© А.М.Заславский
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ ОБРАЗ ВНУТРЕННЕГО МИРА АБСТРАКТНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
(ИНТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ)
А. М. Заславский
АННОТАЦИЯ
Обсуждается гипотеза о строгой линейной упорядоченности событий (гипотеза неодновременности) в системе “наш мир”. Согласно предложенной гипотезе содержательный образ наблюдаемого мира в данный момент времени определяется не множеством одновременных событий, а последовательностью его состояний, предшествующих этому моменту.
В отличие от общепринятой гипотезы одновременности, следуя которой можно лишь постулировать геометрические свойства пространства событий, данная гипотеза открывает возможность дедуктивного вывода этих свойств. Исследуется внутренняя геометрия многомерного собственного пространства – времени абстрактной динамической системы, все состояния которой линейно упорядочены (не одновременны) относительно внешнего наблюдателя. Доказывается, что линейные преобразования этого пространства – времени при изменении системы отсчёта являются преобразованиями Лоренца со всеми, вытекающими отсюда, следствиями специальной теории относительности. На основании этих исследований предложен новый метод (интроспективный) анализа и синтеза временных рядов. Интроспективный анализ позволяет по известному распределению значений временного ряда построить геометрическую релятивистскую модель, порождающей его, динамической системы в её собственном многомерном пространстве – времени. Интроспективный синтез позволяет по известному ансамблю траекторий динамической системы в её собственном многомерном пространстве найти распределение значений соответствующего ей временного ряда.ВВЕДЕНИЕ
Общепринятая модель процесса эволюции сложной системы (в качестве которой можно рассматривать весь доступный наблюдению мир) опирается на гипотезу одновременности событий. Суть этой гипотезы в том, что каждому моменту времени системы ставится в соответствие множество одновремённых состояний множества её подсистем. Этим предположением фактически постулируется наличие пространства, в котором отображается эволюция системы, в качестве вместилища её одновремённых состояний. Классическая физика приписывала одновремённости абсолютный характер. В теории относительности одновремённость пространственно разделённых событий уже не абсолютна, но по-прежнему принимается в качестве концептуального базиса физического пространства.
Недостаток этой модели в том, что она требует от реального наблюдателя, фиксирующего события по сигналам, поступающим от наблюдаемого процесса, сверхъестественной способности мгновенно распознавать одновременные состояния множества одновременно наблюдаемых подсистем. Когда в теории относительности утверждается одновременность каких-либо событий,
это означает признание именно такой способности наблюдателя, предполагающей бесконечно большую скорость преобразования информации, а, следовательно, и распространения сигналов (если, конечно, не допускать возможности наблюдателя бесконечно малых размеров). Противоречие с основным постулатом теории очевидно.Модель процесса эволюции сложной системы, предложенная в концепции системы времени [1,2], напротив, основана на отрицании одновремённости состояний. Система времени представляет собой такую динамическую систему, в которой каждое состояние каждой из её подсистем осуществляется не одновременно с другими состояниями так, что множество состояний системы оказывается линейно упорядочено в цепи событий. Образ настоящего в такой системе определяется распределением последовательных состояний в цепи событий, предшествующей текущему моменту времени. Предположение о применимости подобной модели к системе “наш мир” также, всего лишь гипотеза, которую невозможно подтвердить или опровергнуть непосредственным наблюдением или экспериментом. Однако, в отличие от гипотезы одновременности, принимая которую, можно лишь постулировать геометрические свойства пространства событий, данная гипотеза открывает возможность дедуктивного вывода этих свойств. Это, в свою очередь, означает возможность дедуктивного вывода законов взаимодействия подсистем в системе времени.
Идея данного исследования схематично и неполно изложена в [2]. Настоящая работа задумывалась, как попытка раскрыть эту идею с большей полнотой и строгостью математических выкладок. Однако в ходе анализа следствий из гипотезы неодновременности были получены также принципиально новые результаты.
КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАБЛЮДАТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ВРЕМЕНИ
Любая физическая теория начинается с определения наблюдателя и/или его свойств. Это связано с тем, что как показывает опыт, законы природы в общем случае не инвариантны к замене одного наблюдателя другим. В теориях, опирающихся на гипотезу одновремённости, наблюдатель представляет собой сложную систему, манипулирующую специальными твёрдыми телами (мерными линейками), обладающую возможностью мгновенно распознавать одновременные состояния и измерять промежутки времени между событиями.
В системе времени с её абстрактными линейно упорядоченными состояниями, где пространство изначально не задано, ни о каких мерных линейках, естественно, не может быть и речи. Следовательно, прежде чем приступать к исследованию следствий гипотезы неодновременности, необходимо дать определение наблюдателя как системы, отображающей изменения состояний наблюдаемой системы времени в пространстве.
