Меню Закрыть

Фундаментальная модель математики

Фундаментальная модель математики
«Дай, где стать, и я поверну Землю!».
Архимед Сиракузский.
(287—212 до н. э.).

В современной математике отсутствует понятие «фундаментальная» в отношении к модели для какой бы то ни было математической структуры и для всей математики в целом в силу положенных в основу их построения принципов. Как известно, изменить устоявшееся мнение научных кругов в любой области знаний, тем более на концептуальном уровне, чрезвычайно трудно. Порой для этого недостаточно даже очевидных фактов. Инерция характерна не только для объектов механики, но и для способа существования человека, для способа его мышления. Только время может расставить все на свои места: неочевидное для одних станет само собой разумеющимся для последующих и, наоборот, очевидное для первых может перейти в разряд проблемных для вторых, а неверное позабудется. Тем не менее, несмотря на подобный консерватизм, если имеется фактический материал, то необходимо высказать свою точку зрения. Именно так и следует расценивать данную статью: это попытка изложить иную концепцию математики, когда первостепенное значение приобретает некоторая модель, полагаемая в качестве фундаментальной и структурообразующей для всей системы в целом и ее частей.

Моей первоначальной задачей было исследование возможности построения Единой Теории и, естественно, отправным пунктом стал анализ существующих физических теорий – Квантовой Теории Поля (КТП) и Общей Теории Относительности (ОТО) – и их обслуживающего современного математического аппарата. Поэтому дальнейшая конструктивная критика математики и ее оснований имеет своей конечной целью «примирение» и согласование ОТО и КТП для их дальнейшего объединения. В связи с этим в данной статье вопросы чисто математического характера будут примеряться к указанным физическим теориям.

Общеизвестные выводы ОТО следуют из ее математических уравнений, построенных с использованием современной (дифференциальной) геометрии и тензорной алгебры. Эти два математических аппарата получены в результате дальнейшего абстрактно-алгебраического развития аналитической геометрии и векторной алгебры. В свою очередь, в аналитической геометрии и векторной алгебре реализована простая идея. Поскольку имеются две математические науки – геометрия и алгебра – со своими собственными объектами и методами, а также существует возможность взаимооднозначного отображения, например, множества всех точек геометрической прямой на множество действительных чисел, то можно алгеброизовать всю элементарную геометрию, т.е. отобразить геометрические многообразия с соответствующими операциями преобразования в алгебраические множества с им присущими операциями. Таким образом в рамках аналитической геометрии и векторной алгебры изучение наглядно-изобразительных элементов геометрии (с геометрическими правилами их построения) заменяется изучением элементов множества\множеств, например, действительных чисел (с алгебраическими законами – формулами – для них). Сама по себе данная идея оправдывается выигрышем в компактности исследований: многочисленные громоздкие геометрические построения, которые порой приходится делать для изучения законов пространства, могут быть заменены анализом и решением простых и изящных алгебраических формул, в которых переменные принимают те или иные числовые значения. В дальнейшем речь пойдет о средствах, используемых для построения такого отображения, причем об элементарных, поскольку некорректность использования подобного рода средств в первоначальных математических структурах незаметно мигрируя в их надстройки приводит, в конце концов, к неадекватным выводам в математике и физике.

3.1. От неполноты системы аксиом элементарной геометрии до проблем ОТО.


Формулировка элементарной геометрии со времён Гильберта1
представляет собой совокупность аксиом, которым должны удовлетворять три типа геометрических объектов: точки, прямые, плоскости. Геометрические объекты никак не определяются; в качестве таковых могут быть выбраны любые с непременным условием – они должны удовлетворять всем аксиомам. Основную идею построения геометрии комментируют, в частности, так [15, стр.265]: «Если аксиомы евклидовой геометрии заданы, то свойства окружности (например, ее длина и площадь ограниченного ею круга) и вписанных углов полностью определены как необходимые логические следствия.» Так ли это на самом деле? Верно ли, что длина окружности и площадь
круга являются их необходимым следствием? Непредвзятый анализ показывает, что такое следствие действительно возможно среди множества других, тем не менее оно не является необходимым. Поэтому свойства окружности будут зависеть от того, какое следствие из этих аксиом мы пожелаем выбрать или, иначе, какую интепретацию мы пожелаем придать указанным аксиомам.

Рассмотрим первую аксиому из группы аксиом конгруэнтости [13, стр.54].

«Если A,B – две точки на прямой a и A’ – точка на той же прямой или на другой прямой a’, то всегда можно найти по данную от точки A’ сторону прямой a’ одну и только одну такую точку B’, что отрезок AB конгруэнтен отрезку A’B’. Это отношение между отрезками и обозначается так: ABЗнак тождестваA’B’.

Для каждого отрезка требуется конгруэнтность ABЗнак тождестваВА. Первая часть этой аксиомы короче выражается так: каждый отрезок может быть однозначно отложен на любой прямой по любую данную сторону от любой её
данной точки»
.

Автор приводит рисунок, подобный Рис.3.1.

Рис.3.1 К первой аксиоме конгруэнтности отрезков: АВ тождественно A'B'

Однако, нам ничто не мешает построить отрезок A’B’ так, как показано на Рис.3.2, или еще каким-нибудь другим способом, а затем
констатировать, что ABЗнак тождестваA’B’.

