Поэма о физике Третья часть

10.

Существует давняя философская проблема – проблема расстояния.

Заключается она в том, что точечный наблюдатель принимает только те сигналы, которые приходят в точку наблюдения.
(Для наглядности можно привести такой пример: мы видим не само Солнце, а только лучи, приходящие к нам от Солнца; не сами предметы, а отражённые от предметов солнечные лучи, приходящие в точку наблюдения.)

Но если точечный наблюдатель не воспринимает ничего, что находится на расстоянии от него – что вообще означает понятие «расстояние» для этого точечного наблюдателя?

Изначально понятие «расстояние» для него отсутствует – для него существуют лишь сигналы, приходящие в точку наблюдения с разных направлений в разные моменты времени.
Затем, анализируя закономерности этих сигналов, наблюдатель приходит к выводу о целесообразности введения нового понятия – понятия расстояния.
Таким образом, расстояние – это вторичное, выведенное понятие, нужное для описания наблюдаемых закономерностей.

Это легко сформулировать математически, введя сферическую систему координат с центром в точке наблюдения: радиус-вектор r (расстояние от точки наблюдения) и угловые переменные Fi и Teta.
(Текстовый редактор данного сайта не воспринимает греческие буквы, поэтому вместо них я пишу их обозначения английскими буквами.)
Время будем обозначать буквой t.

Изначально точечный наблюдатель воспринимает физические процессы, происходящие во времени t и в двух пространственных угловых координатах: Fi и Teta. (Fi и Teta указывают направление, с которого принимаемый сигнал пришёл в точку наблюдения.)

Затем для простоты описания закономерностей этих процессов вводится переменная r.

Оставим пока в стороне вопрос о возможности существования точечных наблюдателей. (В конце концов, почему бы нам не предположить, что точечный наблюдатель может существовать?)

Посмотрим, что может нам дать проблема расстояния для упрощения математического описания физических явлений.
Если расстояние (от точки наблюдения) не является для наблюдателя первичной, изначально воспринимаемой величиной – значит, нам удалось уменьшить на единицу число пространственных измерений.

Это не значит, что расстояния вообще не существует.
Расстояние реально существует, поскольку реально существуют закономерности, для описания которых было введено понятие «расстояние».

Введение понятия «расстояние» - это простейший способ описания закономерностей физических процессов, происходящих уже не в трёх, а в двух пространственных измерениях и во времени.
То есть расстояние (от точки наблюдения) – это реально существующая, но вторичная, выводимая, не наблюдаемая непосредственно данным точечным наблюдателем величина.

(Здесь может возникнуть курьёзный вопрос: каким образом воспринимает физические процессы точечный безразмерный наблюдатель, не имеющий протяжённых органов чувств?

Но откуда нам известно, что для восприятия процессов в двух угловых координатах (то есть не протяжённых в пространстве процессов) необходимы протяжённые органы чувств?

Кроме того, о самом существовании органов чувств человек узнаёт при помощи ощущений.
Вопрос о том, что было раньше: ощущения или органы чувств – сродни вопросу о том, что было раньше: курица или яйцо.
Можно представить ситуацию, когда ощущения возникают без органов чувств; когда отсутствует само понятие «органы чувств».

В данной статье обсуждается не физическая природа точечного наблюдателя, а возможности математического описания физических процессов.
Точечный наблюдатель – это абстракция, нужная для математического преобразования физических зависимостей к простейшему виду.)

11.

Почему пространственно-временных измерений именно четыре?
Точнее, почему пространственно-временных измерений так много?

Ведь для существования нетривиальных физических процессов достаточно одного измерения.

В предыдущем параграфе было показано, каким образом количество первичных, изначально воспринимаемых измерений уменьшается на единицу: расстояние r от точечного наблюдателя можно считать вторичной, выводимой величиной.

Видимо, это первый шаг в правильном направлении.

В окончательном варианте теории должно остаться только одно первичное, изначально воспринимаемое наблюдателем измерение.

Изначально точечный наблюдатель воспринимает физические процессы только в одном измерении.
Затем для простейшего описания закономерностей этих процессов вводятся ещё три вторичные измерения.

12.

По-моему, почти очевидно, что единственное первичное измерение – это время.

В сущности, время – это мера материальных изменений.

Сравнивая состояния некоего материального объекта в разные моменты времени, мы можем вычислить промежуток времени между этими моментами по материальным изменениям объекта.
(Например, сравнивая две фотографии одного человека в разном возрасте, мы можем вычислить разницу в возрасте по изменениям, произошедшим с наружностью человека.)

Можно сказать, что промежуток времени – это и есть материальные изменения в состоянии окружающего мира.
О пространственных измерениях этого сказать нельзя.
Таким образом, время – более фундаментальная, первичная величина, чем пространственные измерения.

В современной физике время стоит особняком от пространственных измерений.
Даже в специальной теории относительности понадобилось умножить время на мнимую единицу, чтобы формально уравнять его с пространственными координатами.

Все физические процессы обратимы в пространстве; но многие принципиально важные процессы необратимы во времени.
Это фундаментальное различие и позволяет говорить о времени как о мере материальных изменений.

Значит, искомые законы физики и совокупность физических явлений должны быть вероятностными, дискретными и одномерными; причём это единственное первичное измерение – время.

Итак, точечный наблюдатель воспринимает некие вероятностные дискретные физические процессы только во времени.
Изначально он не воспринимает ничего кроме этих одномерных процессов.
Затем для простейшего математического описания закономерностей этих процессов оказывается нужным ввести три дополнительные величины (пространственные координаты).

Стоящая перед нами задача является чисто математической: нужно математически свести все четырёхмерные (пространственно-временные) физические процессы к одномерным (временным) физическим процессам – так, чтобы три пространственных измерения простейшим образом выводились из закономерностей исходных чисто временных процессов.

После введения пространственных измерений совокупность физических явлений будет представлена в виде дискретной функции w(x, y, z, t), для которой известны вероятностные закономерности.

13.

Современная физика считает нужным формулировать законы физики для всех наблюдателей и описывать совокупность физических явлений для всех наблюдателей.
Но если само понятие «расстояние» вызывает вопросы – тем более вызывает вопросы информация, полученная наблюдателем от других удалённых (находящихся на расстоянии) наблюдателей.

Каждый наблюдатель получает информацию о других удалённых наблюдателях, принимая от этих удалённых наблюдателей сигналы.
Во-первых, эти сигналы запаздывают.
Во-вторых, по пути от источника к приёмнику сигналы отклоняются, ослабляются, искажаются.
В-третьих, принимаемые от удалённого наблюдателя сигналы не так легко выделить из всей совокупности физических явлений.

Таким образом, знания, которыми обладает наблюдатель о других удалённых наблюдателях, нельзя назвать точными и полными.
Но если наблюдатель не обладает достоверными знаниями о других удалённых наблюдателях, зачем ему формулировать для них законы физики и описывать для них совокупность физических явлений?

Таким образом, самым простым и естественным будет формулировать законы физики и описывать совокупность физических явлений не для всех, а для одного наблюдателя.
Только после того, как мы опишем всю совокупность физических явлений для одного наблюдателя, нужно выделять из этой совокупности сигналы, принимаемые от удалённых наблюдателей.