Будем различать внешнего и внутреннего наблюдателей. Конструкция внешнего наблюдателя не может быть определена в терминах наблюдаемой им системы. Собственно гипотеза системы времени есть ни что иное, как гипотетический образ абстрактной динамической системы, создаваемый её внешним наблюдателем. С точки зрения внешнего наблюдателя система времени проявляет себя в виде цепи событий, отображённой в его памяти. В качестве исходного постулата принимается такое направление “стрелы времени”, которому соответствует положительное приращение количества событий в любой системе. Это значит, что цепь событий, начиная с некоторого начального события, в определённые дискретные моменты времени
Событие в системе времени будем обозначать переменной
Подсистемам системы времени соответствуют подцепи общей цепи событий (см. рис.1). Повторяющиеся состояния на рисунке обозначены одним цветом. Состояния одной и той же подсистемы на рисунке обозначены фигурами одной и той же формы.
Рис. 1
Обозначим количество подсистем в системе времени
Особенность внешнего наблюдателя, по определению, состоит в том, что любая подсистема системы времени проявляет себя по отношению к нему также как и система в целом, а именно – в виде увеличивающейся цепи событий. Иными словами, внешний наблюдатель не связан ни с одной из подсистем системы времени так, чтобы её состояния воспринимались им как неизменные. Он воспринимает эволюцию системы времени как изменяющееся распределение состояний в цепи событий. Пусть система времени при переходе от события
В отличие от внешнего, внутренний наблюдатель является подсистемой системы времени и его конструкция требует определения.
Представим себе модель системы времени (с точки зрения внешнего наблюдателя) в виде множества односторонних ленточных автоматов (подсистем) А
1, …Аk, … с одной общей бесконечной лентой. Лента разбита на ячейки, пронумерованные как моменты времени
Рис. 2
В ячейках одной полуветви автоматы отмечают свои состояния
В контексте данной работы нас не интересует вопрос о том, как именно влияют функции состояний автоматов на их поведение – это проблема кибернетики, а не метафизики. Важно то, что такие функции существуют и отображают состояния системы времени в принципе. Так как множество состояний системы времени счётное [1], то, не снижая общности рассуждений, можно считать областью значений функций состояний множество целых чисел
Пусть в составе системы имеется автомат (обозначим его индексом
, (2)
где в общем случае
Относительная малость приращений функций состояний данного автомата и количеств повторяющихся состояний
,
,
,
. (3)
Поведение рассматриваемого автомата, определяемое функциями состояний (2), соответствует счёту количеств повторяющихся состояний в цепи событий системы времени. Подобный автомат, ведущий счёт повторяющихся состояний, будем называть внутренним (линейным) наблюдателем системы. При этом,
Принцип действия подобного автомата – наблюдателя может быть приближённо описан с помощью следующего простого алгоритма. Каждая
В отношении внутренних наблюдателей системы времени будем руководствоваться гипотезой, согласно которой существует столь малый отрезок наблюдаемой цепи событий, на котором различимы состояния системы и поддаётся счёту количество их повторений, но не различим их порядок следования. Неразличимость порядка следования достаточно близких во времени событий характерна для уровня прототемпорального восприятия [3]. Известно, что для человека с его органами чувств периоды длительностью (20-50)
ms могут вмещать события, которые поддаются счету, но их невозможно расположить в каком-то временном порядке. Следствием этой гипотезы является то, что последовательность состояний в цепи событий из-за неопределённости прототемпорального восприятия вообще не может быть предметом наблюдений. Наблюдатель с прототемпоральным порогом восприятия может анализировать лишь эволюцию плотностей распределения состояний в цепи событий. Именно вследствие неразличимости порядка следования близких во времени состояний внутреннему наблюдателю необходима идея пространства. При этом прототемпоральному промежутку цепи событий ставятся в соответствие: один момент времени, отношение на множестве плотностей распределения состояний, заполняющих промежуток, и отношение этого множества к моменту времени. Подобная идея не требуется внешнему наблюдателю, который, по определению, различает порядок следования всех без исключения состояний в наблюдаемой им цепи событий.Вообще говоря, цепь событий системы времени может рассматриваться с разной степенью детализации, обусловленной разрешающей способностью наблюдателя. Наиболее детальное описание цепи событий получим, учитывая каждое событие, наименее детальное – рассматривая такие её участки, на которых абсолютные значения количеств повторяющихся состояний стремятся к бесконечности, а относительные к нулю. В последнем случае цепь событий будем называть псевдоконтинуальной. Строго континуальной цепи событий не может существовать ни при каких обстоятельствах вследствие доказанной в [1] леммы дискретности времени. Исследуя геометрический образ внутреннего мира системы времени, будем считать, что объектом наблюдения является именно псевдоконтинуальная цепь событий, так как лишь в этом предельном случае можно приближённо отображать эволюцию её подсистем траекториями в пространстве состояний, т.е. геометрически.
