Пространство и время
в одной системе отсчета

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ОДНОЙ СИСТЕМЕ ОТСЧЕТА

Интересный вопрос

Дискуссии по вопросам исследований пространства (в глобальном понимании)  приобретают все более разнообразный и острый характер. Теории о том, что есть по своей сути пространство и время, на мой взгляд, все еще не представляют собой целенаправленных исследований в более-менее едином направлении. Конечно же, я не берусь примирить всех создателей теорий и их оппонентов, однако хотелось бы предложить следующее. Давайте попробуем посмотреть на так называемый пространственно-временной континуум с самой простой, классической точки зрения.

При этом хотелось бы избежать каких-то необоснованных предположений или нелогичных выводов. Обсуждение вопроса следует, очевидно, начать с методов изучения пространства и происходящих в нем процессов при помощи комплекса инструментальных средств, называемого «система отсчета». Набор инструментов такой системы (о них будет сказано ниже) зависит от способа решения задач. Если выполняются экспериментальные исследования, то это могут быть обычные измерительные приборы. При исследовании математической модели объекта, система отсчета становится искусственным, виртуальным понятием. При помощи системы отсчета можно наблюдать, измерять и исследовать различные пространственные процессы.

В классической механике система отсчета связывается с одним из физических тел и снабжается средствами измерения геометрии и времени, которые называются «линейки» и «часы». С их помощью мы можем получать информацию о пространственном содержимом системы и конкретные данные о происходящих процессах. При этом можно управлять условиями, в которых выполняются исследования.  Если, например, запретить движение одного из тел в системе по какой-либо из координат, то оно будет двигаться только в пределах одной плоскости. С другой стороны, если остановить время (мысленно мы можем это сделать, в данном случае речь идет о системе отсчета как виртуальном понятии), то все вещество будет абсолютно неподвижным, такой статус системы называется «статика». Все это в принципе реально апробированные понятия, давно применяемые на практике.

При наблюдении за поведением пространства мы получаем непрерывный набор параметров: геометрические координаты тел и отсчет времени. Исходя из этого, логично, сделать такое предположение, что время – это такой же параметр системы отсчета, как и геометрические координаты, то есть тоже координата.

Здесь же, однако, появится первый вопрос. Если все это – параметры системы отсчета, то есть измерительные параметры одной группы, они должны быть равноправными. Базовые свойства одних не должны отличаться от свойств других. А что же получается? Путем воздействия на тела, мы можем менять их координаты на геометрической шкале в любом направлении. А по временной шкале? Вроде бы нет, все происходит только в одном направлении, временные координаты тел сдвинуть нельзя не только в «минус», но и вообще никуда. Тогда какая же это координата, если нам нельзя посредством воздействия на тело, даже сдвинуть его по этой координатной оси?

Нельзя или не умеем? Может быть, для того, чтобы найти способ изучать параметр «время» есть смысл обратить внимание на свойства такого физического процесса, как движение? Вот в чем заключается этот интересный с моей точки зрения вопрос.

Разберемся с параметрами

Предполагается, что для параметрических исследований приведенная выше система отсчета корректна независимо от того, на каком уровне будет поставлена задача: макро- или микро-уровне. Что же мы имеем в нашей системе отсчета? Несомненно, в ней есть некоторое пространство, а в пространстве имеются объекты из вещества, заполняющего это пространство. Они называются «физическими телами».

В системе мы можем наблюдать как минимум один физический процесс: движение тел. При этом изменяются геометрические координаты тел, и эти изменения выполняются поступательным образом в определенной последовательности. Так вот, очевидно, чтобы сравнивать последовательность моментов одного движения с моментами других движений, человечество и изобрело параметр «время». Все, имеющиеся сегодня способы измерения времени основаны на сравнении движений.

Давайте посмотрим, каким же образом измеряют время? Достаточно просто. В системе отсчета одно из движений принимают за эталонное, обычно оно периодически повторяющееся. Конкретно – это базовое движение одной из составляющих частей хронометрического прибора. В разных случаях могут использоваться движения маятника, плоскостей кварцевой пластинки, астрономического объекта и прочее. Фиксируют моменты эталонного движения, и в эти же моменты фиксируют координаты других, наблюдаемых движений. Моменты-деления эталонного движения пронумерованы и составляют непрерывный числовой ряд. Для каждого из тел также получается соответствующий массив координат его движения. Процедура измерения времени фактически фиксирует последовательность моментов движения тел относительно друг друга.

При построении математических моделей числовому массиву «эталонного» движения соответствует независимая переменная, называемая «время». Другие массивы координат наблюдаемых движений в свою очередь преобразовываются в непрерывные функции движений объектов (в данном случае, физических тел).

