ПРОСТРАНСТВО И ЕГО МАТЕРИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

2. ПРОСТРАНСТВО И ЕГО МАТЕРИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА.

До начала ХХ века в классической науке априори предполагалось существование абсолютного пространства, на «сцене» которого происходят все события. Пространство интуитивно представлялось как аналог лаборатории, где осуществляются механические опыты. Реквизит можно унести на склад, а лаборатория остаётся неизменной. Считалось, что процессы возникают, исчезают, а пространство остаётся неизменным. Пространство не связано со временем. Пространство существует вне времени, а время – вне пространства. Пространство можно измерять трехмерной декартовой системой координат.

Образ абсолютного пространства возник из интуитивных, очень упрощенных представлений о Мире. Тонкие измерения смогли бы показать, что и лаборатория влияет на проведение опытов, а опыты также изменяют состояние лаборатории. Однако физика до 19 века не обладала такими возможностями.

Итак, абсолютное пространство является очень упрощенной моделью реальности, пригодной для описания простых механических движений с достаточно медленными скоростями. Но человеческое сознание долго отождествляло субъективный образ «абсолютного» пространство с реальностью. В настоящее время начинают утверждаться идеи, что пространство является гносеологической категорией, субъективным способом отражения структуры Вселенной

Наряду с абсолютным, пустым пространством Ньютона в то же время существовали идеи материального пространства. «Природа не терпит пустоты», протяженность заполнена тонкой материей (Аристотель). Декарт тонкую материю отождествлял с пространством [9]. До 1905 г. Френель, Фарадей, Максвелл, Лоренц развивали теорию эфирной субстанции [4]. Электромагнитная теория Максвелла, обобщившая свет, электричество и магнетизм в единое понятие, предполагала существование гипотетической эфирной жидкости, по которой распространяется электромагнитная волна. Эфир обладал эмпирически определяемыми физическими параметрами (диэлектрической и магнитной проницаемостью). В уравнениях Максвелла сомневаться не приходится, т.к. они многократно подтверждались опытом, но проблемы возникли с моделированием свойств эфира.

Расчёты показали, что неподвижный эфир должен обладать упругостью твердого тела. Но как через твердый эфир движутся материальные объекты (например, Земля), не испытывая сопротивления (эфирного ветра). Опыты Морли и Майкельсона со световыми лучами не обнаружили даже следов «эфирного ветра». Свет, направленный по движению Земли, распространялся с такой же скоростью, как и луч, направленный против направления движения Земли (измерения проводились с достаточно высокой точностью). Отрицательный результат приостановил дальнейшие исследования физических свойств пространства.

Если эфир не определяем экспериментально, следовательно, нет необходимости учитывать его в моделях. Чтобы не решать парадоксы в специальной теории относительности, Эйнштейн вернулся к модели Демокрита, отправил теорию эфира в отставку и заменил её пустым пространством, в котором свободно могут перемещаться и фотоны, и все тела.

В теории относительности пространство перестало быть абсолютным, отрицается возможность существования абсолютных точек отсчета в пространстве и постулируется, что любое движение относительно. Эйнштейн, выдвинув «безумную» (по Н. Бору) идею пустого геометрического пространства, сам не мог принять «безумных» представлений квантовой физики. Гении снисходительно относятся к своим безумствам, но часто отторгают конкурирующие идеи.

В науке ХХ века уже 100 лет пространство рассматривается как физическая сущность, как протяжённая пустота, обладающая свойствами и структурой, в которую помещены все предметы [9]. Пустое пространство Эйнштейн дополнил четвёртым измерением (время). Идея четырехмерного пространства - времени принадлежит Г. Миньковскому.

В теоретических измышлениях пространство насыщено энергией, способно проводить электромагнитные и гравитационные волны. В отсутствии материи и энергии пространство является плоским, гладким, эвклидовым. Присутствие массивного тела искривляет вокруг себя пространство [3], которое может деформироваться, изгибаться, скручиваться, взаимодействовать с веществом. Оно обладает упругостью, характеризуется магнитной и диэлектрической проницаемостью [3]. Пространство неразрывно связано со временем, зависит от движения наблюдателя [3]. Как видим, пространство обладает спектром свойств, скорее присущим материи, чем пустоте. Но парадигма пустоты зомбирует мышление, хотя существует множество эмпирических фактов, которые невозможно объяснить с позиции пустоты.

