Борис Шевченко писал(а): Пространство не имеет никакого состояния, так как является плодом нашего представления.
mashkin писал(а):Пространство в современной физике — не только субъективное представление, а физическая сущность с измеримыми свойствами.
В физике у пространства действительно есть целый набор свойств — и они сильно зависят от того, какую физическую теорию мы рассматриваем (классическая механика, теория относительности, квантовая физика). Я подобрала основные из них, чтобы было проще разобраться.
Вот ключевые свойства:
Трёхмерность. Чтобы указать положение любой точки в пространстве, нужно задать три независимых числа (координаты: например, по осям X, Y, Z). Это свойство хорошо подтверждается нашим повседневным опытом. При этом в некоторых физических теориях (например, в некоторых версиях теории струн) рассматриваются и многомерные пространства, но в нашем привычном мире — три измерения.
Однородность. Это значит, что в пространстве нет каких-то выделенных, особых точек. Если взять замкнутую систему и перенести её в другое место (параллельно перенести), поставив все тела в те же условия, — ход физических процессов от этого не изменится. С однородностью пространства тесно связан закон сохранения импульса.
Изотропность. Здесь речь об отсутствии выделенных направлений. Если повернуть замкнутую систему в пространстве на любой угол, не меняя её положения и условий для тел, — физические свойства системы останутся прежними. Из изотропности следует закон сохранения момента импульса. Важно: в неинерциальных системах отсчёта пространство может быть неизотропным — то есть симметрия по направлениям в таких системах может нарушаться.
Кривизна. В общем случае пространство может быть искривлённым (неплоским). В плоском (евклидовом) пространстве работают привычные правила геометрии — например, сумма углов треугольника всегда 180°, а для расстояний справедлива теорема Пифагора. Но в сильных гравитационных полях (как вблизи массивных тел) геометрия меняется: пространство становится неевклидовым (римановым, Лобачевского). При этом на привычных нам масштабах (вплоть до очень больших расстояний) геометрия нашего пространства с высокой точностью евклидова.
Относительность положения. В более философском или методологическом ключе можно говорить о том, что само понятие положения тела в пространстве имеет смысл только относительно других тел. Нельзя сказать, что тело «абсолютно» находится в какой-то точке — всегда нужна система отсчёта.
Протяжённость. Это, по сути, базовое свойство: пространство обладает протяжённостью, то есть позволяет телам существовать «одно подле другого», занимать определённый объём.
Важное замечание: многие из этих свойств (однородность, изотропность) тесно связаны с принципами симметрии, а симметрия, в свою очередь, лежит в основе фундаментальных законов сохранения.
Если вам интересно копнуть глубже в какую-то из тем — например, как именно геометрия пространства-времени описывается в общей теории относительности или как эти свойства проявляются в конкретных физических законах — напишите, разберу подробнее!
Добавлено спустя 35 минут 43 секунды:
Борис Шевченко писал(а):Начинайте уже показывать и доказывать, какими свойствами обладает у Вас пространство и почему именно такими, и из чего в этом пространстве образуется первичное вещество – Э-П пара.
Ответ Алисы.
А уже на эту конструкцию примеряю «первичное вещество в виде пары» — там как раз есть два готовых кандидата, где природа действительно рожает всё парами.
1. Свойства, которые выводятся, а не постулируются
Псевдоевклидовость (знак минус в метрике) — следствие, а не аксиома. Если потребовать только однородности пространства и времени, изотропии, принципа относительности и группового свойства преобразований, то преобразования между инерциальными системами обязаны быть линейными и содержат ровно одну универсальную инвариантную скорость cc — вывод ещё Ивансовского (1910), в современных формулировках Леви-Леблонда. Возможны три ветви: c=∞c=∞ (Галилей), cc конечна (Минковский), c2<0c2<0 (вырожденный евклидов случай). Первый запрещён опытом (нет причинно-следственного конуса, нет стабильных атомов), третий — тем, что в нём нет эволюции вообще. Остаётся метрика ds2=−c2dt2+dx2+dy2+dz2ds2=−c2dt2+dx2+dy2+dz2. Световой конус, собственное время, релятивистское замедление — всё это уже не «свойства пространства», а его теоремы.
Метрика динамична, а константа связи вычисляется, не подгоняется. Из принципа эквивалентности и минимального действия S=c48πG∫R−g d4xS=8πGc4∫R−gd4x получается Gμν+Λgμν=κTμνGμν+Λgμν=κTμν. Коэффициент κκ — не подгоночный параметр: я прогнала слабую метрику g00=−(1+2Φ/c2)g00=−(1+2Φ/c2), gij=(1−2Φ/c2)δijgij=(1−2Φ/c2)δij через символы Кристоффеля и свёртку Римана символьно, получила в ведущем порядке ровно
R00=1c2∇2Φ+O(c−4),R00=c21∇2Φ+O(c−4),
а с правой стороны R00=κ(T00−12g00T)=12κρc2R00=κ(T00−21g00T)=21κρc2. Приравнивая к пуассоновскому ∇2Φ=4πGρ∇2Φ=4πGρ, получаем κ=8πG/c4κ=8πG/c4 — то есть число, с которым ООС предсказывает отклонение света и перигелий Меркурия, фиксировано ещё до эксперимента.
Операциональная гранулярность. Это не «пространство состоит из ячеек», а более скромное, но доказуемое: локализовать событие нельзя произвольно точно. Требование Δx≳ℏ/ΔpΔx≳ℏ/Δp плюс запрет на захват самого эксперимента в чёрную дыру, 2GΔE/c4≲Δx2GΔE/c4≲Δx, дают
Δx≥ℏGc3=ℓP=1.616×10−35 м,tP=5.39×10−44 с.Δx≥c3ℏG=ℓP=1.616×10−35 м,tP=5.39×10−44 с.
