ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ: ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ МАСШТАБОВ

Все разделы / Новое и интересное в науке

Автор: АНАКСАГОР КЭНЗ

"Человек - мера всех вещей".
Протагор.

Аннотация. В мире, в который мы живем, все находится движении, это наблюдаемый факт. Но, так же, является фактом и неравнозначность, и разномасштабность, природных объектов (эл. частицы, атомы, молекулы, микробы, муравьи, дома, небоскребы, горы, небесные тела, и т.д). Это, в свою очередь, порождает, в наших глазах, феномены относительности движений и относительности масштабов.

Но, к сожалению, исторически так получилось, что познание окружающего мира пошло только одним путем - путем учета только относительности движений в природе (относительности Галилея, Ньютона, Эйнштейна). И все сегодняшнее познание строится только на кинематике. В упор не замечается относительность масштабов.
Все это приводит к однобокому и ограниченному подходу в изучении мира. Однобокость и ограниченность заключается в том, что, живя, в иерархически организованном мире, попытаться все понять исходя только из относительности движений, по крайней мере, наивно. Одной только кинематикой мир не познать и не охватить, мир намного шире. Поэтому нам нужно расширение "инструментария", и нужны другие методы познания.
Тут, само собой, напрашивается вывод о необходимости применения относительности масштабов, как нового инструмента познания. Которая, поможет нам более полно представить суть происходящих процессов, и даст возможность иметь более полноценное представление об окружающем нас мире.

Введение. Корни относительности. Сначала дадим себе вопрос: где кроется корни относительности? И, вообще, нужны ли нам понятия относительности?
Сразу отвечаю: да, конечно, же нужны. Без этого, никак.
Такая необходимость возникает из-за того, что мы (наблюдатели, познающие субъекты) по многим характеристикам и параметрам занимаем не абсолютное положение в нашем мире, а занимаем какое-то промежуточное положение.
Если взять, к примеру, по пространственным масштабам (размерам), то мы не самые большие, и не самые маленькие. Есть объекты намного больше нас (слоны, киты, деревья, горы, планеты, звезды, и т.д.), и есть объекты намного меньше нас (мыши, муравьи, бактерии, вирусы, молекулы, атомы, эл. частицы, и т.д.). Мы сами здесь занимаем некое промежуточное положение. И при оценки пространственных размеров других объектов, на все смотрим со своей колокольни. Себя ставим в начало отсчета (а кого же еще), и все "судим по себе". Чего-то считаем больше нас, а чего-то меньше нас (обратите внимание: они больше или меньше относительно нас). Так возникает относительность. Введение в обиход некоей меры длины (метр), ничего не меняет, относительность остается. Так как, метр, всего лишь, нами же выбранная удобная эталонная мерка, и ничего более...
Конечно, можно было бы взять самый - самый маленький отрезок в нашем мире и на его основе построить некую абсолютную шкалу пространственных масштабов. Тогда это уже было бы некая теория без относительностей, так сказать, абсолютная теория. Но такое пока невозможно. Пока мы не знаем, что является самым маленьким объектом (отрезком) в нашем мире. Концы теряются в микромире, и уходят вглубь материи. Также мы не знаем, что является самым большим объектом в нашем мире. Концы уходят ввысь, и теряются в больших масштабах. Поэтому, в нашем положение ничего не остается, кроме как оперировать относительными вещами (и величинами). Другого выхода у нас просто нет.

Такое же положение складывается с энергетическими уровнями. Они, в первом приближении, тесно взаимосвязаны с пространственными масштабами объектов. На каждом масштабном уровне организации вещества (частицы, атомы, молекулы, хим. вещества, планеты/звезды, и т.д.), есть свои характерные диапазоны энергии, в рамках которых они существуют, и могут существовать, как обособленные природные объекты: у микрочастиц свой диапазон, у атомов - свой, у молекул - свой, у планет/звезд - свой, и т.д.
При этом, по мере перехода от микромира к макромиру, энергетические взаимосвязи (энергоемкость связей) между объектами соответствующего уровня, постепенно идет на убыль (межчастичные, межатомные, межмолекулярные, межпланетно/звездные, и т.д.). Таким образом, по мере перехода от микромира к макромиру, выстраивается некая вертикальная шкала энергетических уровней, тесно связанная с пространственными масштабами объектов.
Мы сами, в этой цепочке энергетических уровней, занимаем некое промежуточные положение. И, когда речь заходит об энергии и энергетических связях (и силах взаимодействий) между объектами, судим со своей колокольни. Свое положение (или же, выбранный нами некий эталон) берем как точку отсчета, и отсюда оцениваем энергичность и энергоемкость систем и объектов. Силу взаимодействия между природными объектами, так же оцениваем со своего положения, и применяем свои мерки (Н - ньютон, Р - давление, и т.д.). В результате этого получаем, что в микромире взаимодействия более энергоемки (а э/м волны более коротки, взаимодействия более сильны), а в макромасштабах - менее энергоемки (а э/м волны более длинны), и, соответственно, взаимодействия более слабы.
Тут, получается, как и с пространственными масштабами объектов: одни "энергетические" концы уходят вглубь материи, а другие - в большие масштабы. Мы, где-то, посередине.

Такое же положение складывается с относительностью движений и изменений. В окружающим нас мире есть очень быстродвигающиеся объекты, (атомы, молекулы, пули, ракеты, и т.д.), и есть очень медленно двигающиеся объекты ("бег" черепахи, течение ледников, вращение спиральных галактик, и т.д.). Так же есть очень быстротекущие процессы (атомно - молекулярные, взрывные), и есть очень медленно текущие процессы (геологические, астрономические, и т.д.). Их динамика, опять-таки, определяются нами. Здесь, мы опять являем собой точку отсчета и определяем их скорости изменения относительно себя: считаем, что, что-то идет очень быстро, а что-то - очень медленно. Введение некоей эталонный мерки динамики (часы), для измерения скоростей и изменений этих объектов, ничего не меняет, относительность остается.
Здесь также, как и с размерами объектов, для создания некоей абсолютной шкалы динамики нет никаких возможностей. Нам пока неизвестен минимальный "квант" динамики, которого можно было взять за эталон и выстроить на его основе абсолютную шкалу динамики/времени.
Пока мы не знаем, есть ли вообще такой минимальный "квант - процесс" в природе, или, нет. Концы уходят вглубь материи. Так же не знаем, есть ли в нашем мире самый - самый медленный процесс. Концы уходят "в небесную даль", и в большие масштабы. И, все...
Поэтому здесь нам так же ничего не остается, кроме как, удовлетворяться с относительностью процессов друг к другу. Иного просто нет.

