Уязвимое звено теории относительности
Если пустое пространство и абсолютное время классической механики допускали применение любых математических решений, лишь бы они позволяли отслеживать воображаемую траекторию движения наблюдаемого объекта в пустоте, то теперь ситуация изменилась коренным образом. В условиях обновившихся представлений об основополагающих категориях мироздания, математический аппарат, используемый при описании движения, обязательно должен быть адекватным физическому взаимодействию между активно выступающим четырехмерным пространством-временем и движущимся в нем материальным объектом вещества. Это взаимодействие должно быть естественным и непротиворичивым, исключающим возникновение парадоксов, о которых говорилось в ходе анализа трех критических проблем, проистекающих от услуг дифференцированного интервала.
Вне всякого сомнения, самым уязвимым звеном теории относительности, является ее фатальная приверженность ньютоновскому дифференциальному исчислению. Здесь сыграло соблазнительную роль благоприятное развитие теории электромагнитного поля Фарадея и Максвелла. В электромагнитной теории, поле выступает в качестве физической реальности, которая несет на себе энергию. Описывается эта реальность непрерывными функциями координатных систем. Главный вывод теории поля заключается в утверждении, что взаимодействие между контрольными объектами реализуется не с помощью функционирующих между ними сил мгновенного присутствия, а посредством процессов, распространяющихся в пространстве с конечной скоростью.
Если в электромагнитной теории место реальности, наряду с электрическими зарядами, занимает электромагнитное поле, то в теории относительности на месте электромагнитного поля фигурирует четырехмерное пространство-время. Оно выступает центральным действующим персоналием во всех релятивистских построениях. В этой связи, Эйнштейну казалось наиболее естественным перенести метод дифференциального исчисления, успешно работающий в электромагнитной теории поля, на создаваемую им теорию относительности. К тому же, предполога-емое тождество электромагнитных и оптических процессов, фактически предопределило для автора теории относительности использование уравнений электромагнитной теории, включая лоренцовские преобразования систем координатных осей.
Надо, конечно, отдавать должное. Эйнштейн никогда не был слепым проводником математических решений электромагнитной теории, механически перенося их в релятивисткую теорию движения. Достаточно вспомнить, как настойчиво он подбирал для этих решений геометрические эквиваленты, в надежде, что геометрия окажется в состоянии спроецировать на себя объективные физические свойства четырехмерного пространства-времени и позволит сформулировать единую теорию поля. Именно такую всеобъемлющую теорию, в которой четырехмерное пространство-время и материальные объекты вещества будут сосуществовать настолько гармонично, что это позволит интерпритировать любые физические взаимодействия некоторыми универсальными метрическими соотношениями. Что тут скажешь? Разумеется, геометрию можно рассматривать как науку, способную проецировать на себя логику физических взаимодействий, происходящих с веществом в пространстве-времени, и рассматривать их в топологическом выражении. Однако, топология теории относительности, в четырехмерном геометрическом исполнении, не делает эту теорию свободной от целого комплекса проблем, возникающих после решения интервала (152, извлекаемого из энштейновского четырехмерного пространства-времени.
Для того, чтобы освободить теорию относительности от необходимости применения дифференцированного интервала, вовсе не обязательно производить над ней какие-то замысловатые многоходовые операции. Для этого достаточно вывести понятие «событие» за пределы точки и дать ему квантовое пространственно-временное определение. Если нам удастся наполнить понятие «событие» квантовым содержанием, мы сможем рассматривать контрольное событие, как минимальный элемент движения — как квант относительной скорости.
Квантовое событие позволит раз и навсегда покончить с необходимостью использования диффиринцированного интервала, при описании движения. Потому что пространственно-временных характеристик одного контрольного события окажется вполне достаточно для количественной оценки относительной скорости.
Расставшись с интервалом, мы, во-первых, снимем проблему перехода этого пространственно-временного интервала в вещество. Или, наоборот, перехода вещества в пространство-время. О чем говорилось выше и во что безнадежно упирается теория относительности.