Рассмотрим основные принципы измерения времени наблюдателями системы. Так как событиями в системе являются её состояния, то сумма количеств всех состояний и есть количество событий
. (4)
Так как множество событий любой из подсистем системы времени, являясь подмножеством общей цепи событий, также линейно упорядочено, то в отношении его справедливо аналогичное равенство
. (5)
Здесь
Если для внешнего наблюдателя собственный датчик времени может не иметь с наблюдаемой им системой ничего общего, то для внутреннего наблюдателя датчиком времени может быть только счётчик событий одной из подсистем.
Это значит, что промежуток между двумя, следующими друг за другом, событиями наблюдаемой системы может быть заполнен для внешнего наблюдателя событиями, происходящими в других системах, а для внутреннего – лишь событиями, происходящими в его собственной системе
. Так как, по определению, внутренний наблюдатель отображает изменения состояний множества наблюдаемых подсистем относительно одной подсистемы – объекта начала отсчёта, то логично использовать в качестве локального датчика времени счётчик событий именно этой подсистемы. (6)
При этом отображение изменений состояний всех наблюдаемых подсистем осуществляется в одном времени.
Среди множества наблюдаемых подсистем могут оказаться такие (обозначим их индексом
. (7)
О таких подсистемах будем говорить, что они находятся в покое относительно наблюдателя, если
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАБЛЮДАТЕЛЯ
В теории относительности в качестве датчика собственного времени рассматриваются часы, покоящиеся, относительно наблюдателя. При этом ход часов считается заданным, хотя и не ясно с каким процессом он синхронизирован. Говоря о том, что ход часов должен быть синхронизирован с равномерно движущимся объектом, или периодическим процессом, мы замыкаем порочный логический круг, так как равномерность движения или периодичность процесса можно установить, лишь с помощью часов, ход которых мы пытаемся определить. Сам же покоящийся объект никак не проявляет себя в уравнениях движения относительно собственного наблюдателя. Для разрешения этого противоречия А. Эйнштейн предлагал понятие периодического процесса считать предшествующим понятию времени, так же как понятие твёрдого тела он считал предшествующим понятию пространства [4].
В этой и других подобных концепциях время и пространство заданы (
a priori) в виде геометрической конструкции с заранее известными свойствами.Напротив, принципиальным моментом предложенной модели является то, что понятие пространства в ней формирует наблюдатель на основании анализа распределения линейно упорядоченных состояний в цепи событий, (понятие времени предшествует понятию пространства). Здесь в качестве датчика времени используется одна из наблюдаемых подсистем – объект начала отсчёта, чьи состояния сравниваются наблюдателем с состояниями всех остальных наблюдаемых подсистем, а время измеряется количеством событий объекта начала отсчёта. Так как распределение состояний объекта начала отсчёта в цепи событий не зависит от выбора наблюдателя, формула (6) задаёт его объективное собственное время.
Для того чтобы дискретные функции состояний внутреннего наблюдателя отобразить в геометрическом пространстве и времени, поставим в соответствие паре смежных (следующих непосредственно друг за другом) событий объекта начала отсчёта квант времени
Эти величины будем считать универсальными постоянными, имеющими одинаковые значения для любых наблюдателей и не зависящими от выбора объекта начала отсчёта. Такое допущение оправдано стремлением исключить влияние произвольно выбранных масштабов измерений различных наблюдателей на результаты сравнения относительных геометрических характеристик эволюции различных подсистем.
Так как квант времени и квант расстояния – константы, то их отношение
Умножим правую и левую части уравнения (2) на
после чего получим
. (9)
Обозначим
Учитывая (6), обозначим
. (10)
Выразим из этих уравнений абсолютные приращения состояний наблюдаемой подсистемы
. (11)
Суммируя правые и левые части этих равенств по всем индексам состояний, найдём
, (12)
где:
Учитывая (5), обозначим
Допуская псевдоконтинуальность цепи событий при геометрическом представлении системы времени, можно в пределе перейти от конечных разностей к дифференциалам.
