к которому однажды в гости приходит трёхмерное существо лорд Сфера, выводящее его в великолепный мир трёхмерных тел. В этом рае объёмов Квадрат наблюдает за его трёхмерной версией, Кубом, и начинает мечтать о переходе в четвёртое, пятое и шестое измерение. Почему не гиперкуб? Или не гипер-гиперкуб, думает он?

К сожалению, в Флатландии Квадрата причисляют к лунатикам и запирают в сумасшедший дом. Одной из моралей истории, в отличие от более слащавых её экранизаций и адаптаций, является опасность, таящаяся в игнорировании социальных устоев. Квадрат, рассказывая о других измерениях пространства, рассказывает и о других изменениях бытия - он становится математическим чудаком.

В конце XIX и начале XX веков масса авторов (Герберт Уэллс, математик и автор НФ-романов Чарльз Хинтон , придумавший слово «тессеракт» для обозначения четырёхмерного куба), художников (Сальвадор Дали) и мистиков (Пётр Демьянович Успенский [русский оккультист, философ, теософ, таролог, журналист и писатель, математик по образованию / прим. перев. ] изучала идеи, связанные с четвёртым измерением и тем, чем может стать для человека встреча с ним.

Затем в 1905 году неизвестный тогда физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, описывающую реальный мир как четырёхмерный. В его «специальной теории относительности» время добавлялось к трём классическим измерениям пространства. В математическом формализме относительности все четыре измерения связаны вместе - так в наш лексикон вошёл термин «пространство-время». Такое объединение было не произвольным. Эйнштейн обнаружил, что используя этот подход, можно создать мощный математический аппарат, превосходящий физику Ньютона и позволяющий ему предсказывать поведение электрически заряженных частиц. Электромагнетизм можно полностью и точно описать только в четырёхмерной модели мира.

Относительность стала чем-то гораздо большим, чем просто ещё одной литературной игрой, особенно когда Эйнштейн расширил её от «специальной» до «общей». Многомерное пространство приобрело глубинное физическое значение.

В картине мира Ньютона материя движется через пространство во времени под влиянием естественных сил, в частности, гравитации. Пространство, время, материя и силы - различные категории реальности. С СТО Эйнштейн демонстрировал объединение пространства и времени, уменьшая количество фундаментальных физических категорий с четырёх до трёх: пространства-времени, материи и сил. ОТО делает следующий шаг, вплетая гравитацию в структуру самого пространства-времени. С четырёхмерной точки зрения, гравитация - всего лишь артефакт формы пространства.

Чтобы осознать эту примечательную ситуацию, представим её двумерный аналог. Представьте себе батут, нарисованный на поверхности декартовой плоскости. Теперь разместим на решётке шар для боулинга. Вокруг него поверхность натянется и исказится так, что некоторые точки отдалятся друг от друга сильнее. Мы исказили внутреннюю меру расстояния в пространстве, сделали её неровной. ОТО говорит, что именно такому искажению тяжёлые объекты, такие, как Солнце, подвергают пространство-время, и отклонение от декартового совершенства пространства приводит к появлению явления, которое мы ощущаем, как гравитацию.

В физике Ньютона гравитация появляется из ниоткуда, а у Эйнштейна она естественным образом возникает из внутренней геометрии четырёхмерного многообразия. Там, где многообразие наибольшим образом растягивается, или отходит от декартовой регулярности, гравитация ощущается сильнее. Это иногда называют «физикой резиновой плёнки». В ней огромные космические силы, удерживающие планеты на орбитах вокруг звёзд, а звёзды на орбитах в рамках галактик, являются ничем иным, как побочным эффектом искажённого пространства. Гравитация - это буквально геометрия в действии.

Если переход в четырёхмерное пространство помогает объяснить гравитацию, то будет ли какое-либо научное преимущество у пятимерного пространства? «Почему бы не попробовать?» - спросил в 1919 году молодой польский математик Теодор Франц Эдуард Калуца , размышляя над тем, что если Эйнштейн включил гравитацию в пространство-время, то, возможно, дополнительное измерение может схожим образом обращаться с электромагнетизмом, как с артефактом геометрии пространства-времени. Поэтому Калуца добавил дополнительное измерение к уравнениям Эйнштейна, и, к своему восторгу, обнаружил, что в пяти измерениях обе эти силы прекрасно оказываются артефактами геометрической модели.