Рис.3.2 К первой аксиоме конгруэнтности отрезков: АВ тождественно A'B'

Почему? Потому что в списке аксиом декларируется только существование точки B’, но в явном виде не прописана процедура2 ее нахождения и мы имеем «степень свободы» в её выборе. Выберем произвольно на прямой a последовательно три конгруэнтных отрезка
ABЗнак тождестваBCЗнак тождестваCD, восстановим две окружности радиуса BC : одну с центром в точке B, другую – в C, как показано на Рис.3.3.

Рис.3.3 Окружности, имеющие конгруэнтные радиусы и

Мы получили противоречие: при конгруэнтных радиусах (отрезки же конгруэетны!!!) диаметр одной окружности не «конгруэнтен» диаметру другой3.

Идем далее по [13, стр.68]: «… у Евклида движение принято в качестве наглядно ясного понятия, которое не обосновано никакими аксиомами. Совмещающиеся фигуры считаются равными. Следовательно, в системе Евклида движение есть понятие основное (хотя оно и оставлено без обоснования), а конгруэнтность – производное. У Гильберта в качестве основного понятия введена конгруэнтность, после чего движение может быть определено как производное понятие.» Затем автор переходит к определению. «Пусть даны два множества точек Омега и Омега-штрих, конечные или бесконечные – безразлично. Предположим, что между точками этих множеств установлено взаимно однозначное соответствие. Каждая пара точек M и N множества Омегаопределяет отрезок MN. Пусть M’ и N’ – точки множества Омега-штрих, соответствующие точкам MN. Отрезок M’N’ условимся называть соответствующим отрезку MN.

Если соответствие между Омега и Омега-штрих таково, что соответствующие отрезки всегда оказываются взаимно конгруэнтными, то и множества Омегаи Омега-штрих называются конгруэнтными. При этом говорят также, каждое из множеств Омегаи Омега-штрих получено путем движения другого или что одно из этих множеств может быть наложено на другое. Соответствующие точки множеств Омегаи Омега-штрих
называются совмещающимися при наложении

Таким образом, если отрезки объявлены конгруэнтными (а «конгруэнтность» – понятие первичное), то значит они обязаны
быть совмещающимися при наложении. Следовательно, отсюда проясняется семантика термина «наложение» (вторичного понятия): это движение со строго определенной деформацией, при котором отрезки совмещаются. Не правда ли, это очень напоминает базовое положение для развития тензорного анализа с его метрическими тензорами и символами Кристофеля4?

Для наглядности приведу следующие модели множеств Омегаи Омега-штрих. Пусть имеются две прямые a и a’. На прямой a построим конечную последовательность касающихся друг друга окружностей (в количестве N штук) одинакового радиуса (в обычном понимании); их центры находятся на данной прямой. Сделаем аналогичные построения на прямой a’, используя 3N окружностей того же диаметра. На прямой a в качестве множества Омега, выберем последовательность точек, являющихся концами диаметров каждой из построенных окружностей. На прямой a’ в качестве множества Омега-штрих, выберем последовательность точек, являющихся правыми концами каждого третьего диаметра из последовательности построенных окружностей, как показано на Рис.3.4а.

Итак, мы построили два множества Омегаи Омега-штрих точек. Для прояснения рисунка удалим окружности как ненужную информацию, получим Рис.3.4б. Перенумеруем последовательности точек на прямых a и a’ последовательностью натуральных чисел так, как показано на Рис.3.4в.
Предваряющая процедура построения двух множеств Омега и Омега-штрих точек, не оставляет сомнения, что можно указать «движение», в результате которого «одно из этих множеств может быть наложено на другое». Следуя Гильберту, мы можем констатировать, что «соответствующие точки множеств Омегаи Омега-штрих называются совмещающимися при наложении

Фактически приведен способ реализации неевклидовой геометрии на прямой. При этом не была использована ни аксиома о параллельных
прямых, ни ее отрицание или замещение в какой бы то ни было форме. Почему мы приходим к такому выводу? Для ответа на данный вопрос сделаем еще построения. Повернем одну из прямых на 900 (используем аксиому о параллельных прямых и ее следствия), совместим нулевые точки обеих прямых и проведем прямую, соединяющую первую точку ординаты с третьей абсциссы, как показано на Рис.3.5а.

Построим рядом еще один прямоугольный треугольник с равными катетами старым (греческим) способом (см. Рис.3.5б). Два треугольника, которые мы интуитивно воспринимаем, как равные по Евклиду, таковыми не являются по Гильберту. Измеряя транспортиром (технология его изготовления основана на законах евклидовой геометрии) острые углы левого треугольника, мы получим, что их значения близки к 450,
как показано на рисунке, но из алгебраических (тригонометрических) расчетов, поскольку его катеты относятся 3:1, мы получим совсем другие значения.

Естественно, что и в аксиоме конгруэнтности углов также существует произвол для интерпретации, причем никак не связанный с произволом в аксиоме конгруэнтности отрезков, и тоже влияющий на способ определения конгруэнтности более сложных геометрических фигур. Конечно, для уменьшения числа «степеней свободы» в нашем распоряжении имеется тригонометрия, стоящая особняком среди других разделов математики5 и коррелирующая между собой два вышеуказанных произвола, и поэтому она должна быть непременным приложением любой алгебры, претендующей на адекватное отображение евклидовой геометрии. Однако внутри системы аксиом Гильберта ничто не указывает на необходимость ее использования в алгебре. Тем не менее, даже если не учитывать последний факт, в нашем распоряжении остается еще одна «степень свободы»: или в выборе интерпретации конгруэнтности отрезков или в выборе интерпретации конгруэнтности углов. В любом случае это позволяет нам выйти за пределы евклидовой геометрии.