Во-вторых, с выводом понятия «событие» за пределы точки, у нас появится возможность отслеживать поступательный ход движения в любой фиксированный момент текущего времени. Местонахождение контрольного события будет охваты-ватся протяженным квантовым пакетом. Следовательно, потеряет всякий смысл утверждение, по которому — острие летящей стрелы может находиться в некоторой локальной, математической точке. Местонахождением острия летящей стрелы, станет неделимое квантовое событие и мы, наконец, навсегда покончим с парадоксами движения, сформулированными еще в античные времена Зеноном.
И, в-третьих, событие, облаченное в квантовую форму, сможет естественным образом реагировать на пространственно-временную топологию. То есть, контрольное событие окажется в состоянии принимать на себя метрические установки искривленного пространства-времени и поддаваться влиянию его топологии. В полном соответствии с принципом эквивалентности.
Эксперементальная физика убедительно демонстрирует, что в области микромира существование материальных объектов вещества подчинено корпускулярно-волновым закономерностям. Соответственно, исчерпывающая теория о перемещении материальных объектов друг относительно друга должна отражать эту объективную реальность и органично сочетать в себе обе формы — как корпускулярного, так и волнового движения. Теория относительности, между тем, откровенно «игнорирует» корпускулярно-волновой дуализм, будто ей нет никакого дела до этой несомненной физической реальности. Эйнштейн, ученый крайне последовательный и повсюду ратующий за бережное обращение к экспериментам, прилагал огромные усилия к устранению столь явного несоответствия его теории движения логике непосредственного опыта.
Возникает резонный интерес, что же препятствовало автору теории относительности задействовать в ее орбите квантовые закономерности? Что мешало вывести категорию "событие" за пределы геометрической точки и предать "событию" квантовое теоретическое наполнение, позволяющее избавиться от услуг дифференцированного интервала <152. Такая причина есть на самом деле, она кроется в недрах выбора математического аппарата теории относительности и интерпретации его топологического базиса. Чтобы добраться до истоков этих причин, надо поразмышлять над справедливостью установления метрической сигнатуры пространственно-временных соотношений, рассматриваемых в теории относительности. Иными словами, необходимо выяснить, действительно ли пространственно-временная топология уравнений теории относительности является выражением четырехмерного геометрического многообразия?
В этой связи попытаемся разобраться, откуда, собственно, взялось количество "четыре", почему именно четыре координатные оси представляют пространство-время в теории относительности? Принято думать, что эйнштейновские четырехмерные координатные сетки возникают вследствии сложения трех пространственных координатных осей и одной временной. Теория относительности, однако, категорически утверждает, что никакого трехмерного пространства в природе не существует и не существует абсолютного одномерного времени. В таком случае получается, что четырехмерные координатные системы возникают после сложения геометрических измерений принадлежащих несуществующим в действительности физическим категориям. То есть количество "четыре", характеризующее сигнатуру уравнений теории относительности, взято после сложения метрических измерений не существующих в природе геометрических корфигураций. Мы складываем то, чего нет в природе, но при этом рассчитываем обрести нечто реальное.
Выбор математического и понятийного аппарата в теории относительности, и вообще в физике, очень тесно увязан с выбором геометрии, с подбором метрической сигнатуры на которую накладываются ее уравнения и понятийные формулировки. Отсюда проистекает особая ответственность проблематики. Брать что-то не вполне вразумительное и прибавлять к чему-то такому же непонятному, при установлении геометрической сигнатуры исследуемого пространственно-временного многообразия, представляется совершенно недопустимым. Таким же недопустимы?.! надо рассматривать прочтение уравнения Минковского в четырехмерной метрической сигнатуре.
Мы уже отмечали, что привязка уравнения к четырем координатным осям находится в логическом противоречии с размерностью выражения. В вопросе установления геометрии применяемого математического аппарата не может быть никакой двухсмысленности. Между тем, совершенно непонятно, каким образом одна координатная ось, объявленная «осью времени», может нести на себе размерность м-сек/сек. В соответствии с размерностью наиболее естественно рассматривать это выражение, как некую доселе невыявленную трехразрядную функцию, развернутую в трехмерной координатной системе, несущей на своих осях разметку м-сек/сек. В этой связи возникает предположение, что метрическая конфигурация уравнения Минковского базируется не на четырех, а на шести координатных измерениях. Имея в виду сумму из трех координатных осей представленных в выражении, и трех декартовых пространственных координат (х2 + у2 + г2).
