§4 Пространство – качество объектов
Пространство, как и время, относится к элементарным базовым понятиям. Создатели теории струн сказали о пространстве следующее, – «Как бы странно это ни звучало, но мы предпочитаем сохранять понятие пространства весьма расплывчатым по той причине, что оно подразумевает многое, для чего мы не имеем других обозначений»2. В отличие от времени, оно реально (кроме искусственно созданных математических пространств). Оторванное от реальности идеальное бесконечное пространство, как вместилище всего сущего, это представление одной из характеристик реального пространства в отрыве от его сути. Всё сущее можно посчитать, но это не значит, что числа содержат в себе весь реальный мир.
Пространство можно отнести к параметрам материи. Каждое материальное образование, имеющее массу, обладает собственным трёхмерным пространством. В нашем представлении поставим знак тождества между пространством и гравитацией в пространстве. Пространства всех объектов, существующих во Вселенной, объединены в одно пространство Вселенной. Гравитационное поле всех объектов Вселенной образует её общее гравитационное поле, это признанный факт. Пространство имеет три метрических параметра воспринимаемых, как протяжённость, и один количественный параметр, связанный с гравитацией – плотность.
Наблюдаемое нами пространство трёхмерно. То есть имеет три взаимно перпендикулярных независимых метрических измерения. Часть объектов во Вселенной могут иметь собственное двухмерное, а иногда и одномерное пространство, что можно обнаружить, изучая взаимодействие таких объектов с другими объектами. Под плотностью пространства понимается величина пропорциональная гравитационному потенциалу в данной метрической области пространства. О гравитационном потенциале поговорим позднее, а пока сформулируем представление о пространстве.
Определение
Пространство – качество материальных объектов, которое может быть описано тремя параметрами протяжённости и одним параметром плотности. Гравитационное поле материальных объектов рассматривается как параметр пространства, определяющий его плотность.
В этом определении нет ничего сверхъестественного. Такое пространство не вызывает вопросов о том, что находится за границами Вселенной. Везде, где есть материальные тела, есть пространство. А где материальных тел нет, нет и материального пространства. Мы туда поместили пространство параметрическое.
Собственное пространство масс не однородно. Оно уплотнено вблизи массивных объектов и разрежено вдали от больших масс. Свойствами пространства определяется гравитационное взаимодействие между объектами во вселенной, а также распространение электромагнитных колебаний. В практике часто принимают понятие пустого пространства, определяемого, как вакуум. Но известно, что пустота вакуума условна. Понятие вакуума, как абсолютной пустоты, уже ушло из физики, он стал физическим. В определённых условиях может быть обнаружена некоторая внутренняя структура вакуума, которая, наполняет само пространство, делает его вполне материальным, а не идеальным представлением. В нашей модели вакуум – проявление среды Мироздания, доступное в физическом пространстве.
Массивные материальные объекты, включая и человека, не могут существовать вне пространства или в каком-либо пространстве с иным числом измерений, чем три, поскольку сами обладают таким пространством.
Пространство обладает протяжённостью. Это значит, что мы можем измерять длину, ширину и высоту, сравнивая их с некоторой созданной нами мерой. Такие меры создавались всегда. Иногда это были части тела, иногда созданные меры длины, а для больших расстояний применялись даже дни пути.
Теперь основной мерой длины является знакомый всем метр. В системе CL примем за единицу длины линию (line), обозначим как L. Длина одной линии соответствует 1000000 метров (1000 километров).
Линия: 1L=1000000 м.
Определить меру длины можно так:
Одна линия равна 30663318,99 длинам волн излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 в вакууме на поверхности Земли.
Значения меры длины и времени выбраны таким образом, чтобы скорость света C получила значение единицы. Отсюда можно определить единицу измерения времени.
Единица измерения времени один тайм установлена, как интервал ΔT между началом и завершением прохождения плоской волной расстояния в 1 линию в вакууме на поверхности Земли.