Рис.3.4 Отрезки, конгруэнтные по Гильберту, относятся как 3:1

Таким образом, система аксиом Гильберта даже с учетом аксиомы о параллельных прямых, претендующая на статус евклидовой, описывает фактически некоторую совокупность различных геометрий, в которой евклидова геометрия является только одним из ее элементов наряду с другими возможными (неевклидовыми). Адепты современной формулировки геометрии заметят, что в этом и заключается достоинство аксиоматического метода – он позволяет при наименьших затратах (при минимальном количестве аксиом) получить наибольшие дивиденды (максимально возможную свободу в выводах), свободно выбирая различные интерпретации (модели). Изоморфные – да, но не приводящие к противоречиям же? Синтезируя сначала аналитическую, затем дифференциальную геометрию мы используем одну из моделей данной совокупности геометрий, потом «сдвигаемся» в дифференциальной геометрии на следующий уровень абстрагирования, рассматривая всю гильбертовскую совокупность геометрий, и далее при анализе построенных алгебраических структур переходим к другой модели, противоречащей исходной. Кого можно убедить в корректности такого алгоритма?

Рис.3.5 Катеты, конгруэнтные по Гильберту, относятся как 3:1 по-гречески

Из сказанного следуют, по крайней мере, три вывода относительно современной системы аксиом элементарной геометрии:

1) пятый постулат Евклида (или аксиома о паралледьных прямых) – необходимый, но не достаточный критерий евклидовости геометрии;

2) система аксиом – неполна;

3) система аксиом – противоречива: при «возвращении из алгебры» в геометрию мы приходим к модели, противоречащей исходной.

Однако, имеется еще один вывод, возможно, и не столь очевидный на первый взгляд. В любой системе геометрии мы должны определить движение и конгруэнтность и соотнести их друг с другом. Гильберт после IV группы аксиом приводит: «Пояснение. Если М есть произвольная точка плоскости a, то совокупность всех точек A, для которых отрезки МA взаимно конгруэнтны, называется окружностью, М называется центром окружности.» [17,стр.19] Для геометрических построений Гильберт считал необходимым линейку и эталон длины – инструмент, «который позволяет откладывать один единственный определенный отрезок, например, отрезок-единицу» [17,стр.94]. Хотя в физическом пространстве, согласно ОТО, линейки могут «искривляться», эталоны – изменять свою длину, но это не столь важно для математики. Более важным будет вывод алгебраиста, анализирующего математический аппарат ОТО (дифференциальную геометрию и тензорный анализ) без всякой физики: из-за отсутсвия в данном аппарате абсолютных эталонов длины и прямой линии в качестве интерпретации гильбертовского определения окружности возможно принять любую из моделей, приведенных на Рис.3.6. Действительно, каждая из них может называться «окружностью» при соответствующем введении понятия «конгруэнтность». И такой результат будет при любом вербальном определении окружности, основы для движения отрезков, избранных в качестве конгруэнтных.

В старой же (греческой) геометрии, видимо, понимали, что для синтеза математических структур формально-алгебраическая основа аксиоматического метода является недостаточной даже при самом изысканном терминологическом «словотворчестве» ввиду гетерологичности его элементов. Поэтому движение и конгруэнтность в ней вводились ее же средствами: наглядно-изобразительным методом, т.е. построением окружности с помощью циркуля. Можно было «пальцем указать» на нее и ее элементы, отвечая на вопросы: что такое «движение»? и что такое «конгруэнтность»? Использование пифагорейцами подобного графического изображения в качестве фундаментальной модели определяюще влияло на построение всей геометрии, которую мы называем евклидовой. В современной алгебре образ подобного инструмента отсутствует. Более того, в ней ничто не указывает на необходимость его существования, как и на необходимость существования вообще каких бы то ни было алгебраических образов, соответствующих своим геометрическим прообразам,
для адекватного отображения геометрии в алгебру. Современная алгебра свободна от подобного рода «оков», поскольку она строится как наука независимая, самостоятельная.

Рис.3.6 Произвольная замкнутая кривая может быть окружностью по Гильберту

Отсюда вывод: система (алгебра), претендующая на адекватное описание геометрических многообразий, должна вытекать из соотношений между геометрическими объектами, для которых категории «движение» и «конгруэнтность» вводятся средствами внесистемными («доалгебраическими»). Его следствие: абстрактная система (алгебра), может иметь отношение только к совершенно абстрактным («теологического» характера) объектам, к которым даже числа не относятся, поскольку последние являются порождением именно еклидовой геометрии (см. ниже).

Исходя из этого сформулирую первый тезис концепции: вся математика (построение любых математических структур) должна начинаться с геометрии и приводить к ней же, т.е. в результате анализа (обратной операции) любых математических надстроек мы должны «возвращаться в исходную точку» – к той геометрии, с которой начинали. Иными словами, чтобы быть застрахованными от любых противоречий, структура математики должна быть замкнутой и взаимообратимой. Для этого недостаточно иметь только взаимооднозначное отображение объектов одной системы в другую. Необходимо также взаимооднозначное отображение каждой операции для построения любого объекта-прообраза, допустимого в одной системе, в соответствующую операцию для построения объекта-образа в другой. В современной математике теория алгоритмов – самостоятельный раздел, стоящий особняком от других ее разделов; в ней уделяется особое внимание не только отображению эламентов одного множества на элементы другого, как это делается, скажем так, в классических разделах, но еще и отображению операций над элементами первого множества в соответствующие опреации над элементами второго. Поэтому для получения корректной структуры математики фактически необходимо пересмотреть ее основания в соответствие с
принципами построения теории алгоритмов.