T  =  T₀, T₁, T₂, T₃, … , T_n  =  t.      Эталонное движение.

S₁ =  S₁(0), S₁(T₁), S₁(T₂), S₁(T₃), … , S₁(T_n)  =  S₁(t).  Объект No 1.

S₂ =  S₂(0), S₂(T₁), S₂(T₂), S₂(T₃), … , S₂(T_n)  =  S₂(t).  Объект No 2.

S₃ =  S₃(0), S₃(T₁), S₃(T₂), S₃(T₃), … , S₃(T_n)  =  S₃(t).  Объект No 3.

.   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .   .

S_k =  S_k(0), S_k(T₁), S_k(T₂), S_k(T₃), … , S_k(T_n)  =  S_k(t).  Объект No k.

Здесь:

S₁, S₂, S₃, … , S_k – геометрические координаты движущихся тел;

T – числовой ряд, фактически индекс для координатных массивов.

Таким образом, наблюдая или исследуя движения тел в системе отсчета, мы получаем полный набор пространственных параметров, характеризующих эти движения.

Измеряемые параметры движения:

·        Траектория: изменение геометрических координат тела.

·        Время: привязка моментов движений тела в системе отсчета.

Вычисляемые параметры движения:

·        Скорость: интенсивность изменений координат тела.

·        Ускорение: линейность изменений координат тела.

Например, если мы знаем, что тело прошло по прямой расстояние 10 м за 5 секунд, то в системе отсчета имели место не одно, а как минимум два тела, а также два параметра движения. Первый говорит о том, что были моменты, в которые наблюдаемое тело имело координаты 0 м и 10 м. Второй – о том, что последовательность прохождения телом этих координат была следующая. Вначале первый момент с отметкой на траектории движения другого, эталонного тела 0 секунд, и после него другой момент с отметкой 5 секунд. Значения геометрических координат эталонного движения при этом не нужны, мы просто используем его как промежуточное средство для сравнения последовательности движений между собой.

Первый из приведенного выше ряда параметров (траектория) имеет  векторный характер. Время же векторных свойств не имеет. Это уже говорит о том, что мы имеем дело скорее всего с абстрактным, искусственно созданным атрибутом.

Так параметр или субстанция?

Итак, из ранее сказанного получается, что время – это один из параметров движения, рассматриваемого как физический процесс. Но здесь же возникает следующий вопрос: а к чему, собственно, относится этот вполне понятный, измеренный параметр? Скажем, траектория, то есть изменение координат, - относится, понятное дело, к геометрии самого пространства. А как же время? В результате чего происходит движение, что за этим стоит? И вот тут то, может возникнуть такое предположение: время является отдельным физическим процессом, за которым стоит какая-то субстанция, о которой мы еще ничего не знаем. И уже вследствие того, что идет процесс изменения времени, происходит движение физических тел.

Здесь же возникают и следствия из такого предположения. Поскольку это процесс, то им можно попробовать управлять. И если он происходит благодаря наличию некой субстанции, то у этой субстанции должны быть какие-то свойства. И можно попытаться изучать эту субстанцию, воздействуя на ее свойства. Есть самые разные гипотезы о сущности этой субстанции, например, представление о времени как о «текущей жидкости», и это далеко не самая смелая теория.

Гипотезы, предполагающие субстанциальность времени, в общем, достаточно интересны, каждая по-своему. Тем не менее, у всего этого направления есть, как я думаю, один характерный недостаток. Если время – это субстанция или самостоятельный процесс, то это должно было повлиять на связь между временем и пространством. То есть во всех законах, где присутствует параметр «время», этот параметр не был бы корректным в различных ситуациях. Ведь если в системе отсчета происходит процесс движение тела, а параллельно идет некий процесс в субстанции «время», то это должно было повлиять на характер движения. Но мы видим, что поведение движущегося тела зависит только от его взаимодействия с другими реальными объектами, в том числе материальными полями. Так или иначе, все объекты и причины, способные влиять на характер движения, – однозначно определимы и имеют четко выраженные геометрические параметры.

Все законы кинематики и динамики построены так, что в них просто нет места для какой-либо независимой субстанции, не имеющей геометрических размеров. Кроме того, в системе отсчета есть только один процесс, изменяющий ее геометрию, – это движение.

Тем не менее, есть, как я полагаю, возможность отклонений во временных параметрах поведения тел одной системы отсчета, не укладывающихся в «стандартные» рамки взаимодействий объектов. Причем, их причиной является вполне реальное окружающее пространство.