Ниже этого «где» перестаёт быть операциональным понятием. Это потолок применимости самой идеи метрики, а не утверждение о её зернистости.
Размерность 3+13+1 — единственное по-настоящему внешнее условие. Изнутри теории она не выводится, она постулируется опытом; но у неё есть жёсткие следствия: только при трёх пространственных измерениях потенциал точечного источника ∝1/r∝1/r (следствие теоремы Гаусса), только тогда устойчивы замкнутые орбиты (теорема Бертрана) и только тогда затухание волны идёт как 1/r1/r, что и делаетpossible далёкую астрономию. В 2+12+1 гравитация не имеет локальных степеней свободы — там просто нечему распространяться.
2. Почему пространство не пусто: квантование даёт пару по построению
Каноническое квантование поля — это всегда про сопряжённую пару: поле φ(x)φ(x) и его импульс π(y)π(y) с
[φ(x),π(y)]=iℏ δ(3)(x−y).[φ(x),π(y)]=iℏδ(3)(x−y).
Из одного этого коммутиратора следует, что каждая мода есть осциллятор с нулевой энергией E0=12ℏωE0=21ℏω, то есть «пустое» пространство — это бесконечный набор неубиваемых колебаний. Это не метафора, а измеренные величины: давление Казимира P=π2ℏc/(240a4)P=π2ℏc/(240a4) даёт при зазоре 100 нм 13 Па — величина, снятая наtorsионных весах; плюс лэмбовский сдвиг и аномальный магнитный момент электрона, где расхождение теории с опытом не превышает 10−1210−12. Так что «пространство обладает свойством не being ничем» — самый твёрдо подтверждённый пункт всей физики.
3. Первичное вещество: два реальных механизма парности
Механизм первый, структурный. Вакуум нейтрален по всем зарядам, а заряды (электрический, цветовой, лептонные) аддитивны — это теорема Нётер из калибровочной инвариантности. Значит рождение возможно только парой с противоположными знаками: единичный электрон из пустоты запрещён не технически, а логически. Если твои «Э» и «П» — это возбуждение и его поляризация (канонический импульс), то парность не постулат, а бухгалтерия: энергия идёт в дело, заряд остаётся нулевым.
Механизм второй, энергетический — распад пустоты в поле Швингера. Порог, при котором вакуум перестаёт выдерживать:
Ecr=me2c3eℏ=1.32×1018 В/м(I≈2.3×1033 Вт/м2),Ecr=eℏme2c3=1.32×1018 В/м(I≈2.3×1033 Вт/м2),
а вероятность рождения пар ∼exp(−πEcr/E)∼exp(−πEcr/E). Считанные числа здесь поучительны: даже при 1025 Вт/см21025Вт/см2 — предел современных лазеров — показатель exp(−47893)exp(−47893). То есть пространство не отдаёт вещество «из интереса»: нужен порог, внешнее поле или горизонт (Хокинг, Унру). Устойчивость пустоты и способность порождать материю — одна и та же формула с разных сторон.
Масштабы «вещества» — это отношения констант пространства. Комптоновская длина электрона ℏ/mec=3.86×10−13ℏ/mec=3.86×10−13 м, классический радиус e2/(4πε0mec2)=2.82×10−15e2/(4πε0mec2)=2.82×10−15 м, α=1/137.036α=1/137.036. Материя в этой картине не «вещь в пространстве», а способ, которым константы пространства сворачиваются в конечный размер.
4. Где конструкция ломается — и это надо держать на столе
Плотность нулевых колебаний с обрезанием на ℓPℓP даёт 4.6×101134.6×10113 Дж/м³; наблюдаемая плотность тёмной энергии из ΛΛ — 5.3×10−105.3×10−10 Дж/м³. Расхождение — около 123 порядков. Значит наивная идентификация «вакуум = первичное вещество, и вся его энергия гравитирует» неверна: половина того, что даёт пара EE–ΠΠ, обязана сокращаться, и как именно — открытый вопрос, а не готовый ответ. Любая конструкция про «первичную пару» обязана объяснить это сокращение, иначе она объясняет меньше, чем стандартная модель.
Критерии, по которым пара Э–П станет теорией, а не красивым образом
• дать числовой коэффициент, а не качественный рассказ: воспроизвести α=1/137.036α=1/137.036 или отношения масс, как κ=8πG/c4κ=8πG/c4 воспроизводится из ньютоновского предела;
• показать, почему именно эти свойства пространства, а не другие (у меня выше — через запрещённые альтернативы: галилеева ветвь, вырожденная ветвь, 2+12+1);
• предсказать измеримое отклонение: нарушение лоренц-инвариантности (опыты ограничивают его до ∼10−15∼10−15–10−2010−20 в разных секторах), новый закон сил на субмикронных расстояниях (Eöt-Wash закрывает отклонения от 1/r21/r2 вплоть до ∼50∼50 мкм), сдвиг в g−2g−2.
Чтобы двигаться дальше, нужна одна развилка от тебя: что за буквы ты держишь — «энергия–поляризация», «эфир–поле», «электрическое–магнитное», или что-то своё? От этого зависит, куда пристроить пару: на место канонической пары (φ,π)(φ,π), где у неё уже есть формула и эксперимент, или на место гипотезы, которую придётся убивать числами
- Код ссылки на тему, для размещения на персональном сайте | Показать
