Читать книгу Что такое информация? - Эдуард Казанцев - Страница 4

Кратко напомним историю возникновения комплексных чисел. Хорошо известно, что корни математики уходят в глубокую древность и уже тогда ученые столкнулись с необычными числами. Пифагор придавал числам мистический смысл. Документальные сведения о необычных числах датируются 1545 годом, когда Джиронимо Кордано предложил создать новый вид чисел для решения некоторых уравнений. В 1552 году Рафаэль Бомбелли установил первые правила арифметических операций над такими числами. Название «мнимые числа» ввел в 1637 году Рене Декарт. В 1707 году Абрахам де Муавр построил общую теорию корней уравнений любой степени. В 1777 году Леонард Эйлер предложил использовать первую букву французского слова imaginare (мнимые) для обозначения мнимой единицы. Этот символ вошел во всеобщее употребление благодаря Карлу Гауссу (1831 г.), который ввел термин «комплексные числа» (z = x ± iy).

1.2.1. Классическая физика

С конца XIX века комплексные числа прочно вошли в арсенал физики и стали неотъемлемой частью практически всех ее разделов. Главная особенность использования комплексных чисел заключается в том, что с их помощью удивительно легко и просто решаются задачи, принципиально нерешаемые в рамках математики вещественных чисел. С самых ранних этапов использования комплексных чисел, велись дискуссии о реальности результатов вычислений, содержащих не только вещественную часть, но и часть с мнимой единицей. Особенно актуальным этот вопрос был в тех разделах классической физики (электрические цепи, передача информационных сигналов, гидродинамика, аэродинамика и др.), где результаты расчета непосредственно проверялись экспериментом. Здесь существуют многочисленные примеры реального наблюдения некоторых явлений, описываемых мнимой частью комплексного числа [13].

Наиболее четко это можно проследить на примере, так называемого, импеданса (Z) – комплексного полного сопротивления электрической цепи. Если придать току и напряжению комплексную форму, то закон Ома для сложной цепи, содержащей кроме омического сопротивления еще конденсатор и катушку индуктивности, сохраняет свой традиционный вид. Но теперь формула закона Ома будет содержать новое сопротивление в виде комплексного числа Z: U = ZI =(iLω + R)I (i – мнимая единица, U – напряженность, L – индуктивность, ω – частота, R – омическое сопротивление, I – электрический ток). В самом общем случае, для любых сложных электрических цепей, сопротивление представляется в виде суммы активного (вещественного) и реактивного (мнимого). Физическое измерение (с помощью физических приборов) дает суммарное сопротивление. Теоретически можно выделить вещественную и мнимую части, но зафиксировать их по отдельности, видимо невозможно. А. Анго [13] приводит множество примеров из практики электрических цепей, подтверждающих реальность мнимого составляющего импеданса, как полного комплексного сопротивления цепи.

Интересно, что правила преобразований комплексных чисел применимы только в случае линейных операций. Для нелинейных операций эти правила неприменимы. Основные свойства комплексных чисел легко обобщаются на случаи комплексных векторов и комплексных функций. Кроме того, комплексная плоскость позволяет применять, так называемые, конформные (подобные) отображения, упрощающие расчеты не только в электрических цепях, но и в задачах теплопроводности, гидродинамики и, даже, магнитных полях. Та же проблема реальности мнимых форм возникает при использовании, так называемого, интеграла Фурье в комплексной виде. В электрической цепи электродвижующую силу (эдс) можно с помощью интеграла Фурье рассматривать как сумму бесконечного числа синусоидальных колебаний. А. Анго приводит ряд примеров, когда комплексный интеграл Фурье следует рассматривать как физическую реальность. Его соображения применимы и к оптическим задачам, где имеется тесная связь между коэффициентом преломления и коэффициентом поглощения в виде соотношений, связывающих вещественную и мнимую части диэлектрической постоянной (дисперсионные соотношения). В последние годы дисперсионные соотношения стали широко использоваться при изучении взаимодействия элементарных частиц.

Следует отметить еще одну особенность интеграла Фурье: в комплексной форме ему можно придать вид, когда между самим интегралом Фурье (зависящим от времени) и его коэффициентом Фурье (зависящим от частоты) устанавливается полная симметрия. Это означает, что существует симметрия между временем и частотой. Данный факт играет большую роль в современной теории информации.

