Как устроен мир
Введение
Сколько субстанций существует в мире? Одна? Две? Или три? Одну мы знаем точно - это материя. Два других кандидата - пространство и время. В отношении последних двух человечество всё ещё теряется в догадках - есть они или нет? Что же они такое - пространство и время? И что есть материя? Как устроен мир на самом деле?
1. Что есть материя
По современным представлениям существуют два вида материи - вещество и поле. Такое определение видов материи не совсем точно. Называть поле видом материи можно лишь условно. Поле материально только в том смысле, что имеет материальный носитель, который мы ощущаем лишь косвенно, через посредство сил действующих в нём.
Здесь уместно привести следующую аналогию. На тело погруженное в воду действует выталкивающая сила - сила Архимеда. Сопоставив каждой точке объёма воды архимедову силу действующую на единицу объёма пробного тела, мы получим поле архимедовых сил для данного объёма воды - архимедово поле. Если бы мы не могли ощущать воду никаким другим способом, как только посредством архимедовых сил, мы, ничего не зная о воде, но понимая, что силы должны иметь материальную основу, могли бы утверждать, что архимедово поле материально.
Различные поля, например гравитационное и магнитное, могут одновременно присутствовать в одном и том же месте пространства, поэтому все поля имеют один и тот же материальный носитель.
В отношении этого материального носителя ситуация, описанная как гипотетическая для поля архимедовых сил, реальна - мы не способны ощущать материальный носитель полей иначе, как только посредством сил этих полей. Возьмите два магнита и поиграйте с ними, приближая и удаляя их друг от друга. Вы почувствуете действие сил отталкивающих или притягивающих магниты - таким образом вы чувствуете недоступный нам в других ощущениях материальный носитель поля. На самом деле мы чувствуем этот материальный носитель поля постоянно, не замечая его - к силе тяжести мы привыкли и не склонны считать её проявлением свойств окружающего нас материального носителя поля.
Итак, уточнённое определение видов материи будет такое: существуют два вида материи - вещество и материальный носитель поля.
Что можно сказать об этом материальном носителе? Он является носителем не только статических или относительно медленно меняющихся полей, но и носителем переменных полей колеблющихся с большой частотой - электромагнитных излучений и, в частности, света. Теперь этот носитель полей становится более узнаваемым - это изгнанный из физики в начале 20-го века эфир. Тот самый, который «выгнали в дверь» как эфир и который в наши дни «влезает обратно в окно» как физический вакуум. Правда, этот эфир уже не совсем тот, что прежде. Старый эфир представлялся чем-то похожим на вещество - газ или жидкость. Современный эфир, или физический вакуум, как носитель не только света, но и сплошных статических полей, непрерывен.
Эфир, будем временно так называть наш материальный носитель поля, несёт в себе старый конфликт между светом и веществом. С одной стороны, считается, что, чтобы быть способным нести поперечные волны света, светоносный эфир должен обладать жёсткостью твёрдого тела. С другой стороны, он не должен оказывать никакого сопротивления движению вещества.
Это противоречие, однако, легко устраняется. Нужно только отказаться от представления, что вещество при движении должно обязательно расталкивать среду. Если вещество, так же как и свет, есть колебания этой среды, то проблема исчезает - вещество в своём движении в среде будет испытывать не больше сопротивления, чем свет.
Таким образом, наш материальный носитель, эфир, оказывается носителем не только статических полей и излучений, но и вещества. Он носитель универсальный - основа всех видов материи. В связи с этим пора дать ему подходящее название. Названия: «эфир» и «физический вакуум» - не кажутся подходящими, поскольку и то и другое ассоциируются со свойствами не присущими объекту - с дискретностью и пустотой, соответственно, и не выражают идею универсальности. Подходящим представляется название протоматерия.
С новой точки зрения существует лишь один вид материи - протоматерия. А различные формы материи: поле, излучение и вещество, которые мы прежде считали отдельными видами, есть лишь различные состояния этого единственного вида материи.