Математика волшебным образом сходится, но в данном случае проблемой стало то, что дополнительное измерение никак не коррелировало с каким-либо определённым физическим свойством. В ОТО четвёртым измерением было время; в теории Калуцы оно не было чем-либо, что можно увидеть, почувствовать или на что можно указать: оно просто было в математике. Даже Эйнштейн разочаровался в такой эфемерной инновации. Что это? - спрашивал он; где оно?

В 1926 году шведский физик Оскар Клейн дал на этот вопрос ответ, очень похожий на отрывок из произведения о Стране чудес. Он предложил представить себе муравья, живущего на очень длинной и тонкой секции шланга. По шлангу можно бегать вперёд и назад, даже не замечая крохотного кругового изменения под ногами. Это измерение смогут увидеть только муравьиные физики при помощи мощных муравьиных микроскопов. Согласно Клейну, каждая точка нашего четырёхмерного пространства-времени обладает небольшим дополнительным кружком в пространстве подобного рода, который слишком мал для того, чтобы мы его видели. Поскольку он во много раз меньше атома, неудивительно, что мы его пока не нашли. Только физики с очень мощными ускорителями частиц могут надеяться добраться до такой крохотной шкалы.

Когда физики отошли от первоначального шока, идея Клейна их покорила, и в течение 1940-х эта теория была разработана в больших математических подробностях и перенесена в квантовый контекст. К несчастью, бесконечно малая шкала нового измерения не даёт представить, как его существование можно подтвердить экспериментально. Клейн подсчитал, что диаметр крохотного кружка составляет примерно 10 -30 см. Для сравнения, диаметр атома водорода равен 10 -8 см, поэтому мы говорим о чём-то, на 20 порядков меньшем, чем самый мелкий из атомов. Даже сегодня мы вовсе не приблизились к тому, чтобы суметь разглядеть что-то на такой миниатюрной шкале. Так эта идея вышла из моды.

Калуцу же так просто было не напугать. Он верил в своё пятое измерение и в мощь математической теории, поэтому он решил провести собственный эксперимент. Он выбрал такую тему, как плавание. Он не умел плавать, поэтому он прочёл всё, что нашёл, по теории плавания, и когда решил, что достаточно полно овладел принципами поведения на воде, поехал с семьёй к морю, бросился в волны, и внезапно поплыл. С его точки зрения эксперимент по плаванию подтверждал правдивость его теории, и, хотя он не дожил до триумфа своего любимого пятого измерения, в 1960-х специалисты по теории струн возродили идею пространства с высшими измерениями.

К 1960-м физики открыли две дополнительных силы природы, работающие на субатомном масштабе. Их назвали слабым ядерным взаимодействием и сильным ядерным взаимодействием, и они отвечают за некоторые типы радиоактивности и за удержание кварков, формирующих протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. В концце 1960-х физики начали изучать новую тему теории струн (утверждающей, что частицы похожи на крохотные резиновые полоски, вибрирующие в пространстве), и идеи Калуцы и Клейна вновь вышли на поверхность. Теоретики начали постепенно приходить к мысли, нельзя ли описать две субатомные силы в терминах геометрии пространства-времени.

Оказывается, что для того, чтобы охватить обе эти силы, необходимо добавить ещё пять измерений к нашему математическому описанию. Не существует какой-то особой причины для того, чтобы их было пять; и вновь, никакие из этих дополнительных измерений не связаны с нашими ощущениями напрямую. Они есть только в математике. И это приводит нас к 10 измерениям теории струн. И вот вам четыре крупномасштабных измерения пространства-времени (описываемые ОТО), плюс шесть дополнительных «компактных» измерений (одно для электромагнетизма и пять для ядерных сил), свернувшиеся клубочком в чертовски сложную, сморщенную геометрическую структуру.

Физики и математики прилагают огромные усилия к тому, чтобы понять все возможные формы, которые способно принять это миниатюрное пространство, и какие, если вообще какие-то из множества этих альтернатив, реализуются в реальном мире. Технически эти формы известны как многообразия Калаби-Яу , и они могут существовать в любом количестве высших измерений. Эти экзотические и сложные существа, эти необычайные формы, составляют абстрактную систематику в многомерном пространстве; их двумерное сечение (лучшее, что мы можем сделать для визуализации их внешнего вида) напоминает кристаллические структуры вирусов; они кажутся почти