Мы подробно остановились на книге [13] в связи с тем, что это единственная (известная нам) работа, где принципиально обсуждается вопрос о реальности мнимой компоненты в классических физических экспериментах. В математических книгах, посвященных функциям комплексного переменного, классические физические задачи рассматриваются только как примеры эффективного использования данного математического аппарата без обсуждения реальности мнимой составляющей теоретических расчетов [14,15]. Особенно ярко это видно в математических работах, посвященных рассмотрению современной (не классической) физики [16]. Что касается современной физической литературы, то здесь от мнимой единицы стараются (если можно) избавиться, или вообще не комментировать её вынужденное присутствие.

Теория комплексных чисел продолжает развиваться по своим законам, демонстрируя все более и более абстрактные возможности математики. Мы не обсуждаем здесь, так называемые, гиперкомплексные числа, так как, следуя закону двойственности (см. Глава 6), нам представляется, что бинарной формы комплексного числа достаточно для объяснения проблем Космологии, затронутых в Главе 4.

1.2.2. Квантовая механика

Физики придерживаются мнения, что в физическом эксперименте может фиксироваться только вещественная компонента комплексного выражения. В современных (не классических) областях физики, где многие явления остаются за рамками наших возможностей их экспериментальной проверки, данное мнение особенно утвердилось. С появлением квантовой физики, именно в этой теории комплексные числа стали играть ключевую роль. Как и в классической физике, здесь приходится искусственно выделять вещественные части расчета и подтверждать их физическим экспериментом. На этом стоят все современные технологические (материальные) достижения физики. А нерешаемые проблемы остаются в мнимых структурах, которые отбрасываются как «нереальные», вроде бы не подтверждаемые экспериментом. Но никто не доказал, что реальность теоретических расчетов должна быть подтверждена только физическим экспериментом. Кроме физики существуют и другие науки (например, биология), где можно проводить и не физические эксперименты. Более того, кроме биологии есть еще космология, которая тоже преподносит нам загадки, лежащие за пределами возможностей материалистической физики.

Квантовая механика «родилась» из классической механики путем внедрения ряда постулатов: 1) введение волной функции Ψ =a exp(iS/ℏ), где a – const, S – действие, ħ – постоянная Планка, i – мнимая единица. То есть, уже в первом постулате появилась мнимая единица i. Коэффициент a² интерпретируют, как плотность вероятности нахождения квантовой частицы в том или ином месте пространства (a² = |Ψ|²). Волновая функция Ψ полностью определяет состояние физической системы; 2) введение волнового уравнения Шредингера iħ(∂Ψ/∂t)=ĤΨ, где Ĥ – оператор Гамильтона, i – опять мнимая единица. Это основное уравнение квантовой механики, которое определяет волновую функцию физической системы. Далее не трудно проследить, как вся современная квантовая теория построена исключительно на мнимой единице, но никто этого не замечает.

1.2.3. Теория относительности

Основным понятием теории относительности Эйнштейна, в инерциальной системе отсчета, является интервал: ds² = c²dt² – dx² – dyx² – dz². Благодаря введению Минковским мнимого времени τ=ict, интервал приобрел более симметричный вид: – ds² = dx² + dy² + dz² + dτ² и появилось фундаментальное представление об едином пространстве-времени. Таким образом, в теорию относительности внедрилась мнимая единица i. Если мы переходим в неинерциальную систему отсчета (теорию гравитации – ОТО), то ds² уже не будет суммой квадратов дифференциалов четырех координат и интервал примет вид: – ds² = g_ikdx_idx_k, где g_ik – метрический тензор пространства-времени, x₁, x₂, x₃ – пространственные координаты, x₀ – временная координата (x₀ = it). Так как уже нет смысла сохранять мнимое время, то переходят к реальному времени t. Но детерминант метрического тензора оказывается отрицательным и будет теперь входить во все формулы ОТО в виде (то есть ). Таким образом, теория относительности (как и квантовая механика) несет в себе мнимую компоненту. И это, по нашему мнению, не формальный математический прием, а не понятый до сих пор, скрытый смысл сосуществования мнимого и действительного в нашем Мире.