Теперь становится понятным наше отношение к протоматерии, в частности то, почему мы не ощущаем её, во всяком случае, не иначе, как посредством сил полей и сил инерции, и поэтому считаем её несуществующей. Поскольку вещество, из которого мы состоим, его элементарные частицы, являются лишь колебаниями протоматерии, то тактильно ощутить протоматерию оказывается принципиально невозможным - не оказывая нам, как будто бы, никакого сопротивления (а на деле ощутимо действуя на нас силой тяжести) она кажется нам пустотой. Для нас протоматерия выступает в обличье вакуума. Это, однако, не противоречит тому, что протоматерия, как носитель излучений, может иметь жёсткость твёрдого тела.
2. Что есть пространство
Понятие пространство можно интерпретировать по-разному. Основное его значение - пустое пространство, пустая трёхмерная протяжённость потенциально способная содержать материю. Другое значение - реальное физическое пространство. Реальное физическое пространство может оказаться пустым или не пустым, т. е. быть или не быть пространством в основном его смысле.
С указанной точки зрения вопрос: «что есть пространство?» имеет двоякий смысл. Одно значение: «что есть пустое пространство - субстанция, существующая в действительности, или абстракция, существующая лишь в нашем сознании?». Другое значение: «что есть реальное физическое пространство - пустое пространство, или материальная среда?».
В свете изложенного представления о материи, ответ на вопрос о сущности реального пространства очевиден. Реальное физическое пространство всюду заполнено материей - протоматерией в состоянии поля, излучения и вещества - и является материальной средой.
Отсутствие в реальном пространстве пустоты означает, что пустое пространство оказывается в картине мира лишним - материя сама содержит себя и движется внутри себя самой. Отсюда вывод: пустое пространство в действительности не существует.
Пространства как субстанции нет. Пустое пространство есть абстракция, получающаяся абстрагированием от материи её протяжённости. Или коротко: пространство есть абстрагированная протяжённость материи.
3. Что есть время
Имеются две возможности: либо время существует, либо время не существует.
Первый вариант наиболее близок нашему современному представлению о времени, но никак не проясняет внутренней сути времени. Мы говорим: «пройдёт время и всё изменится», что предполагает первопричинность и самостоятельность времени. Но в то же время мы видим, что для любых изменений в материальном мире всегда есть свои конкретные причины, которые в общем можно охарактеризовать как взаимодействие материи, и не время этим изменениям причина. Нам не понятно, каким же образом время связано с материей. Если в отношении пространства такая связь нам кажется интуитивно понятной и очевидной: пространство содержит в себе материю, то в отношении времени наша интуиция молчит.
Вторая возможность - времени нет. Отсутствие в картине мира времени будет означать, что материя полностью самодостаточна, и не нуждается для своего существования не только в пространстве, но и во времени. Вся трудность здесь заключается в том, как мы себе представляем движение материи. Мы привыкли считать, что движение происходит в пространстве и во времени. Но, необходимо ли время в самом деле? Движение есть перемещение, т.е. перемена места, в пространстве. С такой точки зрения, здесь не видно необходимости времени. Необходимость времени - это всего лишь предрассудок. Если мы можем с этим согласиться, то понять что такое время становится довольно просто - не являясь субстанцией, время не может быть ничем иным как абстракцией, абстракцией неких свойств материи.
Имеется только одно подходящее на эту роль свойство материи - всеобщее и непрерывное движение материи. Из этого движения и рождается наше представление о времени. Непрерывное изменение мира, и нас самих вместе с ним, ощущается нами как течение времени. Привычное для нас «проходит время и всё меняется» нам следует сменить на «всё меняется - проходит время».
Времени как субстанции нет. Время есть абстракция, получающаяся абстрагированием от материи её движения. Коротко: время есть абстрагированное движение материи.
4. Пространство и геометрия
Геометрия зародилась из естественной потребности сравнивать и измерять протяжённость материи. Как видно из самого названия геометрия, изначально это была потребность в измерении протяжённости земли. В большинстве случаев в человеческой деятельности измеряется протяжённость именно твёрдого вещества. Геометрия возникла как теория измерения твёрдых тел, и основывается на определяющем свойстве твёрдых тел - неизменности их протяжённости. Неизменность протяжённости твёрдых тел позволила создать эталон протяжённости и с его помощью определить меру протяжённости материальных объектов - единицу длины.
