Спидометр для звездолёта. Физика в рассуждениях дилетанта

Континуум оказался удобным, но не физическим, а геометрическим, идеальным представлением. Правда, и до Эйнштейна евклидово пространство с декартовыми координатами с непрерывно и равномерно текущим глобальным временем не отличалось материальностью, но все к нему привыкли. В этом смысле континуум нисколько не хуже пространства, оставленного нам Евклидом. Но, ни то, ни другое представление о пространстве и времени не отражает их сути. Самые элементарные, казалось бы, сущности оказываются самыми сложными для понимания.

Для того, чтобы в формулах, которые мы будем рассматривать была глубже видна их суть, мы ведём новую «естественную» систему измерений физических величин. Название у этой системы CL. Оно обозначает, что вся эта система основана на двух основных единицах, – скорость света C и единица длины L. Правда, скорость не очень удобна, а точнее, не очень привычна для использования в качестве основной единицы измерения. Поэтому мы заменим её на единицу времени. Пусть оно и не является физической сущностью, но мы к нему привыкли. С него и начнём.

§3 Король и время

Пожалуй, это самое сложное из элементарных понятий, применяемых в физике. Блаженный Августин Аврелий (354—430 гг.) в своём известном автобиографическом сочинении «Исповедь» сокрушённо говорил, – Признаюсь Тебе, Господи, я до сих пор не знаю, что такое время, но признаюсь, Господи, и в другом: я знаю, что говорю это во времени, что я долго уже разговариваю о времени и что это самое «долго» есть не что иное, как некий промежуток времени. Каким же образом я это знаю, а что такое время, не знаю?

Время, как волшебное покрывало окутывает абсолютно все физические законы. На этом понятии возникает множество спекуляций с целью заработать авторитет и деньги. Легко обмануть того, кто не понимает сути происходящего. А суть происходящего, пожалуй, лучше всего описывается в сказке Ганса Христиана Андерсона «Новое платье короля». Никакого покрывала «время» не существует, как и платья на голом короле. Нет такой физической сущности, как время. Множество учёных и философов ломали голову над сутью времени многие века, но только в нашем XXI веке учёные высказали предположение о том, что время не существует, как физическая сущность. Время – сущность информационная. Располагая события в воображаемую цепочку, мы запоминаем уже произошедшее, воспринимаем происходящее, а при определённом опыте можем предположить будущее. В следующем определении упоминается субъект. Здесь под этим словом понимается любое живое существо или искусственный интеллект, которые имеют способность запоминать и анализировать происходящее вокруг них.

Определение

Время – воображаемая координатная ось, позволяющая организовать и систематизировать в памяти субъекта причины и следствия, располагая их в виде упорядоченных цепочек событий вдоль этой оси.

Всё происходящее в мире имеет причины и следствия. Причины и следствия это составляющие более или менее сложных процессов, которые могут состоять из других вложенных, более простых процессов. Суть процессов в передаче энергии от одного состояния к другому. В основе понимания времени – передача энергии. Процесс имеет некоторую дискретность, которая может быть спрятана достаточно глубоко. Среди глубинных процессов есть, например, процесс смены энергетических уровней электронами в атомах. Чем глубже мы будем погружаться в микромир, тем больше дискретности в происходящих явлениях будем обнаруживать. Создатель квантовой механики немецкий физик Макс Планк, например, обнаружил минимальный квант действия, который стал одной из известных важнейших физических констант – постоянной Планка h.

Человек может наблюдать процессы и сравнивать их ход, чем люди и занялись в незапамятные времена, создав календарь и часы. Люди организовали последовательность событий в своём сознании и памяти.

Часы, какими бы совершенными они не были, время не измеряют. Они «тикают», а мы можем считать их тики, наблюдать за процессом хода часов. Можем сравнить с этим процессом процесс нашей деятельности, определить по отношению к ходу часов продолжительность рабочего дня, определять наступление дня и ночи.

Люди создали для себя время. Время существует лишь в нашем сознании.

Энергия может передаваться только из состояния с большей в состояние с меньшей величиной. Если кажется, что это не так, и энергия течёт не в ту сторону, следует найти другой процесс, являющийся источником дополнительной энергии. Это свойство энергии облекли в форму закона её сохранения. С этим связано ощущение направления времени. С этим же связан закон увеличения энтропии (беспорядка) во Вселенной.

Таким образом, как ни прискорбно, машина времени, как её изображают фантасты, невозможна. Не потому, что что-то ещё не открыли, а потому, что путешествовать не в чем. Нет такой реки, которую называют Время.