, (13)
. (14)
Рассматривая формально пространство событий системы времени как
,
, (15)
где обозначено:
ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В СИСТЕМЕ ВРЕМЕНИ
Уравнения (15) устанавливают связь между результатами наблюдений внешнего и внутреннего наблюдателей за поведением
Пусть имеются две системы отсчёта: одна, связанная с
, (16)
где обозначено:
Из этой системы уравнений, линейных относительно малых приращений состояний и времени, найдём
, (17)
где
Мы получили в общем виде формулы преобразования систем отсчёта внутреннего наблюдателя системы времени. Заметим сразу, что эти преобразования не Галилеевы так как при переходе от одного объекта начала отсчёта к другому изменяются не только приращения состояний наблюдаемой подсистемы, но и приращения времени. Коэффициенты преобразований
Инвариантность предельной скорости постулируется в физике на основании обобщения известных экспериментов по измерению скорости распространения в пустоте электромагнитных волн.
Инвариантность интервала принимается без доказательств на том основании, “…что иначе мы пришли бы к физически нелепым выводам, которые всё равно вынудили бы нас сделать дополнительные предположения” [5, стр. 265]. Для современной физики с её парадоксами апелляция к “физически нелепым выводам” не очень убедительна. Поэтому в качестве таких дополнительных предположений обычно постулируют однородность и изотропность физического пространства и времени [6], что равнозначно утверждению об инвариантности интервала.
Совершенно очевидно, что в отношении абстрактных состояний абстрактной динамической системы подобное обоснование неприемлемо. У нас нет оснований для веры в универсальность этих принципов по отношению к системам, чья эволюция не осуществляется в физическом пространстве.
В нашем случае инварианты преобразований систем отсчёта должны отражать лишь те свойства системы времени, которые обусловлены линейной упорядоченностью её состояний и конструкцией автомата – наблюдателя.
Одним из таких свойств системы времени является положительное приращение количеств повторяющихся состояний её подсистем
. (18)
Умножив это неравенство на
, (19)
где
, (20)
где
Осуществляя преобразование (17) во внутреннем пространстве событий с помощью матрицы
.
Следовательно, внутреннее пространство событий характеризуется локально псевдоевклидовой римановой метрикой с сигнатурой (+ - - -…), а модуль наибольшей скорости
. (22)
Предположим, что имеется некое множество подсистем, для которых коэффициенты
Инвариантность интервала, предельной скорости изменения состояний, а также положительная определённость квадратичной формы (21), описывающей локальную метрику, являются необходимыми и достаточными условиями того, что преобразования (17) в локальной области пространства событий системы времени являются преобразованиями Лоренца. Подтверждением тому является общеизвестный вывод, исходя из перечисленных условий, этих преобразований для четырёхмерного пространства событий в специальной теории относительности, повторять который в данном случае не имеет смысла.
Заметим, что сами по себе математические выкладки при выводе преобразований Лоренца справедливы для любой размерности, но основания для их вывода в теории относительности черпались из эмпирических закономерностей движения физических тел в трёхмерном пространстве. Здесь же основанием для вывода преобразований Лоренца являются общие закономерности абстрактной цепи событий и не менее абстрактной конструкции автомата – наблюдателя. Следовательно, их действие распространяется на пространство событий абстрактной динамической системы произвольной размерности.
Теория относительности не объясняет причину ограничения скорости распространения сигналов (изменения состояний) в наблюдаемом пространстве. Ею постулируется без объяснения этот феномен как фундаментальное свойство физического пространства – времени. Видимо этим объясняются многочисленные попытки “преодолеть” предельную скорость в некоторых физических теориях. Однако, как видно из неравенства (18), ограничение скорости изменения состояний абстрактной динамической системы обусловлено направлением “стрелы времени” и не может быть преодолено никаким разумным способом, не требующим пересмотра оснований математики. Если бы такое “преодоление” было возможным, то это означало бы, что суммарное количество всех состояний на отрезке цепи событий больше чем количество событий. Иными словами, это означало бы, что система может оказываться в таких состояниях, которые не являются событиями, т.е. появление таких состояния в системе не увеличивает
количества её событий, что противоречит общепринятой логической взаимосвязи понятий состояния и события. Если всё же допустить такие “фантомные” состояния, то можно заметить взаимосвязь между обратимостью времени и неограниченной скоростью их изменения. Действительно, если бы увеличение количества повторяющихся состояний могло сопровождаться уменьшением количества событий, то время в таком случае оказалось бы обращённым вспять. Количество событий уменьшалось бы с увеличением количества повторяющихся состояний системы времени. Так как время отождествляется с количеством событий, то из неравенства (18) уже нельзя было бы получить неравенство (19). Следовательно, скорость изменения состояний не имела бы ограничения. Таким образом, ограничение (22) предельной скорости изменения состояний указывает направление “кинематической стрелы времени”Из преобразований Лоренца естественно вытекают все известные в специальной теории относительности пространственно – временные соотношения, характеризующие равномерное прямолинейное движение подсистем во внутреннем пространстве состояний системы времени. Однако интерес в данной работе представляет собой иное отношение, которым связаны между собой характеристики этого движения с распределением относительных частот повторений одинаковых состояний соответствующих подсистем в цепи событий. Этим отношением устанавливается соответствие между результатами наблюдений внешнего и внутреннего наблюдателей.