Исходящая от Демокрита и поддержанная Эйнштейном идея пустого пространства, в котором мечутся неделимые частицы вещества (атомы), просуществовала до середины ХХ века. Частицы вещества обладают массой, зарядом, энергией, спином. Элементарные частицы вещества связываются в агрегаты (атомы, молекулы, твердое, жидкое, газообразное вещество). Агрегаты удерживаются от распада взаимодействиями посредством обмена связующими частицами (фотоны, мезоны, глюоны, электроны).

Такая простая модель полна противоречий, избавиться от которых пытались введением дополнительных пространственных измерений: четырех (Миньковский), пяти (Калуста) и позже одиннадцати (теория Калуцы – Клейна). В квантовой механике пространство – время имеет 11 измерений. Клейн предположил, что мы не замечаем 7 скрытых пространственных измерений потому, что они свернуты до очень малых размеров [3].

Существует множество альтернативных моделей пространства, а это свидетельствует о незавершенности моделирования. Математическое моделирование многомерного пространства чрезвычайно сложно. Количество приближённых математических образов такого пространства исчисляется тысячами. Невозможность эмпирической проверки каждой математической моделей исключает возможность оценки их на адекватность реалиям. Если всё гениальное просто, то трудно поверить в гениальность такой модели.

Тем не менее, умозрительная, нематериальная модель пустоты приобрела не только популярность, но и свои неразрешимые проблемы. На них стараются не обращать внимания или избавляются косметическими методами. Рассмотрим противоречивые представления о пустом пространстве.

Например, вакуум долгое время отождествлялся с пустым пространством, но физика ХХ века обнаружила, что вакуум может порождать виртуальные элементарные частицы, обладает внутренней структурой. Девис пишет: «То, что казалось пустым пространством, в действительности кишит виртуальными частицами. Вакуум не безжизнен и безлик, а полон энергии. Даже в состоянии покоя электрон непрерывно штурмуют другие частицы, появившиеся из вакуума» [1]. Энергия вакуума огромна, в нём скрыта масса Вселенной, Есть мнение, что квазары черпают энергию из вакуума [32]. Инерцию также объясняют взаимодействием тела с вакуумом. Магнитное поле может изменять структуру вакуума, создавая в нем неоднородности. Вакуум обладает свойством сверхпроводимости (Киржниц Д.А., Линде А.Д.). Световой луч может испытывать преломление на неоднородностях вакуума [50]. «Зыбкость» вакуума не позволяет сделать его абсолютной системой отсчета, в отличие от неподвижного гипотетического эфира.

Астрофизики пришли к идее существования «темного вещества» в «пустых» просторах космоса, масса которого соизмерима с массой видимого вещества. Пятитомная работа В.В Демьянова [2, 4] c максимальной детальностью «сокрушает» идею пустого пространства и призывает вернуться к эфиродинамике Лоренца и Пуанкаре. Совокупность накопленных наукой фактов ставит под сомнение парадигму пустого пространства Эйнштейна [9]. Под давлением фактов идея пустого пространства стала отступать.

Тем не менее, в популярных трудах западных ученых – физиков [1, 3] нет и тени сомнения в абсолютной доказанности и справедливости общей и специальной теорий относительности (СТО, ОТО). Рассмотрим факты подробнее.

«Пространство ассоциируется с пустотой, а представить себе искривление пустоты по силам немногим» пишет П. Девис. Можно добавить, что никто не способен представить пустоту с физическими свойствами материи, но не являющейся при этом материей. Никто не способен представить образ многомерного пространства - времени. Эти понятия можно выразить только математически. Но в геометрии не принято задавать вопросы на соответствие математической формы физическому содержанию. Геометрия – это не мир, а удобное средство описания мира, также как любой человеческий язык – это средство отображения реальности, но не реальность. Языков много, но реальность одна. Великий математик Риман писал: «Чтобы понять природу, надо «офизичивать» геометрию».