Такое же положение складывается с массами тел, и такое же - с плотностями. И т.д., и т.д.
Вообщем, таким образом, получается, что по всем параметрам и характеристикам мы занимаем везде промежуточное положение. И на все смотрим со своей колокольни, и все меряем по себе. Об этом, когда-то, очень метко сказал древнегреческий философ Протагор: "... человек мера всех вещей". Отсюда и "вырастают ноги" относительности. Поэтому в нужности неких теории (или, принципов) относительности, в нашем положении, нет никаких сомнений. Это нужно, и даже..., необходимо.

Эти относительности прежде всего нужны нам, познающим субъектам, как инструмент, и как метод познания окружающего нас мира. В природе все будет идти так, как идет. Ей всеравно какими методами (и какими путями) мы познаем окружающий мир: через различные относительности, или же, через некие "твердые" абсолюты. Разницы нет. Но, так как, пока никаких "твердых" абсолютов (минимальных "квантов" длины, динамики/времени, энергии) мы не знаем, то остается познавать мир только через некие относительности.
Для этого, мы применяем соответствующие эталоны: линейки, часы, гири, градусники, и т.д. Этих эталонов мы выбираем сами, исходя из соображений удобства, надежности и долговечности. Поэтому наши эталоны, по-сути, являются конвентуальными (результатом соглашений). Эталоны являются нашими реперами и единицами измерения, в хаотичном, на первый взгляд, изменяющимся мире, и через которые выражаем различные характеристики окружающих нас объектов: длину, ширину, расстояния, динамику, массы, температуру, и т.д.
На основе уже этих данных упорядочиваем мир по-своему усмотрению, и создаем различного рода шкал: шкала масштабов, шкала динамики (времени), шкала температур, шкала энергетических уровней, и т.д.

Таким образом, в нашем положении весь вопрос упирается в определении, через какие относительности удобнее всего познавать окружающий нас мир:
а), через относительность масштабов;
б), через относительность энергетических уровней;
в), через относительность скоростей (движений);
г), через относительность масс;
д), через относительность плотностей, и т.д., и т.п.
Самое главное тут, правильно расставить акценты, и правильно расставить их "по местам". От этого будет зависит "легкость и удобство" изучения окружающего нас мира.

Об этом интуитивно догадывались еще в древние времена, и познание окружающего мира шло именно таким путем. Человек, сравнивая различные объекты между собой получил понятие больше-меньше, длиньше-короче, и это в конце концов, привело к понятиям длины, расстояния, площади и объема. Все это впоследствии, с развитием математической науки, было обобщено как понятие пространства. В дальнейшем, стали применять специальные пространственные реперы - линейки.
Сравнивая скоростей объектов, динамику объектов, получил понятие быстрее-медленнее, что впоследствии привело к "рождению" понятия времени. А там, дальше уже, появились специальные приборы измеряющие динамику других объектов - реперы динамики - часы.
Ощупывая руками различные предметы и объекты, получал понятие тепло-холодно-горячо. Что является показателем внутренней энергетики этих объектов, относительно температуры человеческой руки. Это привело, впоследствии, к появлению понятия температуры, шкалы температур, и специализированных измерительных приборов (градусников, термометров, и т.д.).
Поднимая и взвешивая, различные предметы, получал понятие легче / тяжелее, что является показателем массы и веса этих предметов на поверхности Земли. Эта "линия" привела, в конце концов, к созданию различного рода весовых приборов и весовых инструментов...
Одним словом, получается, что человек все время, сознательно или не сознательно, познавал окружающий мир только через различные относительности, только сравнивая одно с другим. Да и честно сказать, другого выбора у него попросту не было...

Этим относительностям интерес значительно возрос, когда стали исследовать мир более-менее научными методами. Отцами в этой области считаются, ученые 17 - 18 вв, в основном, Галилей, Гук, Ньютон.
Галилей, например, исследовал относительность скоростей различных объектов друг к другу. В основном, проводил опыты с движением лодки относительно берега, и относительные движения двух движущихся лодок: когда они движутся рядом, параллельно, и их встречные движения. Его интересовали возможные эффекты, возникающие, при таких относительных движениях объектов. Если более конкретно, то, его интересовали вопросы выполнения законов механики в взаимодвижущихся системах отсчета. На основе этих опытов Галилей сформулировал некие принципы относительности:

Эти "вещи" в начале XX в, были развиты А. Эйнштейном, под названием теории относительности. Она, кроме механики, включала в себя и законы электродинамики, и на "кончике пера" рассматривала выполнения законов электродинамики в больших скоростях взаимных движений, и рассматривала возникающие при этом эффекты. Она так же, как относительность Галилея, полностью построена на относительности движений (на кинематике). Но, в отличие от Галилейвской относительности, Эйнштейновская относительность построена не на экспериментальных фактах как у Галилея, а на весьма умозрительных, мысленных экспериментах, и на мысленных допущениях - постулатах. Поэтому она пока остается только чисто умозрительным, математическим построением. Насколько она отражает реальность, и насколько она соответствует действительности - это пока большой вопрос.