Пространство Вселенной не безгранично, и, в соответствии с теорией Альберта Эйнштейна, может быть искривлено. Но теория относительности, будучи основана на математических преобразованиях, не может объяснить физическую суть самого пространства. В общей теории относительности рассматривается искривлённое пространство, кривизна которого трудно осознаётся даже при демонстрации аналогий с натянутым полотном и массивными шарами. В нашем случае, наблюдаемая кривизна пространства объясняется неравномерностью его плотности, и ограничением скорости передачи взаимодействий в нём, которое, в свою очередь, тоже имеет под собой физическое обоснование.
Математическое описание физического пространства возможно с привлечением дополнительных пространственных измерений и введением континуума – пространства-времени, как это сделано в теории относительности. Но возможно и другое математическое описание пространства на основе представления о его плотности. Распространение электромагнитной волны в таком пространстве может быть описано, как распространение в среде с переменными оптическими свойствами.
Плотность – одна из часто используемых в физике и в математике величин. Можно, например, говорить о плотности распределения символов на этих страницах, или плотность распределения пикселей на площади электронного изображения. Но в нашем конкретном случае это плотность распределения массы пространства в его метрических координатах. Несколько ранее мы сказали, что пространство – качество массы, а теперь говорим о массе пространства. Дело в том, что масса и пространство неразделимы. Тот кусок материи, который мы называем массой, как часть себя содержит пространство, которое также имеет параметр, обозначаемый как масса. В системе CL массовую плотность материи в пространстве будем обозначать буквой ρ, а размерность её 1/T2.
На первый взгляд, размерность плотности странная, но после определения размерности массы всё встанет на свои места. Если размерность массы сейчас обозначить как W, то плотность этого вещества будет выражаться размерностью W/L3.
В привычных нам единицах плотность выражается отношением количества некоторого параметра к метрическому объёму пространства, занимаемому этим количеством. В системе СИ массовая плотность измеряется в кг/м3. В случае поверхностной плотности каких-либо единиц (ед.) в системе CL размерность выражается как ед./L2. В системе СИ – ед/м2.
Плотность пространства можно определить как массовую плотность, поскольку есть представление о массе и радиусе Вселенной. Величина пропорциональная массовой плотности – гравитационный потенциал3. Гравитационный потенциал снижается обратно пропорционально расстоянию от массивного тела. Мы будем применять гравитационный потенциал, как аналог плотности пространства.
В современных космологических теориях, рассматривающих варианты физической сути среды, в которой существует наш мир, есть представления о физическом вакууме, тёмной материи, тёмной энергии, излучений, возникших на ранних стадиях существования Вселенной. Но важнейшее место в космологических теориях и гипотезах об устройстве пространства Вселенной занимает гравитация.
На основании работ А. Эйнштейна, А. Фридмана и других физиков, стало понятно, что Вселенная не может существовать в бесконечном неизменном пространстве в стационарном состоянии. Вселенная получила массу и радиус. Пространство Вселенной представляется теперь как псевдориманово или пространство Минковского. Но при этом, пространство, при всей сложности его математического описания, не стало физическим. По современным представлениям гравитация, физический вакуум, другие виды материи, которые все вместе обеспечивают возможность существования Вселенной в наблюдаемом виде, находятся в этом пространстве. Есть попытки объяснять пространство, как свойство материи проявлять протяжённость.
По нашему представлению гравитация является составной частью пространства, а физический вакуум определяет его микроструктуру. Представление о гравитации, как искривлении пространства, введённое А. Эйнштейном, не приблизило пространство к физическому виду, а перенесло гравитацию в геометрический вид.
Пространство – свойство массы.
Это не значит, что следует перечеркнуть все другие представления физиков. Это только позволит нам получить материальное объяснение сути пространства.
Пространства всех объектов Вселенной объединены в единое пространство Вселенной.
Качественно пространство отдельного массивного объекта можно представить себе как поле. У таких полей в математике есть название – аффинные. В нашем пространстве есть точки, определяющие метрические свойства (скалярные координаты и векторные радиусы) и величины, связанные с напряжённостью (векторные) и потенциалом гравитационного поля (скалярные). У пространства одного объекта есть абсолютная точка отсчёта – центр масс этого объекта. «Зафиксировать» метрические координаты возможно либо при наличии минимум четырёх объектов, не лежащих в одной плоскости, пространства которых объединятся, либо при наличии трёх, вращающихся вокруг своих осей, массивных объектов, оси вращения которых определят оси метрических координат.