В целом, в гильбертовой формулировке аксиом не было бы ничего критического (до поры, до времени), если бы мы продолжали пользоваться геометрическими иллюстрациями в декартовых координатах для наглядной интерпретации алгебраических структур. Спрашивается, а в чем тогда необходимость таких структур, если их приходится постоянно сопровождать геометрическими «картинками»? Так-то оно так, но… В этой ситуации труднее было бы свернуть на ложную тропу. Ведь совсем иное дело, когда при построении мы пользуемся декартовыми координатными сетками, т.е. исходим из наличия евклидового пространства; постфактум помещаем в него (т.е. вычерчиваем в нем же), например, сферу; и лишь затем на сфере указываем локальные координаты (те, что сейчас принято считать неевклидовыми), а в последних – вычисляем движение точки по сфере и сравниваем его с движением в глобальных. В этом случае, во-первых, сразу становится очевидной схема: неевклидовое пространство с вполне определенной метрикой возможно построить только локально при наличии глобального евклидового, все другие интерпретации отпадают. Во-вторых, если учесть совместно и золотое сечение (ЗС) и теорему Пифагора (ТП) на самом начальном этапе построения аналитической геометрии, то аккуратный пересчет координат из локальных в глобальные и\или обратно сразу бы показал, что в общем случае, переход к локальным
(т.е. относительным) без учета абсолютных (глобальных) не возможен.

Итак, для построения ЕТ нам не обойтись без изменний в основаниях математики. Но мы не гарантированы, что со временем не проявятся
новые детали и не будут возникать другие вопросы, когда потребуется снова и снова перестраивать систему. В связи с этим второй тезис будет следующим: метод формулирования математичской науки исключительно вербальным (словесным, символьным, формально-символьным и т.д. и т.п.) способом несостоятелен. Почему? Имеются, по крайней мере, две основные причины для такого предположения. Во-первых, специфическое свойство эволюции любого языка – бесконечное развитие (изменение, уточнение) семантики его существующих слоганов (отдельных единиц: символов, слов, выражений и т.д. ) наряду с появлением новых. То, что всеми представителями одних поколений воспринимается вполне однозначно, со временем приобретает свойство «разночтения» в последующих поколениях6, а это, в свою очередь, рано или поздно, но с необходимостью, приводит к корректировке условий применения или размножению подобных языковых единиц с целью устранения возникшего недостатка. Практически это следствие эволюционного отбора устойчивых моделей (способов интерпретации) гетерологических (а разве они могут быть иными!!!) языковых слоганов. Вторая причина является следствием первой. Основная цель алгеброизации геометрии заключается в полном отказе от наглядно-изобразительного моделирования и какой бы то ни было аппеляции к графическим моделям так, чтобы алгебраист работал совершенно автономно от них, оперируя только формулами и переменными. Однако он должен быть полностью уверен в том, что абстрактно-алгебраический материал, с которым он работает, адекватен (аутологичен) конкретному геометрическому материалу. В противном случае результаты его труда будут подобны тем, которые выдает компьютер у нерадивого программиста: получаемые результаты порой будут совершенно далеки от ожидаемых. При вербальном способе формулирования системы (алгебры и геометрии) в принципе не может быть приведена полная и непротиворечивая группа аксиом (см. выше свойство языка); рано или поздно проявятся новые детали и найдется повод для её пополнения; это особенно критично для структур элементарных, на базе которых затем надстраиваются все новые и новые более сложные структуры, а общий алгоритм конечной структуры при возможном уточнении может значительно отличаться от предыдущего. Иными словами, вербальный способ не дает возможности создать гарантированно устойчиво-стабильное ядро системы, поэтому алгебраист не застрахован от того, что материал, с которым он работает сегодня, завтра не претерпит кардинальные изменения.

Существует еще одна причина философского характера. Выше уже отмечалось, что у Евклида и Гильберта для построения геометрии были
выбраны два различных подхода, касающиеся категоричности понятий «конгруэнтность» и «движение». Но в обоих случаях не обходилось без окружности. Т.е. каждый из них исходил из существования ее наглядно-изобразительной модели, фактически неразрывно объединяющей в себе моделирование того, что впоследствие мы стали связывать с данными понятиями. Это вполне согласуется с соотнесением общефилософских категорий. Действительно, хотя мы и пытаемся порознь рассуждать о «сущности» и ее «бытии», но как каждое из них теряет смысл без другого, так и бессмыленно одно вводить после другого: только вместе неразрывно и взаимодополнительно они дают нам «пищу» для размышления. Наряду с этим, как мне кажется, пифагорейцы хорошо понимали и то, что корректно изложить подобное соотношение категорий вербальным способом невозможно. Поэтому в системе первичным у них было графическое изображение, вербальное изложение – производным, оно использовалось в качестве комментария7.