Геометрия создавалась как язык описания материальных форм. Различные системы координат являются лишь ментальными образами, инструментами сознания (парадигмами), в реальном мире не существующие, но помогающими познавать мир. Теория пространства, исследуя геометрическую тень реальности, не замечает других материальных характеристик, выхолащивает материальную реальность и делает пространство пустым.

Сюжет напоминает сказку «Суп из топора». Солдат начал варить суп из топора, но для вкуса пришлось добавить зерно, сало, специи и пр. Только тогда еда стала съедобной. «Пустое» пространство напоминает улыбку, отделённую от лица.

Кроме прочего, гладкое непрерывное, искривленное пространство Эйнштейна находится в противоречии с представлениями квантовой механики, с точки зрения которой, геометрия Вселенной представляет собой «многомерный, неэвклидовый, вибрирующий, скрученный лабиринт».

Несмотря на различия ОТО и квантовой механики, они едины в том, что пространство - это «геометрическая» пустота, содержащая энергию, в которой перемещается вещество в виде частиц - точек или частиц – суперструн.

В теории суперструн пространство может разрываться [3], а в ОТО оно непрерывно. Из энергии пространства рождается массивное вещество (Е=mc²), хотя энергия пустого пространства остаётся загадкой.

Абстрактная модель пространства не отвечает на многие простые вопросы. Согласно ОТО форма пространства меняется под влиянием присутствующих в нём тел. Тело, помещенное в пустое пространство, деформирует его, как забитый гвоздь раздвигает древесные волокна. При этом не ясно имеет ли тело внутренне (непустое) пространство, какова его геометрия и как внутреннее пространство взаимодействует с пустым внешним пространством? Телами кубической формы, можно без зазоров заполнить все пустоты, но куда тогда исчезнет пространство? Теория отвергнутого эфира предполагала проникновение частиц эфира во все пустоты вещества.

Согласно эмпирическому опыту гравитация проникает через все известные тела. Но гравитация - это кривизна пространства, следовательно, пространство «пронизывает» все вещественные предметы. Эти не исследованные вопросы остаются за рамками многих публикаций [1, 3] и лишают ОТО целостности и непротиворечивости. Теория только тогда может считаться правдоподобной, если способна отвечать на любые поставленные перед ней вопросы. «Молчаливая» теория является незавершённой.

Пустое геометризованное пространство было изобретено Эйнштейном, чтобы избавиться от противоречивых свойств эфира. Предполагается, что пустое пространство в отличие от эфира не препятствует движению тел [3]. Земля погружена в пространство и свободно в нём движется, поэтому эфирный ветер не определяется приборами. Но именно в этом предположении заложено противоречие. Покажем его.

Согласно теории гравитации (ОТО) массивное тело создаёт в окружающем пространстве кривизну. Перемещение массивного тела в пространстве, согласно ОТО, должно вызывать волну искривления, как движение корабля искривляет поверхность воды. Волны кривизны отождествляются с гравитационными волнами, распространяющимися со скоростью света. Любая волна – это переносчик энергии. Известно, что «энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую», следовательно, энергия движения гравитационной волны черпается из кинетической энергии движения массивного тела. Поэтому движущееся тело в пустом, геометризованном пространстве должно тратить энергию, на создание гравитационных волн. Если тело теряет энергию, следовательно, испытывает сопротивление движению. Получается, что и пустое искривлённое пространство должно оказывать сопротивление движению массивного тела. Можно процитировать [3]: «тела движутся в пространстве по кратчайшим путям, по путям наименьшего сопротивления». Обратите внимание на слово «сопротивление». Чем тогда пустое пространство лучше эфира? Итак, избавившись от сопротивления эфира, модель пустоты Эйнштейна не избавилась от проблемы сопротивления среды.