Минимально возможная вселенная в Мироздании, где условия будут похожи на условия в нашей Вселенной, должна состоять не менее чем из четырёх массивных объектов. Пространство такой вселенной будет изменять свою метрику при удалении от центра масс этих четырёх объектов. Плотность пространства будет снижаться, соответственно будет увеличиваться длина волны света направленного к окраинам вселенной. С точки зрения наблюдателей в этой вселенной, скорость света всегда останется постоянной, поскольку нет ничего, с чем её можно было бы сравнить.
В нашей Вселенной увидеть такой эффект сложно. Если только найти такую точку наблюдения, когда вся масса вселенной окажется сгруппированной в компактной области. Но в современном представлении таких выделенных точек во Вселенной нет.
Скорость света численно равна плотности пространства – гравитационному потенциалу, создаваемому всей массой Вселенной c2 =|ФUn| (потенциал гравитационного поля считается отрицательным).
И это вполне логично. Гравитационный потенциал равен отношению потенциальной энергии материальной точки, помещённой в рассматриваемую точку гравитационного поля, к массе этой точки. Это значит, что при падении с расстояния, стремящегося к бесконечности, в любую точку Вселенной, пробное тело приобретёт скорость равную скорости света, то есть, максимально возможную скорость во Вселенной. Реально удалить массивное тело из Вселенной невозможно, но при аннигиляции массивного тела, его масса будет уничтожена и выделится энергия mc2. Эта ситуация аналогична удалению массы из Вселенной. Все тела, составляющие Вселенную, имеют массы заведомо меньшие массы всей Вселенной.
При этом, заметьте, при другом значении гравитационного потенциала и, казалось бы, изменении скорости света, мы это изменение не увидим. Для нас, с нашими физическими мерами и принципами их образования, всё останется, как было, даже численное значение гравитационного потенциала всей массы Вселенной. Мы не можем зафиксировать какие-либо внутренние параметры Вселенной, которые не связаны со скоростью распространения света в ней, а взглянуть на Вселенную снаружи, нам тоже не дано. Поэтому средний гравитационный потенциал Вселенной можно отнести к фундаментальным константам, как и скорость света. Только измерить гравитационный потенциал Вселенной неизмеримо сложнее, чем скорость света.
Гравитационный потенциал определяет плотность пространства, а значит и его оптические свойства. Для отдельных областей пространства гравитационный потенциал в некоторых пределах меняет свою локальную величину из-за неравномерного распределения массы в пространстве. Это приводит к появлению наблюдаемых гравитационных линз. При отсутствии гравитационного поля свет распространяться не сможет. Пустое метрическое пространство не может содержать в себе материальные объекты.
В теории относительности скорость света считается абсолютной константой. Это приводит к изменениям наблюдаемых линейных размеров движущихся объектов. В нашем случае само пространство имеет разную метрику в областях с разным значением его плотности (гравитационного потенциала). От того, в каком месте мы будем создавать наши эталонные меры длины и времени, изменится не скорость света, а другие физические величины, например, длина волны излучения электрона при переходе с одного уровня на другой в атоме конкретного элемента. Поэтому при определении меры длины необходимо зафиксировать условия, в которых она устанавливается, что и было сделано при определении мер в системе CL.
В этих рассуждениях можно усмотреть объяснение ещё одному эффекту. Мы наблюдаем ту часть Вселенной, которая достаточно равномерно заполнена массами. Если представить себе всю Вселенную как жидкий шар, в котором есть объекты более или менее плотные, чем средняя плотность вселенной, часть объектов должна «тонуть», а другая часть «всплывать». Поскольку в искривлённом пространстве Вселенной невозможно найти центр масс, всплытие должно выглядеть, как расширение всего пространства. Это значит, что группы объектов связанных между собой их гравитацией, ведут себя как единые объекты с плотностью меньшей или большей, чем средняя плотность Вселенной. Для большинства галактик мы можем определить, что их плотность меньше средней плотности Вселенной.