Заканчивая обзор системы Гильберта и обсуждение вербального способа формирования математики приведу еще несколько примеров.
Возьмем самую первую аксиому: «Каковы бы ни были две точки A, B, существует прямая a, проходящая через каждую из точек A, B». Может быть кому-то покажется абсурдной интепретация приведенная на Рис.3.7, но если вдуматься … почему бы и нет? Или в аксиомах имеется критерий, опровергающий подобное? Или кто-то сомневается, что в современной алгебре возможно полностью абстрагироваться от всякой геометрии?

Рис.3.7 Обе точки находятся около прямой

Рис.3.8 Каждой точке соответствует пара точек. Каждая пара находится около прямой

 

Если алгебра – самостоятельный раздел математики, то почему нет? Если числа (счисления) существуют сами по себе, если счисления с любым основанием эквивалентны друг другу8, то почему алгебра не может быть самостоятельной наукой, объектом исследования которой являются эти же числа? Я не собираюсь здесь ни критиковать недостатки, ни оценивать достоинства данного подхода, хочу только привести факт, подтверждающий его достаточно успешное применение: это – Теория унарных физических структур Кулакова, в основу которой положена именно интепретация, приведенная на Рис.3.7, в совокупности с обычной. В связи с этим в теории Кулакова допускается преобразование одной совокупности точек, принадлежащей прямой (пространству) в обычном смысле, в другую – «принадлежащую» другой прямой (пространству) в интепретации, приведенной на Рис.3.7 (т.е. в совокупность точек, лежащих «около» или «вне» его). В основе Теории бинарных физических структур Кулакова используется еще более модифицированная интепретация этой же аксиомы. Она приведена на Рис.3.8, в ней каждая «точка» A– это вообще не один объект (не единица) в обычном понимании, это бинарная структура

Дублет: А с индексом альфа и А с индексом бэтта,

т.е. только два (под) объекта (в обычном понимании), взаимообусловленные «чем-то», представляют единый объект.

После элементарной геометрии обратимся к ОТО. Исследуя её математический аппарат обнаруживаем, что, действительно,
в современную (дифференциальную) геометрию из элементарной (через аналитическую) просочилось одно из основных свойств линий: отсутствие каких бы то ни было внутренних метрических инвариантов [14, стр.70]. В то же время натуральный ряд чисел обладает алгебраическим аналогом такового: любые два соседних элемента отличаются друг от друга ровно на единицу. Учитывая это, алгебраически мы можем однозначно проградуировать любую координатную ось, но остается геометрический произвол, указанный выше. В итоге, как уже упоминалось, приходим к тому, что, пытаясь алгеброизовать будучи неполной геометрию, мы получаем структуру, анализ которой приводит нас обратно к геометрии, модель которой уже противоречит исходной. Фактически мы неявно (интуитивно или умозрительно) полагали, что осуществляли действительно взаимооднозначное преобразование, поскольку для пояснения при данном синтезе мы так или иначе ссылались (или подразумевали, что можем сослаться) на графические иллюстрации в равномерной декартовой сетке координат. Т.е. возможность построения аналитической геометрии предопределялась тем, что любой геометрический объект можно описать, поместив его в абстрактное глобально-однородное евклидово пространство, сформированное не просто прямыми линиями, а прямыми специального сорта (физически соответствующими масштабированным линейкам), обладающими внутренними метрическими
инвариантами, что обеспечивало, в свою очередь, адекватное евклидовой геометрии соотнесение во всем пространстве метрических и угловых инвариантов. После того, как алгебраический аппарат построен, мы отбрасываем всю «наглядную агитацию», пропогандирующую его достоверность и правомочность, и переходим исключительно к абстрактному анализу. Именно здесь всплывают все неучтенные вовремя «степени свободы» геометрии: например, прямые отрезки (кратчайшие расстояния) можно представлять деформированными в геодезические линии. На этом этапе «вдруг» выясняется, что пустое пространство ОТО способно обладать не только евклидовой, но и любой другой неевклидовой метрикой. Заметьте, пространство без материи имеет неевклидову метрику! Кажется нонсенс, не правда ли? Но это как раз то, с чем мы живем уже почти столетие, и столько же времени не можем внятно объяснить данный феномен. Ниже я вернусь еще к нему, а пока о другом: что делать?

Наличие в геометрии, в существующем ее изложении (без учета ЗС), подобных степеней свободы фактически отражено в неполноте набора
алгебраических переменных, входящих в основные уравнения ОТО, и в ничем неограничиваемой свободе выбора вида (формы) данных переменных9. Анализ показывает, что (i) в теории мы должны пользоваться не произвольными переменными, а связанными между собой специальными уравнениями, и, кроме этого, имеющими особый вид; (ii) для устранения произвола в выборе линейных и угловых конгруэнтных величин требуются дополнительно точно те же ресурсы, что и для получения евклидовой и только евклидовой метрики для пустого пространства в ОТО. Поясню подробнее. Допустим, мы каким-то образом дополним группу аксиом конгруэнтности так, что ограничим произвол в определении конгруэнтных отрезков и углов в геометрии. Следовательно, в алгебре нам необходимо ввести аналогичную процедуру (в качестве образа, соответствующего своему конкретному прообразу в геометрии): ограничить произвол в преобразовании координат с помощью дополнительных формул. В частности, в предыдущей статье [19,20] для одномерного евклидового пространства приведены переменные:  угловая Альфа = Альфа (Ф, d) и линейная x = x (Ф, d) координаты, где d — эталонный масштаб, Ф — обобщенное ЗС. Представим, что мы устранили все недочеты в геометрии, т.е. указали как (без разночтения) отложить в любых частях прямой действительно два равных отрезка. Значит (см. Рис.3.9) гипотенузы, ограничивающие конгруэнтные отрезки AB и A’B’ будут изменяться так, что «заметут» треугольники одинаковой площади и, следовательно, параметр Ф и переменные Альфа , x получат не произвольные, а вполне определенные относительно друг друга приращения10.