Вообщем-то, здесь, нас интересует не этот аспект: насколько она соответствует или не соответствует реальности. Вопрос здесь в другом: что, относительность Галилея и относительность Эйнштейна, пошли только одним путем - путем учета только относительности движений в природе, и все познание строится только на кинематике. И, делается вид, что, как-будто бы в природе других относительностей, вроде бы, и нет.
Все это приводит к однобокому и ограниченному подходу в изучении мира. И, при сохранении такого подхода (чисто кинематического), говорит о цельной картине мира не приходится... Одной только кинематикой мир не познать и не охватить, мир намного шире. Поэтому нам нужно расширение "инструментария", и нужны другие методы познания.

Ведь не секрет, что в окружающем нас мире, в котором мы живем, тела отличаются не только взаимным относительным движением, но различается и своими размерами. Это наблюдаемый факт. В этом убедиться совсем не трудно, просто внимательно посмотреть кругом. Одни объекты большие (дома, небоскребы, горы, небесные тела), другие - очень маленькие (мячики, муравьи, букашки, микробы, эл.частицы, и т.д.).
Если даже разом остановить все движения в природе (некий мгновенный снимок, нет относительности движений), то, объекты не исчезнут, они останутся. Размеры объектов и их соотношения размеров тоже останутся. Это говорит, что кроме относительности движений, есть и относительность масштабов. Вот этого никакой кинематикой не объяснить и не описать. Это нечто другое.
Поэтому, если мы хотим более полно познавать окружающий нас мир, мы вынуждены будем учесть этот факт, и должны взять на вооружение новый "инструмент" - относительность масштабов.

Кроме этого, если чуть-чуть проявить внимательность и наблюдательность, то, есть и относительность энергетических уровней: одни тела более горячее, другие - более холодные, одни тела крепко сцеплены между собой, другие - не очень... Что, по сути, означает агрегатные состояние вещества.

Таким образом, для изучения окружающего нас мира, одной только относительности движений (кинематики) явно мало, мы должны еще учесть относительность масштабов и относительность энергетических уровней. Иначе, "картина" мира у нас не будет полной. Одна только относительность движений не может дать полноценную "картину" мира. Она, в лучшем случае, может дать только "кусок, срез" реального мира. И, не более, того...
Поэтому, ниже пойдет разговор об одном из них, о новом "инструменте" познания, - об относительности масштабов.

Принцип относительности масштабов. Сперва, как введение, возьмем жанр научной фантастики. Фантасты, как обычно, первыми вторглись в эту область и неплохо освоили приемы относительности масштабов и с большим успехом применяют это в своих произведениях.
Одним из ярких примеров этому является популярнейшая книга Джонатана Свифта "Путешествие Гулливера". Там, главный герой книги, неугомонный Гулливер, разными оказиями оказывается в различных странах, и в различных мирах. В том мире, куда он попадает, различные объекты того мира (дома, деревья, травы, люди, различная живность), оказываются пропорционально увеличенными, или, уменьшенными, по отношению к Гулливеру, в десятки раз.
Например, в стране Лилипутии, куда он попадает, люди были ростом примерно шесть дюймов. Это, по-нашему, примерно 14 см. Вот такой народ там жил. Соответственно, их дома, предметы обихода, деревья, и различная живность, тоже были очень маленькими. Они, по размеру, были примерно 10 - 12 раз меньше, чем на родине Гулливера.
В стране Бробдингнег, куда после Лилипутии попадает Гулливер, наоборот, жили великаны. Там все было очень большими. Тут уж сам Гулливер оказался в роли лилипута. Где, даже травы были высотой в двадцать футов (пр. 6 м). А великаны были ростом не менее 60 футов (ок. 18 м). Соответственно, их дома, предметы, живность, и др., были очень большими, примерно 10 -12 раз больше, чем в родном мире Гулливера.

Таким образом, здесь мы явно видим, "работу" относительности масштабов. Если с точки зрения жителей Лилипутии, Гулливер был гигантом, эдаким исполином, то с точки зрения жителей Бробдингнег, Гулливер сам лилипут, "сморчок". А с точки зрения самого Гулливера, лилипуты очень маленькие, а жители Бробдингнега - очень большие. Одним словом, каждый из них (лилипут, Гулливер, бробдингнец) оценивают мир со своей колокольни. Поэтому мир воспринимаются ими по разному, и у каждого своя мерка.

В детской сказке Л. Кэррола "Алиса в стране чудес", тоже применяется элементы относительности масштабов. Главная героиня сказки Алиса, становится то очень большая, то очень маленькая. В зависимости от этого, меняется и ее восприятие окружающего мира. То, обычные цветы ей кажутся с величиной деревьев, то наоборот, деревья "превращаются" в обычную траву. Лист дерева превращается в огромный стадион, где можно бегать, прыгать, играть. Обычные грибы в ее глазах превращаются в неимоверно гигантские небоскребы, которые касаются неба. Маленькие гусеницы ей кажутся огромными чудищами - "поездами"...
В ходе этих метаморфоз, с уменьшением и увеличением собственного размера, Алиса порой даже не узнает привычных для нее вещей: обычная стекляная банка, то превращается в огромное, гигантское стекляное сооружение с прозрачными стенками, где можно жить как в огромном доме, то превращается в микроскопический предмет, куда даже не пролезает ее мизинец... Дом чудаковатого зайца, то Алису кажется вполне нормальным домом, где можно расположиться вполне комфортно, то превращается в игрушечный дом, не более, чем дом куклы Барби... Таким образом, в зависимости от размеров самой Алисы, меняется в ее глазах и окружающая картина мира.

Теперь, из этой красивой сказки, вернемся к нашему реальному миру, и посмотрим что тут у нас происходит. Как не странно, здесь оказывается происходит... то же, самое. Только мы об этом особо не задумываемся.
Дело в том, что мы, в реальности, как Алиса, не можем так быстро манипулировать со своими размерами, и наши размеры остаются постоянными. Поэтому с эффектами относительности масштабов мы почти не сталкиваемся. Как результат, мы сильно привыкаем только к определенной картине мира: к картине мира - только с человеческих позиций, только с человеческой колокольни. И считаем, что иначе и быть не может. Но, оказывается, не так. Если сменить нашу колокольню, на другую, и смотреть на мир оттуда, оказывается..., может. Тогда, явно начинают проявляться эффекты относительности масштабов.
Рассмотрим несколько примеров на эту тему.