Хотя в основании геометрии лежит неизменность твердых тел, геометрия используется при измерениях протяжённости не только твёрдых тел, но и любых других форм материи, в том числе и «пустого» пространства между материальными объектами. Возможным это оказывается благодаря свойству другой формы материи - излучения, в частности, света. Прямолинейность распространения света в однородной среде позволяет экстраполировать неизменность формы твёрдого тела за его пределы, в «пустое» пространство. Зародившись как геометрия твёрдых тел, геометрия стала геометрией протяжённости материи - геометрией пространства. Коротко геометрию можно определить как науку о пространстве.
В наше время геометрию часто называют евклидовой геометрией. Имеются разные причины такого названия. Одна - это указание на автора «Начал», первого систематического изложения геометрии, Евклида. Другая - для отличия от других «геометрий».
В 1826 году русским математиком Николаем Ивановичем Лобачевским была открыта первая «неевклидова геометрия», которую он назвал воображаемой геометрией, и которую позже стали называть гиперболической или псевдосферической геометрией. Побочным следствием этого открытия стал новый взгляд на давно известную сферическую геометрию, которая с одной стороны, как геометрия двумерной поверхности - сферы, является всего лишь разделом обычной евклидовой геометрии, а с другой, в качестве возможной геометрии пространства, стала представляться ещё одной «неевклидовой геометрией». В итоге стало принято считать, что существуют три различные геометрии: обычная, плоская, евклидова геометрия, и две «неевклидовы геометрии» - гиперболическая и сферическая.
История открытия «неевклидовой геометрии» берёт своё начало с ошибочного представления, что пятый постулат Евклида, илиаксиома о параллельных, не входят в состав аксиом, определяющих прямую линию, что свойства прямой линии, задаваемые остальными аксиомами, уже достаточно определяют её, и аксиома о параллельных является лишь следствием остальных аксиом, и эту аксиому можно доказать как теорему. Бесплодные попытки, в течение белее чем 2000 лет, доказать эту теорему привели в конце концов к идее, что аксиома о параллельных не обязана выполняться. Ошибка здесь в том, что понятие прямой линии без свойства параллельности теряет свой смысл. Существование для прямой и точки вне её единственной прямой параллельной ей есть неотъемлемое свойство прямой линии. Свойство параллельности должно прямо или косвенно входить в определение прямой линии. «Прямые» линии, для которых аксиома о параллельных не выполняется, уже не прямые, а всего лишь геодезические. Напомним, что геодезические линии это линии кратчайших расстояний. Например, на плоскости это прямые линии, на сфере - окружности большого круга, а на круговом цилиндре это цилиндрические винтовые линии, в том числе и их вырожденные случаи - окружности и прямые образующие цилиндра.
Таким образом, идея «неевклидовой геометрии» родилась из ложного посыла, что прямые линии мыслимы и без свойства параллельности. Поэтому, то, что отказ от аксиомы о параллельных привёл к созданию новой и необычной теории - «геометрии» Лобачевского, не удивительно. Геометрией эта теория, однако, не является.
Давайте разберёмся, что же такое «геометрия» Лобачевского на самом деле.
В 1821 году в своих работах по теории поверхностей Карл Фридрих Гаусс ввёл понятие (полной, гауссовой) кривизны поверхности. Кривизна поверхности является естественным обобщением кривизны плоской кривой. Кривизна окружности есть величина обратная её радиусу, а кривизна произвольной плоской кривой в выбранной точке совпадает с кривизной окружности соприкасающейся с кривой в этой точке. Кривизна поверхности в данной точке определяется следующим образом. Через нормаль к поверхности в данной точке проходит пучок плоскостей, нормальных к поверхности. Плоская кривая, получающаяся в пересечении нормальной плоскости с поверхностью, называется нормальным сечением, а её кривизна - нормальной кривизной поверхности в направлении, задаваемом соответствующей нормальной плоскостью. Величина нормальной кривизны в точке изменяется в некотором интервале, от минимального до максимального значения, k1 и k2, которые называются главными кривизнами поверхности в данной точке, а соответствующие им направления на поверхности - главными направлениями. Оказывается, что главные направления всегда взаимно перпендикулярны, а главные кривизны подчиняются примечательной закономерности: при изометрических (т.е. сохраняющих расстояния - без растяжений и сжатий) изгибаниях поверхности главные кривизны изменяются согласованно таким образом, что их произведение остаётся постоянным. Это произведение главных кривизн Гаусс и назвал (полной) кривизной поверхности: K = k1 · k2.