Из равенства алгебраических выражений для площадей «заметаемых» (геометрических) треугольников (или результатов, подобных этому)
в самом начале построения современной аналитической геометрии делается вывод, что как для определения длины отрезка так и для определения изменения его длины при движении достаточно знать относительное изменение координат его концов. Но это характерно только для вырожденных схем измерения. В общем случае даже для каждой точки можно равноэффективно использовать любую систему координат из совокупности симметричных для данной процедуры.

Рис.3.9

Следовательно, мы должны учитывать и линейное, и угловое взаимообусловленное изменние координат как абсолютных, так и относительных в явном виде. Более подробно это было показано в [19,20]: с учетом всех симметрий комбинированной процедуры СКС-ТП11 координата любой точки в одномерном евклидовом пространстве может быть представлена в общем случае одним из восьми способов12:

formula3/1
(3.1).

Каждый из этих способов исключительно специфичен для геометра, но для алгебраиста все они совершенно симметричны: даже для одного и того же отрезка алгебраические координаты его концов могут быть представлены разным способом (наоборот, всего лишь частным или вырожденным случаем будет тот, когда они представлены одним и тем же способом). Поэтому в общем случае алгебраическое выражение для вычисления длины отрезка между двумя точками в евклидовом пространстве не может состоять из функции, зависящей от разности относительных координат: только линейных или только угловых или даже только от обеих таких функций, поскольку еще и сам эталон тоже может входить с различными знаками. Важным фактором при этом является наличие наблюдателя, оснащенного вполне конкретными линейными и периодическими (угловыми, фазовыми) эталонами [19,20].

Очевидно, что необходимость использования для каждой координаты в ОТО переменных вида (3.1) сближает ее математический аппарат
с соответствующим аппаратом КТП. Тем не менее, хотя учет ЗС в такой форме необходим, как показывает дальнейший анализ, этого не достаточно для построения Единой Теории. Мы же рассмотрели факт существования только одного внутреннего инварианта в натуральном ряде чисел и отсутствие такового на линии в гильбертовой формулировке геометрии. Но данный ряд обладает не одним, а бесконечным множеством внутренних инвариантов: любые два соседних десятка (две соседних сотни, тысячи…; две соседние десятые, сотые, тысячные … доли единицы) отличаются друг от друга также ровно на единицу. Этими же инвариантами обладают и действительные числа. Для корректной алгебраизации геометрии нам чрезвычайно важно знать какие конструктивные геометрические процедуры и объекты соответствуют этому в геометрии в качестве прообразов. В общем случае в системе Гильберта подобный ряд инвариантов не определен: «алгеброобразные» декларации типа аксиом Архимеда или Кантора на роль таких прообразов не годятся, т.к не являются геометрическими в полном смысле. У Гильберта лишь в частном случае, когда мы можем использовать декартовую систему координат, таким прообразом является координатная сетка с бесконечно и однотипно дробящимися ячейками. В ней фактически тоже не ограничиваются наличием одного метрического инварианта, связанного с эталонным отрезком: предполагается, что существует метрический инвариант и внутри эталонного, т.е. «подэталонный», а также – и внутри последнего и т.д. и т.п. Следовательно, прообразом для наших целей должен быть некий фрактал инвариантов. Тогда для каждого вложения мы сможем определить свою алгебраическую операцию, подобную (3.1); все они «по форме» будут одинаковы, но «по содержанию» (масштабному коэффициенту) – совершенно различны. Но даже в этом частном случае системы Гильберта отсутствуют какие бы то ни было геометрические эталоны для выбора конкретного целого числа в качестве целочисленной основы размерности фрактала и нет даже намека на необходимость
унификации размерностей всех его уровней.

С другой стороны, любая (бесконечная) полупрямая или конечный отрезок без нарушения внутренней топологии могут быть переведены путем непрерывной деформации в дугу длиной в четверть окружности (и обратно). А уже в геометрии окружностей пифагорейцев процедура СКС-ТП позволяет-таки унифицировать размерности всех уровней фрактала и однозначно выбрать его целочисленную основу: СКС-ТП позволяет геометрическими методами делить одинаково на одинаковое и строго определенное число (десять) частей окружности, радиусы которых относятся 1:2. Алгебраизация таково фрактала приведет нас к построению структуры в форме кронекерова произведения из алгебраических элементов, соответствующих многократному и последовательному применению одной и той же процедуры СКС-ТП к соответствующим окружностям. Если теперь произвести обратную операцию: «распрямить» фрактал пифагорейцев, то мы получим его линеаризованный образ с сохраненной топологией в виде декартовой сетки координат со строго определенной структурой внутренних метрических инвариантов. Не номинальный, а фактический учет последних с необходимостью отразится на явном виде переменных не только в дифференциальной и аналитической геометриях, но и вообще в любой допустимой алгебре, претендующей на адекватное отображение действительно евклидовой геометрии.