Возьмем, например, человека и муравья. Человеку муравей кажется очень маленьким существом. Сущая мелочь. А если на эту ситуацию посмотреть глазами муравья, то человек в глазах муравья, это довольно гигантское существо, некий страшный исполин (Кингконг). Соответственно, они смотрят на мир с разных колоколен и по разному оценивают размеры других объектов. То, что покажется человеку очень маленьким, то муравью покажется очень большим.
Например, крупинка соли, лежащая на столе. Для человека это малюсенький предмет, а для муравья это довольно большой предмет. Как стол, для нас.
Цветы на клумбе для нас небольшие растения, и клумба занимает небольшую площадь, а для муравья это большой лес с гигантскими "деревьями". Плывущий, на поверхности воды листочек, для нас маленький объект, а для муравья, который находится на этой листочке, это довольно просторный плывущий остров. Футбольный мяч для нас небольшой предмет, мы можем его пнуть, кинуть, толкнуть, а для муравья это будет непосильный гигантский объект. Как, большая гора, для нас. И т.д.

Если теперь, взять человека и синего кита, то картина будет, обратная, чем человек и муравей. Тут уже сам человек будет, перед синим китом, в роли муравья. Человеку, синий кит, будет казаться огромным исполином, существом необъятных размеров. А синему киту, человек будет казаться "муравьем" на двух ногах. Естественно, их восприятия масштабов различных объектов окружающего мира будет сильно различаться. Что человеку будет нормальным (например, легковая машина), то синему киту будет - микрообъектом, объектом чрезвычайно малых размеров. Что, синий кит одним взмахом хвоста может легко свалить, или, передвинуть далеко (например, трактор), то человеку это будет совершенно не под силу...
Если сейчас вместо кита взять большую гору (скажем, Эверест), и сравнить ее с человеком, то человек на ее фоне будет выглядит как песчинка.
А если пойти дальше, и взять саму Землю, и сравнить ее с человеком, то разница в размерах будет еще "страшнее": примерно 108 раз (как баскетбольный мяч и микроб). Земля здесь выглядит гигантской только в наших глазах, потому что, мы маленькие. А вот "в глазах" Луны, Земля будет небольшим объектом, чуть-чуть больше ее самой. Примерно, как слон, для нас.
Если взять человека и Солнце, или скоплений звезд, то тут, вообще, человек для них просто - глубокий микромир. Человек на их фоне будет выглядит как "биочастица" с размером не более 10-8 -10-15 м. О галактиках и более масштабных природных объектах можно и не говорит...

Таким образом, размеры природных объектов различаются очень сильно. Джонатан Свифт в своем произведении явно поскромничал, увеличивая, или уменьшая разные миры по отношению к Гулливеру, всего лишь в десятки раз. Реальность оказывается куда более фантастичнее, чем замыслы фантастов.

В нашем реальном мире размеры природных объектов, различных иерархических уровней нашего мира (атомы, молекулы, планеты/звезды, галактики/квазары, и т.д.), различаются относительно друг друга, не в десятки, и даже не в сотни, а в 106, 107, или, 109, и более раз. Такое не могло прийти в голову даже самому смелейшему фантасту.
Если более-менее известные нам природные объекты расположить на некоей вертикальной линии по размерам, то получим такую шкалу:

Как видим, известная нам на сегодняшний день вертикальная шкала масштабов выглядит весьма внушительной. Она охватывает объектов, примерно от 10-20 - 10-18 м (микрочастицы), и до 1023 м (скопление галактик). Разница между ними колоссальная: порядка 1040 раз.
Мы сами находимся где-то посередине этой масштабной шкалы, и оттуда взираем на весь остальной окружающий мир. Именно с этой колокольни складываются наши представления о мире и происходит создание "человеческой" картины мира.
Мы относительно себя определяем, что есть - микро-, а что есть - макро-. Что намного меньше нас, относим к микромиру, а что намного больше нас - к макромиру ("...человек мера всех вещей". Протагор).
Это деление, конечно, весьма условно, и, весьма субъективно. В действительности же, во Вселенной нет выделенных масштабных уровней, и любую из них можно взять за начало отсчета, и оттуда взглянуть на окружающий мир.

Если бы, например, звезды со своих масштабов оценили мир (встаньте на место звезд), то каждый из нас, выглядел бы для них как объект микромира, "микроб" с размером не более 10-10 м (в масштабах звезд). А галактики в их "глазах" выглядели бы не так уж большими, как кажутся для нас. Галактики в их "глазах" выглядели бы с размерами не более 107 - 1010 м, (а для нас размеры галактик не менее 1014 - 1020 м).
И наоборот, если бы какая-нибудь молекула оценивала бы мир со своей колокольни (станьте, молекулой), то мы, и каждый из нас, выглядел бы для нее как нечто чрезвычайно гигантское. В ее масштабах, мы бы были с размером примерно 106 - 108 м. То есть, как планеты для нас.
Так же, в "глазах" молекулы, атомы были бы не так уж маленькими, как для нас. В глазах молекулы атомы имели бы размеры порядка 10-2 - 10-3 м. Т.е., всего лишь 100 или 1000 раз меньше, чем она сама...