Запишем уравнения (10) дважды. Один раз для наблюдателя, связанного с одним объектом начала отсчёта, а второй раз для наблюдателя, связанного с другим.
, (23)
. (24)
То, что под знаком суммы в обоих уравнениях все величины попарно равны, следует из тождественности самой себе подсистемы, наблюдаемой в обоих случаях одним и тем же наблюдателем. Сравнивая эти уравнения, найдём
. (25)
Вследствие инвариантности интервала имеем также
. (26)
Из этих двух уравнений, как показано А. Эйнштейном [7], достаточно просто выводятся преобразования Лоренца на
. (27)
представляет собой относительную скорость движения подсистем при такой ориентации координатных осей в пространстве, что вектор скорости
.
Самое замечательное в этой формуле то, что относительная скорость движения подсистемы во внутреннем многомерном пространстве системы времени отображает распределение её состояний в цепи событий и не зависит от параметров, характеризующих конструкцию наблюдателя. Из этого следует, что разные внутренние наблюдатели, “не договариваясь заранее”, одинаково отображают кинематику собственного мира
. А этим, в свою очередь, обусловлена возможность взаимной пространственно – временной синхронизация поведения автоматов – наблюдателей, что является предпосылкой образования в системе времени их коллективных сообществ.Будем считать, что наблюдатель отображает относительное движение подсистемы траекторией точки относительно системы декартовых координат
Рис. 3
Согласно известным в специальной теории относительности соотношениям компонента вектора скорости изображающей точки
. (29)
Для решения данной задачи нам потребовалось разложить сложное движение точки в системе координат
(30)
Рассмотрим некоторые численные примеры.
Так как оба вида представления движения совершенно равноправны и в распределении состояний цепи событий не содержится информация о предпочтительном выборе того или иного из них, приходится допускать, что в общем случае одному конкретному распределению состояний цепи событий соответствует два представления её скорости во внутреннем двумерном пространстве состояний. Пусть в некоторый момент времени
Рис. 4
Угол “размывания” траектории при одном и том же отношении
Рассмотренный двумерный случай достаточно просто распространяется на любое число измерений
(31)
В случае
Полученный результат позволяет по-новому взглянуть на общеизвестный парадокс “близнецов”. Если движение в пространстве осуществляется по замкнутому контуру не строго по направлениям, указываемым в каждой его точке осями эквиэнтропийной системы координат, то энтропия движущегося объекта к моменту возврата в исходную точку возрастёт соответственно скорости и маршруту движения. Поэтому, не смотря на релятивистское сокращение времени, действительный возраст движущегося объекта, определяемый приростом его энтропии, может оказаться даже больше возраста объекта, от которого начиналось и которым закончилось движение. Более того, его траектория может быть настолько
“размыта” к моменту возврата, что распознать вернувшегося “близнеца”, томящийся в ожидании брат будет просто не в состоянии. Следовательно, в подобном случае актуальной становится проблема “эквиэнтропийной” навигации в пространстве.Формулы (28), (31) открывают возможность численного интроспективного анализа временных рядов, образованных последовательностями сигналов, получаемых от исследуемых объектов. Результатом интроспективного анализа временного ряда является релятивистское представление порождающей его динамической системы ансамблем траекторий подсистем в её внутреннем многомерном пространстве состояний. Метод численного интроспективного анализа сводится к следующим операциям.
Исследование подобных моделей в самых различных областях знаний могут помочь выявить ранее не известные внутренние причины наблюдаемых процессов и явлений.
Обратным к задаче интроспективного анализа является интроспективный синтез временных рядов. Пусть в наблюдаемой внутренним наблюдателем области пространства известны усреднённые траектории множества подсистем некоторой динамической системы относительно эквиэнтропийных координат этого пространства (задача построения такой системы координат при заданном
распределении подсистем в пространстве требует отдельного исследования, не предусмотренного объёмом и содержанием данной статьи). Требуется найти усреднённое распределение состояний в соответствующей цепи событий.Разобьём интервал времени наблюдения на малые промежутки, в пределах которых допустимо считать проекции
Подставляя известные значения
ВЫВОДЫ
Список литературы