Искатели эфирного ветра (Морли, Майкельсон), находясь на Земле, не обнаружили его и сделали вывод, что Земля движется в пространстве без сопротивления. Однако и Земля, и Луна и все другие планеты за миллиарды лет вращения замедляют орбитальную скорость, приближаясь к Солнцу. Гравитационное взаимодействие небесных тел создаёт приливные деформации. На деформацию расходуется кинетическая энергия вращения небесных тел, т.е. гравитационное взаимодействие оказывает сопротивление движению космических тел.

Парадоксы всегда возникают в результате того, что сознание изучает не объективную реальность, а её упрощённый ментальный образ. В реальном мире парадоксов нет, они появляются только в искажённых моделях. Геометризованное пространство есть субъективный образ бытия, но не самое бытие. Исследуется не реальность, а некоторая тень реальности в сознании исследователя. Кант считал, что пространственные представления, будучи атрибутом объективной реальности, являются феноменом объектно-субъектного порядка. Складывается точка зрения, что ощущение пространства и времени является всего лишь специфическим языком, используемым для описания реальности. Причиной пространственно - временных отношений является сознание, с устранением которого исчезают пространственно - временные ощущения [2,4]. Поясним эту мысль примерами.

Пронаблюдаем за движением стрелки часов. Ход часов воспринимается как перемещение стрелки в пространстве циферблата. Когда мы рассматриваем портрет, глаз по частям сканирует изображение (пространственный образ), запоминает фрагменты и синтезирует в сознании слитную картину. При построении географической карты отдельные участки территории исследуются годами и хранятся в памяти (отчеты, книги, рисунки). Затем фрагменты стыкуются, складываются в нечто целое. Отсутствие памяти лишает сознание возможности ощущать и продолжительность, и протяжённость. Чтобы воспринимать пространственные перемещения наблюдаемого объекта (передвижение), необходимо помнить его прошлое местонахождение. Для того, чтобы перемещение объекта из точки А в В стало заметным, положение объекта в точке А должно запоминаться и сравниваться с положением в точке В.

Сознание фиксирует не пространство, а реально существующие структуры (вещи), расположенные «одна рядом с другой». Для того, чтобы вызвать ощущение «пространства», необходимо некоторое время сканировать вниманием отдельные части объекта, запоминать, сравнивать. Восприятие пространства формализуется антропоморфной метрикой (пропорциями человеческого тела: фут, пядь, сажень и др.). Позже изобрели стандартные метрики (метр). Итак, если отсутствует память, то исчезает возможность вызвать ощущение «пространства» объекта. Время и пространство, как инструменты человеческого познания протяженности структур и процессов, появились вместе с сознанием, с памятью.

Во всех примерах ощущение пространства неразрывно от ощущения времени, что нашло выражение в едином пространстве – времени Г. Миньковского. Однако эта целостность известна давно. Пространство измеряли временем задолго до Эйнштейна. Например, сообщалось: «До конца пути надо ещё сутки скакать на лошади». В этих наблюдениях выявляется связь времени и пространства, математически оформленная в СТО.

Субъективизм ощущения пространства незаметно переходит в иллюзию геометризованной пустоты. Ментальные образы бесплотны, поэтому из них можно лепить любые химеры. Только обратное отражение в материальный мир (эмпирика) даёт возможность оценить их адекватность реальности.

Можно показать как, наряду с изменением представлений о свойствах пространства, изменялся метальный инструмент измерения – геометрия. Декарт ввел простейшую из возможных систему координат с тремя ортогональными осями, бесконечными и прямыми. Эта метрика вполне годилась для описания механических, макроскопических, не эволюционирующих объектов. Миньковский Г. объединил одномерную геометрию времени с трехмерной геометрией пространства и появилось четырехмерное псевдоплоское пространство-время [10].

«Чудеса» квантовой механики потребовали другого языка, другой метрики. В обиход введены 7 координатных осей микроскопических размеров, уже не бесконечных и не плоских, а замкнутых в кольца.