Масштабирование расстояний. Так же, в зависимости от размеров воспринимающего субъекта, масштабируются и расстояния между объектами. Например, 10 - ти метровое расстояние между двумя мячами, для человека совсем небольшое расстояние, он вмиг преодолеет его. Но для муравья это будет довольно большое расстояние между двумя "горами". Он будет долго и упорно, так сказать, "высунув язык", будет бежать, чтобы преодолеть это расстояние. Длину шага человека, и длину шага муравья не сравнишь. Мерки (и масштабы) у них слишком разные. Так же, расстояние 50 м для синего кита, это не расстояние, а для человека это немалая протяженность. Промежуток между Землей и Луной (384 000 км) для человека невообразимо гигантское расстояние, а для самой Земли это небольшое расстояние. Всего лишь, 30 раз больше ее самой. Это, приблизительно, как 50 м для человека.
Расстояние между звездами для человека, кажется, еще больше: примерно, 1013 - 1014 м. А расстояние между галактиками еще "страшнее", порядка, 1020 м. Все это, в конечном счете, результат относительности масштабов. И результат того, что все это мы меряем собственной меркой, и на все это смотрим со своей колокольни. Как, например, муравей "смотрит" на 10 - метровое расстояние между двумя мячами со своей колокольни, и это расстояние ему кажется очень большим.
Точно также, межзвездные расстояния кажутся большими только для нас. А в "глазах" самих звезд, по сравнении с их размерами, расстояния между ними не такие уж большие. Расстояния между галактиками, так же, если сопоставить их собственные размеры и расстояния между ними, то не так уж страшны, всего лишь несколько раз больше самих...

На этих соотношениях объекты/наблюдатель основаны и восприятие пространства. Например, для вас, внутри маленького железного шарика размером 1 см, нет пространства (он для вас сплошной). Но с точки зрения наблюдателя с размером молекулы (10-8 м), будет довольно много пространства. Если для вас шарик очень плотный объект, то для него, объект довольно разреженный. Если для вас - молекулы (и атомы) сильно прижаты друг другу, то для него - между молекулами существует довольно большие расстояния, как в шаровом скоплении между звездами... И он может спокойно путешествовать между ними.
Так же, для вас, вокруг Земли гигантская пустота, космическое пространство, и Луна "висит" очень далеко. Но для наблюдателя с космическими размерами порядка 1010 м, Земля и Луна очень маленькие объекты, и почти касаются друг друга, и между ними нет свободного пространства. Шаровое скопление звезд для нас гигантский космический объект. Мы можем насквозь пролететь между звездами (пока теоретически), не касаясь звезд. А для наблюдателя с размерами порядка галактики, это маленький, плотный, шарикоподобный объект, внутри которого нет пространства... Таким образом, как видим, пространство понятие относительное. И ощущение пространства зависит от размеров самого наблюдателя.

Еще один пример на эту тему. Посмотрите на стену, которая, наверное, находится перед вами. Когда вы нажимаете пальцем на стену, ваш палец не проходит сквозь стену. Почему? Потому что, ваш палец (и вы сами) чрезвычайно огромны, по сравнению с масштабами атомов и молекул из которых состоит стена. Поэтому она вам кажется цельным и плотным объектом. В обычном виде, вы, никогда не пролезете через стену. Для вас там нет пространства. А, вот, если бы, вы, могли уменьшить себя, то, будет совсем другая картина...

Чтобы показать это, попробуем провести мысленный эксперимент. Смотрим на стену и начинаем мысленно уменьшать свои размеры. Вот вы уже с величиной маленькой горошины. Стена на ваших глазах "быстро выросла" в высоту и вширь, и превратилась в некое гигантское сооружение. Она уже не кажется вам такой гладкой как раньше, и вы видите на ней множество выступов и впадин. "Уменьшаете" себя дальше. Вот вы уже с размеров 0,1мм. Стена для вас превратилась в целый нескучный мир. Там, оказывается, обитают множество различных существ (микробы). Есть тут и свои "травы и кустарники" (микроскопические растения: мхи, грибки, и т.д.). Выступы превратились в неимоверно большие горы, а впадины - в глубокие ущелья. Картинка вокруг вас, как в Кавказских горах, или, как в горном Афганистане. Опасно ходит по этим горам и глубоким ущельям.
Идем дальше. Вот вы уже с размером молекул. Стена уже не такая уж плотная, как казалось раньше, а больше похожа на некую туманность, и состоит из дискретных "штучек". По сути, уже стены, как таковой, нету. Это некое скопище дискретных объектов: молекул и атомов. Между ними глубокие бездонные провалы, можно туда упасть, и не "приземлиться"... вообще.

Если "уменьшитесь" еще больше, до размеров меньше, чем атом, то размеры молекул (и атомов) в ваших глазах будут увеличиваться. Но, так как расстояния между ними тоже будет пропорционально возрастать (по мере вашего уменьшения), то будет наблюдаться эффект быстрого отдаления объектов друг от друга. И они расположаться очень далеко друг от друга. Между ними будет огромные "космические" пространства. Можете "приземлиться" на поверхности какой-нибудь молекулы, и исследовать окрестности. Что вы там увидите?
Вы увидите бескрайний дискретный мир, которому нет конца и края. То там, то здесь, вдалеке увидите сгущения (атомы и молекулы), и огромные расстояния между ними. Это будет нечто похоже на ночное звездное небо.
Если бы, вы, заранее не знали что это стена, то находясь в таком положении, никогда бы не узнали, что вы находитесь внутри неимоверно гигантской стены. И, наверное, никогда бы не узнали...

Выходим обратно из стены, и быстро "увеличиваемся" в размерах. По мере "увеличения" быстро меняется картина "мира". Наблюдается некий эффект отдаления: быстро уменьшаются в размерах атомы, молекулы, и они быстро смыкаются между собой. И вот уже их вообще не видно. Видно только часть некоего ландшафта, с большими бугорками и впадинами. Потом и они быстро уменьшаются в размерах и ландшафт сглаживается. Вот уже вырисовывается контуры некоего сооружения. Да, это уже стена. Когда, вы, примите прежние размеры, то все придет в норму. Стена такая же, как и прежде, плотная и гладкая.
Во время вашего "путешествия" в иные миры, в комнате ничего не изменилось Все на своих местах, и все имеет прежние, привычные размеры.