Для того чтобы определить подлинную топологию уравнения Минковского и, следовательно, установить его истинную сигнатуру, необходимо тщательно проанализировать пропс-хождение и назначение этого равенства.
Рассуждая о происхождении уравнения Минковского, впрочем, как и происхождение любого иного уравнения физики, следует иметь в виду, что никогда не следует рассматривать математические решения, как прямые аналоговые модели объективной реальности. Все уравнения физики являются непосредственными аналогами некоторых измерительных процедур, с помощью которых исследователь контактирует с внешним миром. Экспериментально-измерительные процедуры лежат в основе всего процесса познания, именно они позволяют ученым взаимодействовать с действительностью и црдбирать для нее адекватные понятийные и математические эквиваленты. Таким образом, уравнения физики выступают математической копией не объективной реальности, в ее чистом виде, но исключительно математической копией результатов некоторых инструментально-мерительных манипуляций, позволяющих производить количественную оценку наблюдаемых явлений природы.
Мы чаще всего не задумываемся, но даже самое обыденное физическое утверждение: «батон хлеба весит один килограмм», на самом деле означает, что в нашем распоряжении имеется измерительная процедура, в соответствии с которой данная хлебная масса может быть приведена в равновесное состояние с килограммовым весовым эталоном. Вне измерительной процедуры, утверждение: «батон хлеба весит один килограмм» не имеет реального физического смысла. Точно так же, когда мы заявляем, что: «пространство-время теории относительности является выражением четырехмерного геометрического многообразия», это в действительности должно означать, что в нашем распоряжении имеются объективные инструментально-измерительные процедуры, позволяющие устанавливать четырехмерность геометрической топологии данного пространства-времени. При этом количество координатных измерений, исследуемого пространства-времени, будет соответствовать четырехмерному математическому многообразию только в том случае, если метрика лабораторных инструментов, позволяющих полностью охватывать геометрические свойства этого пространства-времени, будет заключать в себе четыре независимые координатные оси.
Знаменитое уравнение Германа Минковского построено на измерительной процедуре, которая предполагает наличие конкретного лабораторного инструментария, тождественного каждому из его членов-аргументов. Так, например, за аргументом (х2 + у2 + 22) стоит декартова система состоящая из трех пространственных координатных осей. Декартова координатная система является геометрическим мерительным инструментом, состоящим из трех линейных метрических эталонов, расположенных друг относительно друга под прямым углом. Любое событие или контрольный объект, поддающийся измерению с помощью такого нехитрого инструментария, могут быть представлены и описаны, как элемент трехмерного пространственного геометрического многообразия.
За аргументом, в уравнении Минковского, стоят два самостоятельных лабораторных инструмента — световой сигнал и традиционный хронометр. Эти два лабораторных прибора позволяют, с использованием светового сигнала и изохронно идущих часов, отсекать в пространстве контрольные точки и устанавливать между ними светоподобную связь. Умение устанавливать светоподобную или, что одно и то же, временно-подобную связь между двумя точками пространства, позволяет рассматривать движение, как результат распространения во временном метрическом плане.
Классическая механика описывала движение в пространстве и времени взятых по отдельности только потому, что была неспособна привести пространство и время к единой математической ткани. Исаак Ньютон не знал, как можно к секундам прибавлять или вычитать метры, без чего невозможно совместить в одном математическом решении элементы пространства и времени. Когда мы научились устанавливать временноподоб-ную связь между двумя точками пространства, методом произведения скорости света и некоторого периода времени, у нас появилась возможность перевода временного интервала в интервал пространственный. Как следствие, мы обрели способность из переведенного в пространственный интервал некоторого периода времени (сО:> вычитать (х+ у2 + г2). Сравнительный математический анализ результатов движения, в переведенном в пространство временном интервале и в декартовой координатной системе, как раз и присутствует в математической фактуре уравнения Минковского.
Как видим, топология уравнения предполагает наличие трех мерительных инструментов. Это декартова система пространственных координатных осей, световой сигнал и надежный хронометр. Применение трех лабораторных приборов позволяет исследователю совмещать относительное движение в пространстве и времени. В результате чего возникает некоторый совмещенный пространственно-временной интервал, характеризующий величину относительной скорости.