Вернемся к вопросу о том, что пространство без материи имеет неевклидову метрику. А почему бы и нет в отсутствие наблюдателя?
Если наблюдатель ни в каком другом пространстве, кроме евклидового, объективно не может осуществлять свои функции, то наличие наблюдателя эквивалентно привнесению декартовой (абсолютной, глобальной) сетки координат и, наоборот, в отсутствие наблюдателя пустое пространства ОТО не может считаться евклидовым. По-моему более корректной интерпретацией для ОТО будет следующая: абсолютная система координат должна быть декартовой; она является искусственной системой координат наблюдателя, относительно которого рассматривается некоторое движение, т.е. она привносится извне в рассматриваемое пространство (в пространство, чья метрика требует выяснения), и распространяется от минимально до максимально возможных для данного наблюдателя масштабов ее построения так, что как в достаточно малом, так и в достаточно большом изучаемое (внешнее) пространство остается со своей естественной, но неопределенной и неопределяемой однозначно, метрикой, а в пределах действия искусственной системы координат его метрика доступна для относительного сравнения с евклидовой и его «степень неевклидовости» может быть установлена (определена) математическими (числовыми) методами. Как уже отмечалось в [19, 20], введение в физическую картину мира наблюдателя в качестве полноправного субъекта физических взаимодействий изменяет объект науки – в физике им становится Ноосфера. В приложении к Ноосфере (с математической точки зрения): она состоит из двух внешних относительно друг друга пространств; ее границы определяются границами возможного распространения исскуственной системы координат наблюдателя; вне ее пределов геометрия окружающей среды неевклидовая с неопределенной и неопределяемой однозначно метрикой; в границах Ноосферы неевклидовость среды определяется относительно внешней для нее (среды) и привнесенной в нее (среду) наблюдателем декартовой системы координат с евклидовой метрикой; физические границы распространения системы координат наблюдателя размежевывают физико-математическую картину мироздания, обосновываемую числовыми методами, от той, обоснование которой осуществляется нечисловыми методами (например, топологичесикми). Действительно, если положить, что «наложение» геометрических фигур – это такое «движение», при которм допускается не нулевая деформация, то мы получим иную геометрию, в которой свойства окружностей будут отличаться от их свойств в евклидовой геометрии. В ней мы лишаемся такого феномена как ЗС и возможности построения модели десятичного и любого другого счислений. Поэтому в топологии остается возможность использовать только системы наподобие робинзоновских зарубок на дереве: Набор зарубок (палочек) с различными способами их объединения в те или иные группы (по десять, сто,… или три, сто двадцать семь\!!!\,…). Алгебра же десятичного счисления для нее будет «инородной», внутренне ничем не обоснованной; тем не менее в ней будет допустимо использование ДПС для обозначения ее движущихся элементов.

Подведем итоги. Сравнивая после всего сказанного геометрию с алгеброй, можно провести следующую параллель. Одну и ту же программу
для компьютера можно написать на разных языках программирования: Basic, Pascal, C, C++ и т.д. Все они являются, так называемыми, языками высокого уровня и непосредственно их команды компьютер не воспринимает. Существует всего лишь один язык, который непосредственно «понимает» центральный процессор – это машинный код. Программы, написанные на любом высокоуровневом языке, так или иначе проходят через компилляцию – процесс перевода его команд в машинный код. Для чего же тогда плодить эти уровни? Дело в том, что писать программы на низкоуровневом языке – процесс чрезвычайно трудоемкий. Но, главное, по ходу создания на нем достаточно больших программ приходится очень долгое время копаться в «простейших мелочах» и отвлекаться на них так часто, что можно потерять «глобальный» смысл (идею алгоритма) того программного продукта, к созданию которого приступал вначале. Поэтому и пришла идея организовать типовые процедуры машинного кода в группы, определив их как «выражения» некоторого языка. Таким образом появился сначала ассемблер, а потом целая плеяда различных языков, на которых, не отвлекаясь на мелочи, можно работать, например, уже с «объектно-ориентированными» алгоритмами (C++ или подобный).

В нашем случае геометрия и алгебра соотносятся точно также как языки низкоуровневый и высокоуровневый соответственно с весьма
существенным отличием: геометрия формулируется на языке наглядно-графическом, алгебра – на вербальном13. Никакому программисту и в голову не придет попытаться «абстрагироваться» и обобщить средства, например, языка C++ , не обращая внимания на то, что написанный код не сможет быть скомпиллирован в машинный код или он будет скомпиллирован в такой код, который не будет восприниматься процессором. Алгебраисты же не перегружают себя подобными «мелочами» и плодят алгебру за алгеброй, все более обобщенную, все более абстрактную, будучи совершенно уверены, что при необходимости они всегда могут «вернуться» в геометрию. Вопрос: в какую14? Геометрия Евклида (точнее квази-евклидовая, т.е. в пифагорейском изложении) это Пси -код инвариантный для человека (аналогично машинному для «железа»), состоящий из простейших операций с элементарными геометрическими объектами; она дает возможность создать теорию чисел десятичного счисления, в частности, позиционного (ДПС), что, в свою очередь, позволяет переходить к алгебраическим алгоритмам, оперирующим уже числами. И необходимо всегда помнить, что механизм ДПС – это целый комплекс, включающий определенный набор свойств геометрических объектов именно евклидовой геометрии и никакой другой. Следовательно, в алгебре тоже надо абстрагироваться с оглядкой: имеются или нет какие-нибудь еще неиспользуемые свойства указанных геометрических объектов, которые мы хотели бы преобразовать в выражаемые алгебраическими средствами. Если нет, то алгебраист рискует «вернуться в никуда». Если да, то такая «абстрактная» алгебра обязательно станет «реальной», человек рано или поздно столкнется с необходимостью ее применния в своей деятельности. Евклидовая геометрия и алгебра – это языки разного уровня, но не для искусственного процессора, а для психологического субъекта (ПС) – специфической информационной системы (ИС). Главное отличие между такими системами в том, что «железо» — статическая ИС (СИС), а ПС или Пси -субъект – динамическая (ДИС). Компьютеры работают с переменными фиксированного размера (например, определенный процессор может работать только с переменными длинной, в два байта \16 бит\, но не длиной, скажем, в 15 или 17,18 бит), а Пси -субъект, по выдвигаемой гипотезе, – с переменными, длина которых может меняться динамически в широких пределах, ограничиваемых или решаемой задачей или его физическими возможностями в данный момент. В связи с этим следующим этапом должно быть построение концепции и теории такой переменной: переменной, с помощью которой «может быть все упорядочено и перечисленно». (Кстати, по-моему, пифагорейское «число» и надо воспринимать в качестве термина «переменная» подобного типа.)