Теперь можем немного подумать, и задаться вопросом: чем же отличается наш "большой" мир от "внутреннего мира стены"? Похоже, что, ничем. Разница только в относительности масштабов. Если в отношении к "внутреннему миру стены" мы слишком велики и огромны, то, для "большого" мира планет, звезд, галактик, мы слишком ничтожны. Здесь мы уже сами, в действительности, находимся внутри еще более огромного мира и смотрим на него изнутри (как, "микроб" доатомных размеров в стене). И точно также, вдалеке наблюдаем некие сгущения (планеты, звезды, галактики), и огромные расстояния между ними...
Кто знает, что бы мы увидели, если бы, например, удалось увеличить себя более 1026 раз (это размер пока известной нам Вселенной)? Наверное, увидели бы нечто другое, чем мы привыкли представлять...

Масштабирование процессов и явлений. Так же, в зависимости от размеров самого наблюдателя, масштабируются не только объекты и расстояния между ними, но и различные природные явления и различные процессы.
Если, какое-то природное явление в глазах супермаленького наблюдателя кажется одним, то этот же процесс, в глазах большого наблюдателя кажется совсем другим. У них может возникнуть ощущение, что, как будто бы, супермаленький наблюдатель видит одно природное явление, а большой - совсем другое. Хотя, в действительности, суть самого процесса одно и то же. Это результат действия относительности масштабов.
Посмотрим простой пример.

Например, вы нагрели металлический шарик радиусом 1 см, и он остывает. Шарик, по сравнению с вами, очень маленький объект, и основные события остывания происходят в ограниченном пространстве вокруг маленького шарика, и поэтому вы не сможете рассмотреть это явление во всех подробностях. Просто вам это недоступно. Вы здесь смотрите на это явление со стороны, со своей "большой колокольни", и замечаете только равномерно исходящее тепло от шарика, и.. все.

Но когда такой же процесс происходит в макромасштабе с большими телами, скажем Землей, то это же самое, вами будет восприниматься совсем по-другому. Здесь вы уже сами как чрезвычайно маленький "микроб", находитесь на поверхности "очень большого шарика", в гуще событий, и смотрите на этот процесс, как бы, изнутри. Соответственно, остывание Земли для вас будет выглядит совсем по-иному, чем остывание шарика. И называть эти явления вы будете по-разному. В случае шарика, это просто остывание, выделение тепла. В случае Земли, это глобальное изменение климата, сопровождающимися холодами, снегопадами, буранами, и т.д. В случае шарика остывание продолжиться недолго, считанные минуты. А в случае Земли, остывание растянется надолго: на десятилетия, а то и на столетия.

Как видим, несмотря на одинаковые по природе явления, остывание шарика и остывание Земли, вами воспринимается по-разному. По той простой причине, что они происходят на разных масштабных уровнях относительно вас. Здесь, вы, в первом случае, выступаете как большой, макронаблюдатель этого явления, а во втором - как супермаленький, микронаблюдатель, и находитесь внутри него. Как результат - видите, как будто бы, различные явления. Хотя это не так.

Рассмотрим другой пример. Вот вы видите дождевое облачко. Из физики, вы знаете что там происходит. Там, при понижении температуры, происходит конденсация паров воды в сферические капельки дождя. Это взгляд с вашего нынешнего положения на конденсацию.
Если же вы себя уменьшите до размеров молекул, и внедритесь в облачко, то вам откроется совсем другая картина. Вы окажетесь в некоем бесконечно дискретном мире, заполненный с туманностями и большими сферическими телами. Туманности (сгущение атомов и молекул) это начало и ход конденсации, а сферические капли - это уже сконденсировавшиеся объекты. Для вас капли дождя будут казаться огромными (вы, микронаблюдатель), что-то, вроде, "планет и звезд". И расстояния между ними то же будут огромными, космическими (масштабирование расстояний).

Здесь для нас интерес представляет само явление конденсации. Как из туманности получаются сферические жидкие тела. Поэтому мы "уменьшили" свой размер до размеров молекул, чтобы воочию посмотреть как это происходит. Для этого нам нужно поближе подойти к туманностям, и проследить за молекулами. Что же мы там увидим?
Мы увидим, что на этом масштабе, оказывается, процесс конденсации выглядит как дискретный процесс. Дискретные молекулы (не забываем, что они с размером с вас), будут притягиваться друг к другу, окучиваться, образуя сначала, различного рода "конструкции": двойняшки, тройняшки, или, небольшие скопление из нескольких молекул. Каждая "конструкция" будет вращаться вокруг своего центра масс. Потом, молекулы по одному, или группами, будут по спиральной траектории падать на свой центр масс (или, на центральное тело). В центре масс будет происходить сгущение и слипание вещества, и образование нового единого тела (куча, глыба, капля). Из-за сил поверхностного натяжения и гидростатического равновесия, новообразованное тело будет стараться принимать сферическую форму. Это мы называем каплей дождя.
Так происходит по всему объему дождевого облачка, в каждой ее точке, в каждом ее уголке, и таким образом, образуются тысячи, миллионы, и миллиарды капелек дождя.

Это вам ничего не напоминает?
Так это же, очень похоже на наш большой мир. Словно, дождевое облачко, минимодель того, что мы наблюдаем в большом космосе. Те же самые туманности (протопланетные и протозвездные облака, галактики, скопления), те же самые дискретные тела (глыбы, планеты, звезды), и те же самые конечные продукты конденсации (эволюции) туманности - некие сферические тела (планеты, звезды, квазары). С той лишь разницей, что масштабы, относительно нас, разные. В дождевом облачке все это происходит в масштабе 102 - 103 раз меньше нас, а в космосе 106 - 1010, и более раз, больше нас. Но, сам механизм процесса, похоже что, один и тот же: это конденсация.
Мы так же, как микронаблюдатель в дождевом облачке, процесс конденсации в космосе воспринимаем дискретно: глыбы, планеты, звезды, и т.д. Видим их взаимные движения. Наблюдаем их тяготение друг к другу, и их окучивание в различные "сообщества": двойки, тройки, скопления, галактики, и т.д.. Но понять, что там происходит, не можем. Не хватает самой "малости". Мы не можем охватить космические процессы целиком, от и до, как в дождевом облачке. Там хоть мы можем охватить процесс целиком, от начала до конца. Отсюда, имеем более-менее определенные представления, что там происходит. А в большом космосе этого делать не можем: ни пространственно, ни во времени. Мы для этого слишком малы. Поэтому у нас нет цельной картины что там происходит. Есть лишь маленькие фрагментики (по сути, "застывшие кадры") неких процессов, которых мы наблюдаем воочию, и все.
Это приводит к тому, что считаем, что в облачке "работает" конденсация, а в больших космических просторах не знай что. Для объяснения придумываем какие-то гравитационные силы, гравитационные сгущения, или, что-то еще. И считаем, что это совершенно разные по природе явления. Но это не так.

