В научно-популярных статьях довольно распространена картинка, где пространство иллюстрируется посредством координатной сетки. Есть некоторый координатный куб, а внутри куба расположена «территория существования» всего мира или хотя бы…отдельной комнаты (масштаб для понимания проблемы никакого значения не играет).
Используя этот приём, обычно изображают самые разные физические явления и процессы.
Например, пресловутая гравитация по одной из теорий - это искажение пространства, которое неминуемо приведёт и к деформации направляющих линий рассматриваемой координатной сетки. Следовательно, схематически её «причина» обычно рисуется как этакая «вмятина» на ткани пространства-времени.
Объекты, обладающие массой, неизбежно оставляют такие «вмятины», а в углубления потом «скатываются» и другие окружающие массивные тела.
К слову, тут сразу хочется отметить, что тела вовсе не устремляются в эти деформационные лунки, как санки с горы. Такое представление излишне упрощает даже теоретическое описание проблемы, а реальное положение дел наверняка находится от этой модели ещё дальше. Ну и традиционный пример визуализации, где на скатерть бросают арбуз, который проминает эту скатерть, а в лунку от арбуза скатываются мячики, совсем не подходит. Хотя и выглядит красиво, и на лекции его можно показать. Но об этом стоит поговорить в отдельной статье.
Сконцентрируемся на анализе популярной схемы. Знаете какой тут самый интересный вопрос? А чем такое искажение является с физической точки зрения?
Сразу хочу отметить, что излагаю своё личное понимание привычной модели. Далеко не факт, что оно окажется абсолютно правильным.Это представление составлено в результате анализа множества источников, а не является плодом фантазии. Более того, мне хотелось бы сделать это описание доступным для любого читателя и избежать сложных формулировок.
Главный вопрос - природа пространства
Когда думаешь про такие искажения, то первым делом хочется определиться с пониманием самого термина "пространство". Отбросим пока из изучения этих «вмятин» термин «время», исходя из того, что это и так неотъемлемая функция пространства. Оставим в повествовании только само слово "пространство" и попробуем осознать его физический смысл.
Стоит сказать, что прямого понятного определения "пространства" я так и не находил. Если плотность материала прекрасно описана в учебнике и есть лаконичное понятное объяснение, то с "пространством" это так не работает. Более того не совсем ясно, можно ли считать пространство физическим объектом или всё-таки нет.
Было бы заманчивым описать пространство, как, например, сладкую вату (или что угодно физическое) и на этом остановиться. Там есть и объем, и материя, и свойства, и деформироваться она может, и главное - его можно тогда пощупать руками. Этого всегда не очень хватает для объективности в физике. Но всё гораздо сложнее.
Тут частенько приводят замечания, что мол не нужно путать "объем" и "пространство". Ещё вспоминают, что представлять пространство как некую пустую комнату или коробку тоже неправильно. Это верные высказывания и мы будем держать это в сознании.
На помощь нам приходит математическое осмысление действительности.
Напрашивается логика, что пространство есть модель, а материя и прочее - некоторая «набивка» этой модели (матрицы если угодно).
Представим простую задачку. Она может быть не совсем корректно сформулирована, но всё же. Есть воздушный шарик, содержащий 100 мл кислорода. Потом мы добавили туда ещё 200 мл кислорода. Нужно описать увеличение объема этого шарика.
Как это сделать?
Составить уравнение, описывающее объем шарика. Можно даже закономерность не высчитывать. Просто посчитать первое значение, а затем второе. Ну а потом вычесть.
А как роботу описать такое изменение, используя лишь своё машинное зрение?
Правильно. Смоделировать координатный объем, как делал терминатор в фильме, подбирая себе куртку, и расположить в нем сначала один шарик, а затем второй, высчитывая при этом дельту и отталкиваясь от координатной сетки в объеме. Ключевая фраза – координатный объем. Это и есть пространство эксперимента. Но есть ли это окончательный физический смысл пространства?
Пару слов про "математическую физику"
Сложные изыскания, аналогии типа шарика, связанные с «поиском математики», процессы или выявление закономерностей рождают так называемую «математическую физику».
Многие заведомо негативно к ней относятся. Подход предполагает выявление закономерности с помощью математического расчёта, а потом подтверждение гипотезы на практике (ну или её опровержение). Искомое явление вырисовывается из понимания математических закономерностей.
