Мичио Каку - Гиперпространство

Теперь так же просто можно сформулировать ту же теорему для N -мерного пространства. Представим себе N -мерный куб. Если а, Ь, с… — длины сторон «гиперкуба», а z — длина его диагонали, тогда а 2+ Ь 2+ с 2+ d 2+… = z 2. 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 трехмерным 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 искривленными. К плоским применяются обычные аксиомы Евклида: кратчайшее расстояние между двумя точками — прямая, параллельные линии никогда не пересекаются, сумма внутренних углов треугольника составляет 180°. 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 180°. Бывают и поверхности с «отрицательной кривизной»: например, седлообразные или воронкообразные. На этих поверхностях сумма углов треугольника меньше 180°. Если взять линию и точку вне этой линии, то через такую точку можно провести бесконечное множество линий, параллельных данной (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Плоскость имеет нулевую кривизну. Согласно евклидовой геометрии сумма углов треугольника равна 180°, параллельные не пересекаются. В неевклидовой геометрии сфера имеет положительную кривизну. Сумма углов треугольника превышает 180°, параллельные линии всегда пересекаются. (К параллельным линиям относятся дуги, центры которых совпадают с центром сферы. Широтные линии в эту категорию не входят.) У седлообразной поверхности отрицательная кривизна. Сумма углов треугольника меньше 180°. Через конкретную точку можно провести бесконечное множество линий, параллельных данной.

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 трехмерного 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 трех параметров для каждой точки, полностью описывающих искривление этой поверхности. Риман обнаружил, что в четырех пространственных измерениях для описания свойств каждой точки требуется набор из десяти параметров. Каким бы «скомканным» или искривленным ни было пространство, этих десяти параметров для каждой точки оказывалось достаточно, чтобы зашифровать всю информацию о данном пространстве. Обозначим эти десять параметров как g 11, g 12, g 13, и т. д. (при анализе четырехмерного пространства нижний индекс меняется от единицы до четырех). В этом случае риманов набор из десяти параметров можно симметрично расположить, как показано на рис. 2.3 [15]. (Несмотря на то что компонентов всего 16, g 12= g 21, g 13= g 31 и т. д., т. e. 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 дает нам простое средство измерения его кривизны в любой точке. Если же мы полностью расправим скомканный лист, сделаем его плоским, то снова вернемся к теореме Пифагора.

Рис. 2.3. Метрический тензор Римана содержит всю информацию, необходимую для математического описания изогнутого N-мерного пространства. Для каждой точки четырехмерного пространства требуется метрический тензор с 16 параметрами. Эти числа можно расположить в виде квадратной матрицы (из этих параметров шесть на самом деле избыточны, следовательно, в метрический тензор входит десять независимых параметров).