Помогает в этом разобраться принцип относительности масштабов, и учет эффектов относительности масштабов.
Предположим, что вы увеличили свои размеры до размеров галактик. Тогда, галактика была бы для вас как небольшое дождевое облачко. Чты бы вы там увидели?
Вы увидели бы типичнейший процесс конденсации. Наблюдали бы процесс конденсации от и до, и увидели бы как идет конденсация и что образуется в конце. Тогда не было бы сомнений, что (наши) планеты и звезды - это "капли и грады" внутри этого облачка. Вращение различных "конструкции" вокруг друг друга, и разнородные скопления - это ход конденсации, которая еще не завершилась до конца. Она завершится с падением всего на свои центры масс и образованием там сферического тела (капли, града).
Вот тогда, это явление вы бы назвали правильно: да, это - конденсация. Которая, естественно, не нуждается ни в особых гравитационных силах, ни в искривлениях пространства, ни прочей небылицы.
Как видим, чтобы понять этого, достаточно было только учесть эффекты относительности масштабов. И ничего больше...

При таком подходе легко находится ответ и на такой непростой вопрос, которого задают себе многие: что есть Солнечная система и зачем планеты движутся вокруг Солнца? Если придерживаться привычных взглядов, то понять что происходит довольно трудно. Не помогают ни кинематика, ни силы гравитации, ни искривления пространства, ни прочая экзотика. Нет представления цельной картины.
А при взгляде на эти вещи с учетом относительности масштабов, все оказывается довольно просто: это - конденсация. Точно такая же, как при образовании капелек воды в облачке. Только здесь, это происходит на другом, миллионы раз большом масштабном уровне, относительно нас. Поэтому она нам кажется дискретным процессом, и не таким "гладким" и быстрым, как процесс образования капелек воды.
Соответственно, в это дело в вовлечены большие куски дискретного вещества (малые тела, планеты, глыбы, булыжники, и т.д.), движение которых мы наблюдаем воочию.
Их вращение вокруг Солнца, ни что иное, как определенный этап конденсационного процесса Солнечной системы, и может длится миллионы лет. Просто в таких масштабах процессы для нас сильно растянуты во времени. Но они продолжаются не вечно. В конце концов, все тела Солнечной системы, кружась, и постепенно приближаясь по спирали к Солнцу, упадут туда, еще более увеличивая его массу. На этом завершится процесс конденсации Солнечной системы. Если, конечно, она не прихватить где-то еще что-нибудь...

Во всем этом, глядя с нашей нынешней колокольни, трудно разобраться. Но, применение принципа относительности масштабов, вкупе со знанием некоторых фундаментальных закономерностей нашего мира (остывание Вселенной, конденсация, минимизация энергетического состояния, стремление к равновесии, и т.д.), позволяют уверенно сказать, что и как образуются большие сферические тела в космосе, в каком направлении эволюционируют небесные объекты, и что за процессы "стоят" за этим, и т.д....

Таким образом, как некий вывод можно сказать, что, на масштабном уровне организации вещества (микрочастицы, атомы, молекулы, макромолекулы, планеты/звезды, галактики/квазары, скопления, и тд.), мы занимаем определенное место, и оттуда смотрим на окружающий мир. И с этой "ступеньки" складывается наше восприятие мира. Мы сами, относительно себя, определяем что есть микромир, а что есть макромир. А в самой природе этого нет, и для нее все равны.
И процессы происходящие, на различных масштабных уровнях организации вещества (межатомные, межмолекулярные, межплането/звездные, межгалактические, и т.д.), для природы едины. Она их не разделяет.
Но, с нашей колокольни, для нас, они кажутся различными. По той простой причине, что они происходят на различных масштабных уровнях относительно нас. В одном случае, это может быть микропроцессы (межатомные, межмолекулярные), где мы выступаем в роли сверхгигантского макронаблюдателя, в другом случае, сами процессы могут быть сверхгигантскими, космическими, а мы играем роль микронаблюдателя. Соответственно, наши восприятия этих процессов будут различными.

Отсюда, можем сказать: что кажется маленьким, быстрым, плотным и непрерывным на одном масштабе, могут выглядит большим, медленным, разреженным и дискретным в другом масштабе, и наоборот. Таким же образом, масштабируются и процессы и целые явления. Одни и те же явления, и процессы, могут выглядит и восприниматься наблюдателем по разному на разных масштабных уровнях, в зависимости от масштабов самого наблюдателя.

Например, микропроцессы (межатомные, межмолекулярные) будут гладкими, неразрывными, быстрыми (например, конденсация дождевой капельки), а космические процессы звездного масштаба (обращение тел вокруг друг друга, образование сферических природных объектов) - дискретными, и очень растянутыми во времени. А процессы следующего уровня - галактического масштаба (формирование и эволюция галактик, приводящей к квазарам) еще более грандиозными, и еще более растянутыми во времени. Там конденсация идет уже еще более большими кусками вещества: планетами и звездами.
Но все это всего лишь эффекты относительности масштабов, связанные с нашим положением в масштабном уровне организации вещества. И, не более, того...
В этом суть принципа относительности масштабов.