Конечно, в своей практике человек регулярно применяет это воображаемое время. Точнее, он применяет часы, с процессом хода которых сравнивает ход других процессов. Все часы обычно настроены так, что имеют одинаковый «ход». Человек выстраивает шкалу веков, лет, месяцев, дней, часов, минут и других крупных и мелких единиц времени в одну цепочку, на которую помещает события, которые, к слову, тоже не всегда реальны.

В физике шкала времени применяется во всех без исключения теориях и гипотезах. Но важно отличать гипотезы, в которых время это шкала, от гипотез, в которых время – физическая сущность. Если гипотеза говорит о времени, как физической сущности, предполагает возможность управления этой сущностью, то эта гипотеза несостоятельна с точки зрения отражения истины, даже если она применяется в практике каких-либо вычислений, как когда-то эпициклы Птолемея. Если чем и можно управлять, так это очередными событиями, направляя энергию туда, где вероятность желаемого события больше. Время ещё и вероятностное, в значительной мере, понятие. И этим широко пользуются предсказатели, планирующие государственные органы и физики.

Таким образом, в нашей близкой к истине физике, время – воображаемая координатная ось.

Но, воображаемая это ось или нет, на ней надо откладывать единицы измерения времени.

Обычно мы применяем в качестве такой общепринятой единицы измерения секунду. Но теперь введём собственную единицу времени, равную 299,792458 секунд.

Назовём эту единицу времени «тайм», по-английски – «time», обозначим латинской буквой T.

Тайм: T. 1T= 299,792458 с.

Способ определения этой единицы времени будет описан в следующем параграфе. Все появляющиеся единицы измерения и константы собираются в таблицу в конце книги.

§4 Пространство – качество объектов

Пространство, как и время, относится к элементарным базовым понятиям. Создатели теории струн сказали о пространстве следующее, – «Как бы странно это ни звучало, но мы предпочитаем сохранять понятие пространства весьма расплывчатым по той причине, что оно подразумевает многое, для чего мы не имеем других обозначений»[2 - Яу Шинтан, Надис Стив, Теория струн и скрытые измерения Вселенной, Кембридж, Массачусетс, март 2010.]. В отличие от времени, оно реально (кроме искусственно созданных математических пространств). Оторванное от реальности идеальное бесконечное пространство, как вместилище всего сущего, это представление одной из характеристик реального пространства в отрыве от его сути. Всё сущее можно посчитать, но это не значит, что числа содержат в себе весь реальный мир.

Пространство можно отнести к параметрам материи. Каждое материальное образование, имеющее массу, обладает собственным трёхмерным пространством. В нашем представлении поставим знак тождества между пространством и гравитацией в пространстве. Пространства всех объектов, существующих во Вселенной, объединены в одно пространство Вселенной. Гравитационное поле всех объектов Вселенной образует её общее гравитационное поле, это признанный факт. Пространство имеет три метрических параметра воспринимаемых, как протяжённость, и один количественный параметр, связанный с гравитацией – плотность.

Наблюдаемое нами пространство трёхмерно. То есть имеет три взаимно перпендикулярных независимых метрических измерения. Часть объектов во Вселенной могут иметь собственное двухмерное, а иногда и одномерное пространство, что можно обнаружить, изучая взаимодействие таких объектов с другими объектами. Под плотностью пространства понимается величина пропорциональная гравитационному потенциалу в данной метрической области пространства. О гравитационном потенциале поговорим позднее, а пока сформулируем представление о пространстве.

Определение

Пространство – качество материальных объектов, которое может быть описано тремя параметрами протяжённости и одним параметром плотности. Гравитационное поле материальных объектов рассматривается как параметр пространства, определяющий его плотность.

В этом определении нет ничего сверхъестественного. Такое пространство не вызывает вопросов о том, что находится за границами Вселенной. Везде, где есть материальные тела, есть пространство. А где материальных тел нет, нет и материального пространства. Мы туда поместили пространство параметрическое.

Собственное пространство масс не однородно. Оно уплотнено вблизи массивных объектов и разрежено вдали от больших масс. Свойствами пространства определяется гравитационное взаимодействие между объектами во вселенной, а также распространение электромагнитных колебаний. В практике часто принимают понятие пустого пространства, определяемого, как вакуум. Но известно, что пустота вакуума условна. Понятие вакуума, как абсолютной пустоты, уже ушло из физики, он стал физическим. В определённых условиях может быть обнаружена некоторая внутренняя структура вакуума, которая, наполняет само пространство, делает его вполне материальным, а не идеальным представлением. В нашей модели вакуум – проявление среды Мироздания, доступное в физическом пространстве.