С развитием нелинейного мышления появилось предположение, что линейными координатными осями природу не измерить. Декартовы оси полезны только при отражении в сознании «ближних зон пространства». При изучении вселенских масштабов они могут быть заменены отрезками окружностей с «бесконечным» радиусом, размером со Вселенную [3].

До сих пор незыблемой остаётся парадигма непрерывности координатных осей (оси никогда не заканчиваются и не разветвляются). Такая метрика приводит к абсурдному асимптотическому, бесконечному росту значений некоторых функций. С помощью таких метрик очень трудно описывать широкий класс явлений, вскрытых теорией катастроф. Прямые линии развития в природе являются редким исключением. Крона дерева, корневая система, разветвления кровеносной, дыхательной системы – вот неполный ряд примеров «фрактального» строения вещества. Если графически описывать жизнь, например, бактерии, то её линия жизни не прерывается, а разветвляется как вилка (бифуркация). В результате деления из одной клетки образуются две. В микромире распад элементарной частицы сопровождается образованием нескольких других.

С появлением нелинейного мышления, открыт обширный класс явлений, описание которых требует разветвлённых, древовидных координатных осей. В раздел 5.2 приведены модели мирового субстрата, нуждающиеся в новой геометрии.

Всё сказанное иллюстрирует субъективность геометрии, которая является лишь удобным средством описания некоторой реальности. Известно, что в зависимости от «качества» используемого средства наблюдения образ исследуемого объекта может изменяться. Рассмотрим точки зрения древних философов.

Ионийская философия древней Греции считала, что весь Мир происходит из некоторого единого первоначала. В этом первоначале «свернуты» все задатки, необходимые для образования чувственного Мира. Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Лаэрций утверждали, что за многообразием чувственных восприятий, в основе всего сущего лежит единая субстанция.

Анаксимандр (610-546 гг. до н. эры.) предполагал, что в основании Мира лежит «апейрон» - нечто бесконечное, божественное, вечное. В апейроне ничего не возникает вновь, все уже есть в нем. Все, что выделяется из него, затем неизбежно возвращается обратно.

Очевидным атрибутом пространства является движение. Рассматривать пространство отдельно от движения аналогично разделению двух сторон медали. Древние философы хорошо понимали это. Если ионийцы концентрировали внимание на первовеществе, то Гераклит акцентировал внимание на единстве процессов. По его мнению, абсолютными являются не структуры, а процессы (движение). Вселенная не состояние, а становление. «Все течет, все изменяется». Гераклит дает образ реки, в которую нельзя войти дважды.

В завершении, можно добавить, что ощущения пространства и времени «ходят парами. Это очевидно многим. Для того, чтобы возникло ощущение пространства, мировой субстрат должен быть неоднородным и подвижным. В главе 6 исследуется движение и неоднородности материального субстрата, являющиегося информационной основой Мира

Выводы

1. Пространство в классической механике и в ОТО считалось абсолютным, независящим от сознания.

2. В начале ХХ века на смену материальному пространству пришли идеализированные представления о пустом, наделённом геометрией пространстве, не оказывающем сопротивления движению тел (инерциальные системы).

3. Вещество, обладающее массой, создаёт в пространстве гравитационное поле.

4. Эйнштейну не удалось создать убедительную модель пустого пространства, не оказывающего сопротивления движению вещества.

4. Пустое геометризованное пространство аналогично улыбке без лица. Оно имеет много физических свойств, которые могут быть у материи, но которые трудно приписать пустоте.

5. Пространство является ментальным образом, инструментом ощущения протяженности материального субстрата мира.

6. Образ пространства сознание формирует с помощью метрики сознания (геометрии) и памяти.

7. Качество моделирования зависит от совершенства используемых ментальных инструментов. Поэтому мировоззрение развивается при совершенствовании геометрии.

8. Одиннадцатимерное пространство Калуцы – Клейна интуитивно кажется слишком сложным, непроверяемым эмпирически, перегруженным сущностями (Оккама).

9. Пора отказаться от модели пустого пространства в пользу пространства материального субстрата. Требуется новая, менее противоречивая теория пространства и новая «нелинейная» геометрия.