Объектом изучения физики является реальное физическое пространство-время с ее материальными составляющими. Метод изучения – формулирование математических моделей этой реальности. Основные составляющие модели – пространство, время и материя. И, конечно, взаимодействия. Цель - найти законы, коррелирующие эти "человеческие" (т.е. придуманные человеком) понятия.
Пространство и время
Математической моделью физического пространства можно взять евклидово 3-мерное пространство, а математической моделью физического времени можно взять 1-мерное пространство. Объединяя эти два пространства, получаем 4-мерное пространство-время. Параметризация физического пространства осуществляется пространственными координатными осями r ~ r ⁱ : (r¹ , r², r³), а параметризация физического времени - координатой t. Общую параметризацию можно осуществить координатами q = q ⁱ :(qº, q¹ , q², q³) ~ (t, r ⁱ ), Координаты r и t играют особую роль в понимании природы, потому что именно через них человек познает мир и именно они доступны в наших ощущениях для познания Вселенной. Размерность подпространства t – единица, подпространства r ⁱ– три, общая размерность пространства–времени – четыре. Через них определяется геометрия пространства, ее метрика. Но этим, возможно, не исчерпываются размерности пространства.
Материя
У нас еще не определена материя. Определенное выше пространство-время является вместилищем для ее материальной составляющей. Встает вопрос – вместилище чего? Раз мы оперируем абстрактными математическими моделями реальной Природы, то "вмещаемые" также являются абстрактными математическими объектами. Например, функциями, которые отличают одну точку пространства-времени от другой. Такой функцией, практически тривиальной, лежащей прямо на виду, являются координаты пространства-времени: две точки с отличающимися координатами, являются двумя "материальными составляющими пространства-времени. Т.е. уже само наличие пространства-времени можно принять в качестве интерпретации доказательства существования материи.
Существование материи в пространстве может быть определено ненулевыми инвариантными функционалами некой математической функции, интерпретируемой как материя. Математической моделью дискретной материи являются материальная точка (м.т. или с.м.т. – система материальных точек) с параметрами "масса" и "заряд" (расширенно - заряды). Математической моделью полевой (или сплошной) материи являются плотность распределения материи в пространстве-времени с параметрами "плотность массы" и " плотность заряда". Все остальное суть их следствия, а это – энергия, скорость, ускорение, сила, импульс, момент импульса, ток и другие параметры материальной субстанции.
Материя, пространство, время как одно целое неделимое
В определенной выше концепции пространство и время существуют независимо друг от друга и от матери. Но материя в форме функции по пространству-времени не может существовать вне пространства-времени. Поэтому в современной физике постулируется, что материя, пространство и время взаимосвязаны и не существуют врозь. В нашей физической модели мы тоже постулируем эту же взаимосвязь – материя есть свойство пространства-времени, пространство и время есть способ существования материи. Эта взаимосвязь во времени определяется как "движение" материи.
Крайними формами существования материи являются дискретные объекты типа м.т. и их системы. Другая крайность – полевая форма существования материи. Пустое пространство – это пространство, заполненное материей с нулевым функционалом. Пустое – не в смысле математического "пустого множества", что означает, что ее не существует, что в ней вообще нет никаких элементов, тем более - структур. Пустое – в смысле, что оно не математически "пустое множество", что в ней имеются отличимые друг от друга элементы, точки, другие объекты, но таким образом, что пространство-время остается однородным, изотропным и с другими внутренними симметриями.
Математически единство пространства-времени-материи проявляется через различные физические и геометрические полевые и дискретные функции и их композиции. Крайностями этого описания являются
1) пустое однородное изотропное без особенностей пространство;
2) дискретные точечные физические объекты в пространстве;
3) физические поля в евклидовом пространстве и
4) многомерное топологическое метрическое (риманово или галилеево) пространство.
Пустое пространство (1) возможно, но изучать ее некому. Оно однородно, изотропно и не имеет структуры. Но в пустое пространство можно вложить (не)однородно и (не)изотропно вложенную функцию-материю (2) и (3), и/или определить ее структуру (4) и изучать ее. Однородная и изотропная материя уже есть однородное и изотропное пространство-время-материя. Многомерное топологическое метрическое пространство (4) уже имеет структурные особенности, которые можно интерпретировать как дискретную и/или полевую физическую материальность.
Если модель физического пространства изучается в полном объеме, без упрощения, то физика пространства определяется через функции от обобщенных многомерных (бесконечномерных) координат, задающие свойства каждого объекта (точки) физического пространства во всех измерениях. Эти свойства могут быть интерпретированы как материальные поля либо как геометрические свойства физического пространства.
Если модель физического пространства изучается не в полном объеме, с упрощением, то физика пространства может определяться через функции от координат некоторого выделенного подпространства, в частности R¹×R³. Переход к этому 4–мерному пространству будет происходить свертыванием (вымораживанием) лишних измерений. Дополнительные измерения могут рассматриваться как самостоятельно (см. предыдущий случай), так и могут изучаться упрощенно через поля обобщенных свойств в пространстве дополнительных измерений.
С другой стороны, что полно – а что упрощенно? Может сказать только эксперимент.
Существенной особенностью физического рассмотрения пространства является то, что человек фиксирует только некоторые дискретные объекты и события, "интегрального" характера. Следствием этого (или наоборот?) является то, что мы начинаем оперировать понятиями "материальный объект", "материальная точка", "элементарная частица", "квант поля", "событие". Т.е. свойства пространства должны допускать какую–то дискретизацию своего состояния. В механике таким объектом является материальная точка и материальный объект.
Мои странички на Дзен: ВАЛЕРИЙ ТИМИН
Ссылка на мою статью Как написать формулы в статье на Дзен?
Если вам понравилась статья, то поставьте "лайк" и подпишитесь на канал! Если не понравилась – все равно комментируйте и подписывайтесь. Этим вы поможете каналу. И делитесь ссылками в ваших соцсетях!
Если хотите узнать, что обозначает слово или словосочетание, в ОПЕРЕ выделите это слово(сочетание), нажмите правую клавишу мыши и выберите "Искать в ...", далее - "Yandex". Если это текстовая ссылка – выделите ее, нажмите правую клавишу мыши, выберите "перейти …". Все! О-ля-ля!