Массивные материальные объекты, включая и человека, не могут существовать вне пространства или в каком-либо пространстве с иным числом измерений, чем три, поскольку сами обладают таким пространством.

Пространство обладает протяжённостью. Это значит, что мы можем измерять длину, ширину и высоту, сравнивая их с некоторой созданной нами мерой. Такие меры создавались всегда. Иногда это были части тела, иногда созданные меры длины, а для больших расстояний применялись даже дни пути.

Теперь основной мерой длины является знакомый всем метр. В системе CL примем за единицу длины линию (line), обозначим как L. Длина одной линии соответствует 1000000 метров (1000 километров).

Линия: 1L=1000000 м.

Определить меру длины можно так:

Одна линия равна 30663318,99 длинам волн излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 в вакууме на поверхности Земли.

Значения меры длины и времени выбраны таким образом, чтобы скорость света C получила значение единицы. Отсюда можно определить единицу измерения времени.

Единица измерения времени один тайм установлена, как интервал ?T между началом и завершением прохождения плоской волной расстояния в 1 линию в вакууме на поверхности Земли.

Пространство Вселенной не безгранично, и, в соответствии с теорией Альберта Эйнштейна, может быть искривлено. Но теория относительности, будучи основана на математических преобразованиях, не может объяснить физическую суть самого пространства. В общей теории относительности рассматривается искривлённое пространство, кривизна которого трудно осознаётся даже при демонстрации аналогий с натянутым полотном и массивными шарами. В нашем случае, наблюдаемая кривизна пространства объясняется неравномерностью его плотности, и ограничением скорости передачи взаимодействий в нём, которое, в свою очередь, тоже имеет под собой физическое обоснование.

Математическое описание физического пространства возможно с привлечением дополнительных пространственных измерений и введением континуума – пространства-времени, как это сделано в теории относительности. Но возможно и другое математическое описание пространства на основе представления о его плотности. Распространение электромагнитной волны в таком пространстве может быть описано, как распространение в среде с переменными оптическими свойствами.

Плотность – одна из часто используемых в физике и в математике величин. Можно, например, говорить о плотности распределения символов на этих страницах, или плотность распределения пикселей на площади электронного изображения. Но в нашем конкретном случае это плотность распределения массы пространства в его метрических координатах. Несколько ранее мы сказали, что пространство – качество массы, а теперь говорим о массе пространства. Дело в том, что масса и пространство неразделимы. Тот кусок материи, который мы называем массой, как часть себя содержит пространство, которое также имеет параметр, обозначаемый как масса. В системе CL массовую плотность материи в пространстве будем обозначать буквой ?, а размерность её 1/T

.

На первый взгляд, размерность плотности странная, но после определения размерности массы всё встанет на свои места. Если размерность массы сейчас обозначить как W, то плотность этого вещества будет выражаться размерностью W/L

.

В привычных нам единицах плотность выражается отношением количества некоторого параметра к метрическому объёму пространства, занимаемому этим количеством. В системе СИ массовая плотность измеряется в кг/м

. В случае поверхностной плотности каких-либо единиц (ед.) в системе CL размерность выражается как ед./L

. В системе СИ – ед/м

.

Плотность пространства можно определить как массовую плотность, поскольку есть представление о массе и радиусе Вселенной. Величина пропорциональная массовой плотности – гравитационный потенциал[3 - Антонов В. А., Никифоров И. И., Холшевников К. В. Элементы теории гравитационного потенциала и некоторые случаи его явного выражения – СПб., 2008. – 208 с.]. Гравитационный потенциал снижается обратно пропорционально расстоянию от массивного тела. Мы будем применять гравитационный потенциал, как аналог плотности пространства.

В современных космологических теориях, рассматривающих варианты физической сути среды, в которой существует наш мир, есть представления о физическом вакууме, тёмной материи, тёмной энергии, излучений, возникших на ранних стадиях существования Вселенной. Но важнейшее место в космологических теориях и гипотезах об устройстве пространства Вселенной занимает гравитация.

На основании работ А. Эйнштейна, А. Фридмана и других физиков, стало понятно, что Вселенная не может существовать в бесконечном неизменном пространстве в стационарном состоянии. Вселенная получила массу и радиус. Пространство Вселенной представляется теперь как псевдориманово или пространство Минковского. Но при этом, пространство, при всей сложности его математического описания, не стало физическим. По современным представлениям гравитация, физический вакуум, другие виды материи, которые все вместе обеспечивают возможность существования Вселенной в наблюдаемом виде, находятся в этом пространстве. Есть попытки объяснять пространство, как свойство материи проявлять протяжённость.