Эта логика подразумевает, что окружающий нас мир строго упорядочен и подчиняется математическим законам (которые и нужно найти, а если нашли - экстраполировать на весь объем).
Представьте синусоиду, которая является графиком самой обычной функции у = sin x. Самый простой вариант предполагает, что график всегда будет сохранять привычный вид. Также и, например, уравнение Шрёдингера (это только пример), нащупанное однажды и проработанное математически, позволяет исходить из того, что "математические правила" продолжат выполняться. Мы вспомнили об этом не случайно. Это показательно, поскольку выявив однажды закономерность, можно составить "матрицу" любого процесса.
Примерно также сложная форма той или иной функции сможет описать специфику существующей материи, а правила математики определят поведение и возможность (или невозможность) существования явления. Добавьте всё это к нашему роботу в примере с шариком и получим пространство в физике. Вспомогательный прием описания становится чем-то сродни физической сущности.
Пространство не есть материя. Но это и не просто объем. Это "свод математических правил", содержащий инструкции. Этакая среда разработки если угодно.
Компьютеры помогут
Я нашёл для себя простую аналогию – нужно представить координатный объем, в котором создаётся объект в редакторе 3D-графики или в программе для моделирования. При детальном рассмотрении редактора становится очевидным, что пространство точно не является реальным физическим объектом, а относится скорее к метрике.
Пространство есть сложная математическая модель, эквивалентная среде разработки при моделировании и это прекрасно видно при работе в таких системах. В среде моделирования есть функции, описывающие, например, способность объекта перемещаться по кривой в редакторе (в реальности это привычные законы физики, скажем притяжение двух масс). Тут же есть координаты и есть та самая координатная сетка, которая позволяет определить геометрическое положение объекта в пространстве разработки.
Объекты в реальном пространстве генерируются согласно программному описанию в заданных пространством точках из энергии.
По факту мы приходим к тому, что есть всего две глобальные сущности – пространство, содержащее код и энергия, являющаяся способом материализации этого кода. Но это тоже не совсем-таки в тему статьи.
О праве на существование такого подхода говорит не только «удобная логика» и множество пересечений с виртуальной реальностью, но и ещё высказывания самих физиков.
Например, Эйнштейн однажды говорил, что нельзя разделять пространство и материю. Материя не существует без пространства, а пространство без материи.
Это значит, что материя не сможет появиться без энергии, которая провзаимодействовала с кодом пространства, а код без энергии не имеет никакой ценности. Связь пространства и материи описывается посредством всё тех же законов математики (и физики как следствие).
Это подкрепляет логику про некоторый код, который описывает всю Вселенную. И пространство при этом является не больше, чем координатной сеткой с набором параметров. В точности редактор 3D-графики! Можно нарисовать линию, можно задать перемещение, а можно воспользоваться любой встроенной функцией (эквивалент физического закона).
Так что же тогда искажается?
Получается, что любое искажение пространства есть простое изменение параметров сетки и связанных с ней функций.
Сетка есть объект визуализации и реально не существуют. Но каждая прямая при этом задана математически. Математически она может быть и искажена. Превратить прямую в параболу на экране не сложно даже в Basic. И уж тем более это не проблема для движка всего «окружающего мира». Причиной искажения, как вариант, может стать взаимодействие массивного объекта с пространством. Это запрограммировано в систему. Просто рядом с массивным объектом должны быть такие-то свойства.
Что значит "взаимодействия"? Это подразумевает, что уравнение, описывающее появление массивного объекта с заданными параметрами в данной точке стало ещё и решением уравнения пространства. Прямая линия сетки в этой точке должна стать кривой с заданной решением кривизной. Вот и получилась вмятина с параметрами. Впрочем, есть ещё одна хорошая иллюстрация гравитации, которая не противоречит описываемой логике.
От этой искаженной линии потом оттолкнутся и другие объекты при их расчёте. Произойдёт, например, устремление других объектов в след за массивным и проявит себя то, что именуется "гравитацией".
Всё это лишь связанный набор математических функций. Объекты и методы если желаете. При таком раскладе нет сложности в осознании природы существования искажения пространства-времени.
Вывод простой - пространство есть вспомогательная система измерений, содержащая библиотеку свойств. Это не материя в прямом смысле понимания. Это набор инструкций. Тогда и искажения объяснить легко, и количество измерений не вызывает вопросов.
Собственно, если вам интересны мои размышления и вся тематика изучения физики мироустройства, то буду рад вас видеть на своем канале.