Появление сдвигов во времени

Итак, каким же образом могут появиться такие «нестандартные» временные отклонения, что может послужить их причиной? Первое, что можно предположить – это неоднородность пространства в системе отсчета. Собственно говоря, неоднородность пространства очевидна. Ведь исследуемые нами тела фактически и являются неоднородностями в пространстве. И все же их наличие не вызывает появление в системе отсчета упомянутых отклонений. Опять таки: их нет или мы их не обнаруживаем?

А каким образом мы можем проверить, есть «нестандартные» отклонения в системе отсчета или нет? Конечно, при помощи все тех же давно известных линеек и часов, правда сегодня они имеют цифровую индикацию и очень даже лазерную точность. Предлагаю далее рассмотреть некоторые особенности процесса измерения времени в системе отсчета посредством инструмента под названием «часы».

Инструмент «часы» физически ведь не является единым объектом для всей системы отсчета. Можно говорить о справедливости измеренного параметра «время» только для одной, конкретной  точки, в которой находятся часы. При этом на практике для измерения времени применяется множество хронометрических устройств, синхронизированных друг с другом.

Таким образом, часы, показывая время для одной точки пространства, отражают данный параметр в соответствии со свойствами пространства в этой точке. Если же свойства пространства в двух разных точках отличаются друг от друга, то принципиально это может быть разное время.

Однако мы этого не обнаружим, в первую очередь потому, что свойства пространства распространяются также и на сами часы. Чтобы обнаружить различие в показания двух часов в двух разных точках системы отсчета, необходимо первоначально запустить их в один и тот же момент (относительно показаний третьих, контрольных часов). Однако, для этого требуется система синхронизации часов, а при передаче любых синхросигналов прохождение областей с разными свойствами приведет к искажениям, которые нейтрализуют эффект от сдвига времени. То есть «в идеале» двое часов при помощи синхросигнала не могут быть запущены или остановлены одновременно. Впоследствии принципиально  нельзя будет установить, чем вызваны отклонения показаний: искажениями пространственных свойств или чисто технологическими причинами.

Для компенсации искажений при измерениях есть, конечно же, различные технологические приемы. Но вполне возможно, что метрологи никогда не применяли их для исследования каких-то недоступных пространственных свойств.

А на мой взгляд, на уровне именно таких, недоступных для исследования, свойств пространства, и могут оказаться искажения процессов, происходящих в системе отсчета. Искажения пространства, на своем «уровне наблюдаемости», недоступном для нас, могут в отдельных точках быть причиной искажений в процессе движения. Но как я уже сказал, мы о них можем не подозревать, так как свойства пространства имеют для нас ограниченную «глубину» доступности.

Глубинное погружение в системе отсчета

Я предполагаю, что не совсем понятно, о каких таких недоступных свойствах пространства вообще-то идет речь. Попробую прояснить этот момент (насколько это понятно мне самому). В данном случае я хочу попробовать выстроить свойства пространства в единую последовательность, в зависимости от степени доступности получения информации об этих свойствах при помощи существующих технологий. Здесь не имеет значения, о каких именно свойствах пространства идет речь. Главное – насколько прост и доступен процесс наблюдения и измерения именно этой группы свойств.

Например, при изучении механических свойств вещества есть такие характеристики, что могут быть наблюдаемы и измерены сравнительно простыми способами. Это, например, геометрические координаты тел и их элементов, сосредоточенные динамические нагрузки, усилия, действующие в некотором механическом процессе и тому подобное. Но есть такие механические свойства, которые наблюдать можно только при помощи искусственного моделирования, а измерить – только косвенными методами. Характерный пример – внутренние динамические нагрузки, напряжения, распределенные внутри некоторого физического тела. Эти характеристики имеют уже более сложный уровень доступности.

Однако, свойства и параметры механической группы, в общем, наблюдаются и измеряются относительно просто. Они достаточно неплохо «увязаны» между собой, и не возникает вопросов, почему изменение одних свойств и параметров ведет к изменению других. Более сложной в этом отношении, на мой взгляд, является группа электрических свойств и параметров вещества, и соответственно, пространства. Здесь для наблюдения могут применяться только модели, а измерение электрических параметров производится путем преобразования электрических процессов в механические, а также другими искусственными методами. Следующей группой в этом ряду доступности располагается группа магнитных свойств и параметров. И, наконец, далее идут свойства гравитационного характера. Несмотря на то, что измерить силу притяжения вроде бы несложно, очевидно, что это только косвенные данные, а причинно-следственный механизм гравитационного поля пока для нас за семью и более печатями.