Согласитесь, эти вещи невозможно описать кинематикой. Поэтому эти вещи оказываются за бортом мейнстрима современной науки, основанный, в основном, на кинематике, на относительностях движений - относительности Галилея, СТО, ОТО, и др.
Чтобы понять эти вещи нужен совсем другой подход, нужен другой "инструмент": относительность масштабов. Относительность масштабов не отменяет и не заменяет кинематику, а является лишь еще одним важным дополнительным инструментом познания окружающего мира. Таким образом, это только расширяет наши возможности и расширяет нашу методологию познания.

Что же он может дать нам? Очень многое. Применение "инструмента" относительности масштабов, помогают нам понять те процессы и явления, которые не по зубам кинематическому подходу. Например, явление гравитации, дуализм микрочастиц, образование больших космических тел, и т.д. Тут кинематика совершенно бессильна. Соответственно, тут бессильны все теории и модели, построенные на относительностях движений. А вот учет относительности масштабов, легко объясняет эти явления.
Например, гравитация оказывается не самостоятельным явлением (тем более, какой-то, самостоятельной силой), а небольшим фрагментом конденсационного процесса, которая происходит на больших масштабных уровнях относительно нас. Мы просто эти процессы не в состоянии охватить целиком: ни пространственно, ни по времени. Мы для этого слишком малы. Мы играем тут роль чрезвычайно супермаленьких микронаблюдателей, и видим только лишь некие фрагменты и "куски" грандиозно большого процесса (например, падение метеоритов, искусственных спутников на Землю, вращение Луны, планет вокруг Солнца, и т.д.). По заблуждению считаем, что кружение и падение вещества к центру масс самостоятельным явлением. И "обвиняем" в этом некую гравитацию. А, в действительности, это не так.
Здесь, суть нашего заблуждения состоит в том, что мы, фактически, отрываем "кусок" (фрагмент) некоего большого явления, которого не можем охватить целиком, и пытаемся этот фрагмент выдать за самостоятельное явление, и обозвать его самостоятельным именем. Тогда как это всего лишь фрагмент, часть, конденсационного процесса, которая происходит на другом, более масштабном, уровне, и с большими кусками вещества. Которая, по механизму, ничем не отличается от конденсационных процессов микромира. Здесь, по сути, для нас, "работает" эффект относительности масштабов, связанный, с нашим положением на "лестнице" масштабов.

Другая загадка - дуализм частиц микромира. Суть этого заключается в том, что большинство частиц микромира ведут себя двояко: то проявляют волновые свойства и ведут себя как волна, то проявляют себя как частица. Объяснение этому пока не существует.
При взгляде на это с учетом относительности масштабов, дуализм частиц микромира объясняется тем, что все зависит от применяемого исследовательского инструмента. Вернее сказать, зависит от масштаба применяемого инструмента. Если инструмент большой, то частицы, в отношении инструмента, будут вести себя как сплошная среда, и действовать на него будут скопом, тут обнаружится волновые свойства микрочастиц (они действуют волной, фронтом). Если же инструмент маленький, соразмерный с размерами частиц, то на инструмент будет действовать уже единичные частицы, и данный класс частиц будут вести себя как дискретные объекты. Тут о волне не может быть и речи.

Для более наглядного представления этого можно привести следующий пример. Например, вода для нас и для объектов нашего масштаба, сплошная среда. На тела находящиеся на воде, молекулы воды действуют скопом, группой, что проявляется в виде волн. Но, а если вы уменьшите себя до размеров молекул, то никаких волновых свойств воды вы не обнаружите. Тут уже на вас будет действовать (ударяться) не волна, а колеблющаяся единичная молекула воды. Т.е., вода на таком уровне ведет себя как дискретная среда (если честно сказать, то на таком уровне и воды то нет, это просто некое дискретное скопище молекул воды).
Аналогично, если вы будете исследовать свойства воды большим инструментом, намного превосходящим размеров молекул воды, то вы будете считать, что вода проявляет волновые свойства. А если будете исследовать ее с помощью супермаленьким, микроинструментом, с размером не больше, чем молекул воды, то тогда, вода уже не будет проявлять волновые свойства, а будет вести себя как дискретная среда, и будет проявлять "частичные" свойства. Вот вам и дуализм воды. В одном случае она - сплошная среда и проявляет волновые свойства, а в другом ведет себя как дискретная среда. Секреты этого, как выше уже писалось, раскрывается довольно просто. Все зависит от того, каким инструментом вы пользуетесь: микро- или макро-.
Таким образом, секреты дуализма (хоть в микромире, хоть в макромире) - это результат эффекта относительности масштабов.

Здесь мы коснулись только гравитацию и дуализма частиц (образование космических тел описаны выше, поэтому повторяться не будем). Из всего этого следует, то, что разгадка природы гравитации, дуализма микрочастиц, ощущение пространства, образование космических тел, и многих других явлений, лежит не в области кинематики (относительности движений, а значит СТО и ОТО, и др.), а в области относительности масштабов. Поэтому попытки все это понять применяя только кинематику бесполезное занятие. Она не призвана это делать, и это не входить в ее "компетенцию".

И это вполне понятно. Ведь, живя, в иерархически организованном мире, попытаться все понять исходя только из относительности движений, по крайней мере, наивно. Кинематика не имеет дело с иерархической структурой материи, и не имеет дело с масштабами объектов. Значит, этим должен "заниматься кто-то другой". Поэтому, в данном случае, само собой напрашивается вывод о необходимости применения другого инструмента для этого - относительность масштабов. Которая, поможет нам упорядочить наш иерархический мир, и даст определиться, какое место мы в нем занимаем.
Поможет понять, как выглядят различные явления и процессы различного иерархического уровня, с точки зрения того или иного наблюдателя, в зависимости от масштабов (размеров) самого наблюдателя.

Таким образом, только применение относительности масштабов (естественно, вкупе с кинематикой) дает возможность более полно представить суть происходящих процессов, и разгадать многие загадки природы (пространства, гравитации, возможно и заряда, и т.д.). И даст возможность иметь более полноценное представление об окружающем нас мире.

Все разделы / Новое и интересное в науке

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ: ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ МАСШТАБОВ

Комментарии

Новое сообщение