Теперь, руководствуясь соображениями здравого смысла, по которому любая координатная система или координатная ось является математическим аналогом некоторого мерительного инструментария, попытаемся выяснить истинную сигнатуру, стоящую за уравнением. Иными словами, выясним, сколько координатных осей задействовано в равенстве и какова их реальная топологическая подоплека?
Обыкновенно считается, что уравнение Минковского составлено в сигнатуре (3 + 1), когда 3 — это три декартовы пространственные координатные оси, а 1 — координатная ось времени. При этом предполагается, что топология траектории светового сигнала, заключенного в выражении, как бы распадается и проецируется на одну пространственную ось декартовой системы координат и на координатную ось времени. В таком случае делается вывод, что сигнатура уравнения соответствует некоторому четырехмерному геометрическому многообразию и состоит из четырех координатных осей.
Между тем в только что приведенном логическом рассуждении скрыта очень коварная методологическая ошибка, уводящая нас от истинного прочтения топологии уравнения Минковского. Такой ошибкой следует признать произвольное, ничем необоснованное, размежевание метрики траектории светового сигнала на одну декартову координатную ось и координатную ось времени.
Скорость света, во всех релятивистских уравнениях, это не результат игры нашего воображения, а объективная физическая реальность, закрепленная световыми постулатами. В уравнении Минковского, эта объективная реальность фигурирует, как полноправный мерительный инструмент, наряду с декартовой координатной системой и лабораторными часами. Каждый мерительный инструмент является эталонной метрической мерой, так сказать, «истинной в последней инстанции», которая не предполагает каких-то дополнительных замеров, иными мерительными эталонами. Стало быть каждый мерительный инструмент располагает своей собственной метрической топологией, безотносительно к метрике иных лабораторных приборов, участвующих в эксперименте.
Когда исследователь произвольно приписывает какому-либо мерительному инструменту топологические параметры других лабораторных средств, он совершает уничтожающий акт. Так, лишая траекторию светового сигнала своей собственной, эталонной пространственно-временной метрики, мы выводим световой сигнал из ряда лабораторных приборов объективно участвующих в эксперименте. Процедура регистрации пространственного интервала, заключенного в выражении , не предполагает наличия каких-либо линейных эталонов. Такая регистрация осуществляется методом отсечки двух контрольных точек пространства с помощью светового сигнала и лабораторных часов. Здесь применяется совершенно особый измерительный инструмент, не имеющий никакого отношения к линейным метрическим эталонам и, следовательно, к декартовым координатным осям. Поэтому откровенно неправомерными выглядят попытки привязывания метрики траектории прохождения светового сигнала к декартовой пространственной координатной оси.
Для того чтобы не подвергать метрику скорости света ненужным разделительным процедурам, ничего не надо выдумывать сверхестественного. Просто следует научиться воспринимать траекторию прохождения светового сигнала, как совмещенную двухразрядную координатную ось, несущую на себе размерность м/сек. То есть, следует признать что топология траектории светового сигнала принципиально не поддается метрическому размежеванию и всегда должна рассматриваться, как двухмерная геометрическая реальность, состоящая из двух, какбы наложенных одна на другую координатных осей пространства и времени.
Весь эвристический релятивистский смысл уравнения обуславливается наличием в нем траектории светового сигнала, пространственно-временная топология которого фигурирует, как нераздельная, двухмерная геометрическая реальность. Стоит только разнести топологию траектории светового сигнала на отдельно взятые координатные измерения пространства и времени, и наше мировоззрение тотчас окажется в объятиях ньютоновской механики. Совмещенная пространственно-временная метрика траектории прохождения светового сигнала выступает тем связующим звеном, с помощью которого преодолеваются классические представления о пространстве и времени, как о физических категориях существующих независимо друг от друга.