Итак, все вышесказанное можно визуально представить в виде вот такой «шкалы доступности»:

          СВОЙСТВА (ПАРАМЕТРЫ) ПРОСТРАНСТВА

        Механические         Электрические     Магнитные    Гравитационные    Недоступные

                                                                                                                                                К_дост

Конечно, вполне можно было бы даже сделать количественную оценку коэффициента К_дост  для параметров и разместить их на этой достаточно условной шкале. Однако, здесь важен сам принцип, подход к изучению тех пространственных свойств, о существовании которых мы сейчас даже не подозреваем. Каким же образом мы смогли бы получить информацию о свойствах, недоступных для имеющихся в данное время приборов и технологий измерений? Приблизительно так, как это делается в случаях с получением данных по таким параметрам, которые нет возможности измерить «напрямую», а также когда это слишком трудоемко и связано с неоправданными затратами.

В таких случаях прибегают к самым различным методам косвенного моделирования. Например, по известным параметрам косвенным образом моделируется поведение системы, далее рассчитываются или прогнозируются ее недостающие параметры. Есть великое множество способов моделирования, базирующихся, в частности, на всем известной теории подобия.

В нашем случае, необходимо последовательное построение моделей групп свойств и параметров, начиная с наиболее доступной части. При этом требуется переход от группы к группе с учетом связей между ними, на большей «глубине» доступности эти связи будут иметь уже вид прогноза. На каждом этапе все модели должны быть верифицированы с использованием реально измеряемых данных и эмпирических зависимостей. Таким образом, мы в результате можем получить как минимум косвенную информацию о наличии пространственных свойств, которые абсолютно недоступны для измерений.

С получением таких данных мы можем иметь более детальное представление о природе пространственных образований в виде магнитных и других полей, а также их взаимодействиях. Вообще, окружающий мир может оказаться не совсем таким, как мы знали его раньше. Естественно, после анализа этой информации можно уже планировать разработку реальной технологии измерений для обнаружения пространственных искажений, вызывающих «нестандартные» отклонения в движениях тел.  А также, найти способ обнаружить разность в показаниях хронометров в двух точках системы отсчета, обусловленную отличиями пространственных свойств в этих точках.

Вид сверху на параллельные миры

Мысль человека никогда не останавливалась на полпути. Именно поэтому многие из нас всегда будут стремиться узнать, что скрыто там, за горизонтом, за небесным простором. Но наиболее подозрительным приходит в голову мысль: а что если неизвестные миры совсем не так далеко от нас, где-то рядом, вокруг нас? Возникает мысль о возможной параллельности миров в пространстве. Я не хочу подробно обсуждать в этом плане идею о параллельных подпространствах, существование которых базируется на наличии в трехмерном пространстве дополнительных (четвертого, пятого и пр.) измерений. Единственное, на что хочется обратить внимание, это одно следующее соображение.

Окружающее нас пространство, вообще-то совсем не трехмерно, оно не имеет дискретных, раз и навсегда установленных в природе осей для привязки объектов. Для геометрической фиксации точки в системе отсчета, имеющей объем, необходимо и достаточно одного вектора-координаты, построенного к ней от начала отсчета. А с целью выполнения измерений и расчетов мы «задаем» вектор, т.е. создаем в системе отсчета три измерительные оси и строим три проекции вектора-координаты на эти оси. Необходимости создавать четвертую искусственную проекцию нет. Таким образом, вводимая, дополнительная компонента будет не четвертой координатой, а второй. Предполагают, что этой дополнительной координатой может быть время. В этом, может быть, что-то есть, только это не никак не предполагает наличие какого-либо недоступного подпространства.

Однако недоступные для нас подпространства могут все-таки иметь свое место под луной. Фактически это одно и то же пространство, в котором существуем мы, но у него есть свойства, нам пока неведомые. Они то и допускают существование как бы подпространства на своем уровне доступности. И с точки зрения наблюдателя, если он находится в том подпространстве, свойства нашего подпространства могут быть точно также недоступны. Отсюда мы возможно и имеем феномены гравитационного и других полей. А также необъяснимые случаи отклонений временного и пространственного характера, о которых таки есть сравнительно достоверная информация.

И что же дальше?

Эта публикация есть лишь предварительный, вступительный материал. Продолжение этой темы, как я надеюсь, будет иметь место по ходу решения очевидных вопросов, прежде всего материально-технического плана. Я планирую со временем подготовить более конкретные, развернутые выкладки, в том числе и подтвержденные экспериментальными измерениями.

Владимир Шкурко

г. Донецк

shkurko@list.ru