Имея такую теорию, можно и всю математику выстроить в алгоритмическую структуру. И ключевым моментом здесь будет концептуальная
(фундаментальная) геометрическая модель теории ДПС, объединяющая следующее:

(i) деление радиуса на две части и его удвоение (подобно тому, что было приведено в первой статье на этом сайте);

(ii) деление окружностей, радиусы которых относятся 1:2, на десять равных частей с помощью ЗС;

(iii) свойство точек обозначать центры окружностей, а также концы и места деления частей, в противном случае, положение самих точек ничем не определено и их интуитивно предполагаемое существование ничем не обосновано.

Поэтому далее речь пойдет о фундаментальной модели математики, следующей из уникальных свойств процедуры СКС-ТП.

Примечание.

1
Более
поздние формальные системы, например, Тарского и Биркхофа наследуют те же недостатки.

2
Как
известно, такой процедурой, фактически, является графическое построение окружности или ее части – дуги («засечки»).

3
Кстати
сказать, сам Евклид [16] формулировал объекты своей геометрии, более определенно:

«Линия же – длина без ширины.»

«Прямая линия есть та, которая равно расположена по отношению к точкам на ней.(Выделено мной – О.Ч.)»

Недопонимание, разночтение, например, данных определений – это непосредственный результат эволюции семантики языковых слоганов (см. ниже).

4
С другой стороны, для развития топологии: нечислового раздела математики, не так ли?

5
В то же время если наряду с теоремой Пифагора учитывать параметрически обобщенное золотое сечение [19,20],
то это позволит единообразным способом развить алгебру, элементы которой заведомо будут обладать ее внутренним свойством: удовлетворять
тригонометрическим соотношениям.

6
В качестве примеров: (i) после Вейерштрассе появилась необходимость «развести» понятие «непрерывная функция»
и «дифференцируемая функция»; (ii) во второй половине ХХв. введены такие понятия, как «фрактал», «аттрактор» и т.п.

7
С результатами вербальных формулировок математических (негеометрических) категорий можно ознакомится в [18].

8
Однако необходимо отметить, что двоичное счисление, не является «полноценным»
позиционным счислением (недаром пифагорейцы считали, что «число начинается» с трех) – оно вырождено. В десятичном – от нуля
к девяти можно прийти двумя разными путями: или за девять шагов в одном направлении или за один шаг в другом; в двоичном же от нуля
к единице – за один шаг в любом направлении. Это вырождение в направлении перехода от максимального к минимальному значению каждого
разряда и есть главный «дефект» двоичного позиционного счисления; уменьшение разнообразия его свойств приводит к ограничению
наших возможностей оперирования с ним.

9
Известно, например, что в отличие от ОТО, в КТП переменные общего вида, отражая волновые свойства
объектов микромира, облекаются в комлексную форму, в которой только ее действительная часть имеет отношение к «реальным» физическим параметрам.
<
10
Необходимо помнить, что
мы исследуем одномерное евклидово пространство и его внутренние метрические свойства, а не его свойства в окружающем
трехмерном пространстве, поэтому обычные инструменты аналитической геометрии (такие как скалярное произведение, длина вектора, выражамые
через координаты во внешнем евклидовом пространстве) в данном случае не применимы.

11
Процедура СКС-ТП – это
совместное рассмотрение сечения отрезка на крайние и средний (СКС) и теоремы Пифагора (ТП), см. [19, 20].

12
Это следствие того, что
полупрямая может быть предсталена частью окружности, расположенной в одном из четырех квадрантов
декартовой системы координат, с обходом или по часовой стрелке или против. Фактически, это цена, которую приходится платить за «распрямление» окружности.

13
В изложении алгебры на
другом языке нет необходимости, поскольку методологической задачей математики является «перевод» (графического) языка геометрии именно на вербальный.

14
Такое положение дел напоминает
своеобразную игру в шахматы, когда игроки вместо различных фигур и пешек размещают на доске одинаковые шашки,
а затем в любое время в течение игры по своей прихоти меняют их номинал произвольным образом: была пешкой – стала ладьей, была королем – стала конем.
Усилия умнейших людей, создателей системы, вмиг обесцениваются.

Language »