Возвращаясь к вопросу об установлении подлинной топологии уравнения Минковского, приходится согласиться, что общая метрика выражения , должна отождествляться не с одним координатным измерением, но с трехмерным геометрическим многообразием, состоящим из двухмерной траектории скорости света, плюс координатная ось времени. В таком случае можно с уверенностью констатировать, что истинная геометрия ключевого уравнения теории относительности не имеет никакого отношения к четырехмерным координатным системам. Потому что первый член правой части уравнения (3.1), содержит в себе три метрических измерения, и второй член, соответственность (х2 + у2 + г2), заключает в себе три координатных измерения самостоятельного толка. Тогда полная сигнатура уравнения Минковского должно интерпретироваться, как (3 + 3), что соотествует шестимерному геометрического многообразию.
Знаменательно, что шестимерная трактовка ключевого уравнения теории относительности позволяет рассматривать это решение в режиме корпускулярно-волповых закономерностей. Согласно релятивистских воззрений, уравнение (3.1) задает траекторию перемещения материального объекта в пространственно-временном метрическом многообразии. Перемещение в пространственном топологическом плане осуществляется по трем декартовым координатным осям. Перемещение во временном метрическом плане, реализуется в трехразрядной координатной системе, несущей на себе размерность выражения. Если в трех декартовых координатных измерениях движение осуществляется на основе корпускулярных закономерностей, когда происходит классический перенос вещества из одной области пространства в другую, то перемещение во временном метрическом плане, очевидным образом, должно реализоваться согласно волновых закономерностей. Потому что перемещение во времени — это есть качественное изменение физического состояния наблюдаемого объекта. Каждый из нас, проживая свой век от детства до старости, являет наглядный пример качественного изменения во времени. В механике, движение основанное на качественном изменении физического состоятия системы или среды, характерно именно для волновых процессов.
О волновой природе относительного движения, во временном метрическом плане ключевого уравнения теории относительности, убедительно свидетельствует размерность выражения . В соответствии с данной размерностью, геометрический эквивалент, стоящий за (сО~, должен интерпритпро-ваться, как некоторая волновая функция, развернутая в адекватной координатной системе, несущей на своих осях разметку м-сек/сек. Тогда истинный смысл уравнения Германа Минковского заключается в том, что искомый интервал наблюдаемого относительного движения — 52, определяется путем вычитания некоторого пространственного интервала из длины волновой функции, развернутой в координатной системе.
Из всего вышеизложенного можно заключить, что уравнение Минковского, как ни одно другое решение квантовой физики, отвечает режиму корпускулярно-волнового дуализма. Чтобы последовательно осмыслить и раскрыть природу относительного движения, мы должны задействовать в своих теоретических рассуждениях две самодостаточные концепции реализации относительного движения — корпускулярную и волновую, которые связаны между собой известным принципом дополнительности. Соотношение между этими двумя теориями движения, по правилу квантовой неопределенности, должно иметь такую зависимость, чтобы чем явственей мы принимали сторону корпускулярного или волнового движения, тем дальше отходили от противостоящего динамического вида.
Теория относительности, в эйнштейновском понятийном и математическом исполнении, является по преимуществу теорией движения корпускулярного толка. Перемещающийся материальный объект выступает в ней, как стационарно сформированная масса вещества. Масса, которая в ходе относительного движения изымается из одной области четырехмерного пространства-времени и помещается в другую его область. Тогда, как в соответствии с волновыми закономерностями, перемещающаяся масса вещества дожна интерпретироваться как пробегающая, возмущенная локальная область принятого пространственно-временного континуума, несущая на собе энергию. При этом, в каждый новый момент текущего времени, очередная локальная область пространства-времени будет приходиться материальной платформой перемещающейся массы вещества.
Настоящее теоретическое исследование, ставит своей целью разработку именно волновой теории относительного движения, которая по правилу квантовой неопределенности органично дополнит традиционного, скажем так, корпускулярную теорию относительности. Если традиционная теория относительности акцентировано опирается на корпускулярные формы движения, поддающиеся наглядным представлениям в пространственном метрическом плане (х2 + у2 + г2), то волновая теория относительности базируется по преимуществу на волновых закономерностях, успешно работающих во временном топологическом плане, стоящим за метрической структурой выражения. Само это выражение, следовательно, мы будем рассматривать, как некоторую волновую функцию, в соответствии с которой реализуется волновое относительное движение. Зная характеристики такой волновой функции, можно будет находить фазовую, равно как относительную скорость перемещения материального объекта в принятом персональном пространственно-временном континууме.
Борис Дмитриев