По поводу секунды как универсальной меры измерения

В продолжение переписки с Константином Абакумовым, начало:

https://maxpark.com/community/5687/content/4857451

https://maxpark.com/community/5687/content/4894658

https://maxpark.com/community/5687/content/3547953

https://maxpark.com/community/5687/content/4898616

Сам ещё не читал)

===

Илья, без предисловий. Выдохся сутки писал
 Как присмотрите чтобы поместить на формуме. Попробую статью поместить в блоге, но в прошлый раз не получилось. А время терять на эту кухню не хочется. Я Вам сразу по существу. а там делайте как хотите. На приоритет не претендую, то я додумался до аких откровений впервые, и уверен в своей правоте, теорию не отменишь. Только вот нужно ли это кому-то?
   Успехов

По поводу секунды как универсальной меры измерения

Обыденное представление о времени

    Время – характеризует фазу сигнала - энергетического процесса, так говорят радиотехники, когда рассматривают его в виде электрического тока и напряжения, в процессах, происходящих в электрических цепях (см. Теория цепей и сигналов).
    Те же процессы формально происходят и в пространстве, (физически они описываются уравнениями Максвелла), они тоже характеризуются фазой, которая является аргументом в угловой системе координат, задаваемой пространственным положением излучающей/принимающей антенны.
      И там и там единицей аргумента является секунда, и это логично и понятно, ибо существует две формы выражения энергетических процессов – пространственная и временная. и они обе рассматриваются в радиотехнике при обработке сигналов с единых позиций, ибо фаза однозначно определяет передаваемую посредством электромагнитного излучения информацию (амплитуда сигнала, в условиях априорной неопределенности, и в частности изменения условия распространения радиоволн информации содержит мало, и самым эффективным является использование фазомодулированных и фазоманипулированных сигналов).
       Поэтому в радиотехнике существует понятие пространственная фаза, которая характеризует состояние электромагнитного поля в пространстве, и временная фаза - т.е. время, которое определяет фазу радио сигнала, переводя его из времени в угол периодического прочеса гармонического колебания через формулу 2 pi*t/T выраженный в радианах. ( где Т – период повторения гармонического сигнала, а t – текущее время ).
      При обработке электрических сигналов, проходящих через цепи, и при пространственной обработке сигналов, формально используется один и тот же математический аппарат. И распределение напряженности поля по раскрыву антенны, (ее диаметру, если она сферическая зеркальная) по каждой из двух пространственных координат, однозначно определяет структуру поля, излучаемого антенной, и в частности такой ее наиважнейший показатель, как коэффициент усиления. При этом диаграмма излучения антенны в пространстве (по одной из плоскостей) определяется путем преобразования Фурье из функции распределения напряженности поля на антенне по соответствующей пространственной координате. Диаграмма направленности антенны трактуется специалистами как «спектр пространственных частот».
      Аналогично и радиосигнал сигнал, представляемый во времени в виде напряжения, изменяющегося во времени, также может быть представлен преобразованием Фурье в виде спектральных составляющих При этом спектр одиночного сигнал представляет непрерывную функцию, а спектр группового сигнала, состоящего из нескольких импульсов, представляет вид «гребенки», т.е. имеет структуру. Подчеркнем важный момент - структурирование сигнала во времени, приводит к структурированию сигнала и в частотной области. Частота тут является величиной обратной времени, т.е. 1 Гц = 1/ сек, и F = 1/T ( где T - длительность импульса, а F – ширина его спектра). Тут стоит добавить, что радиочастотный сигнал имеет «несущую частоту», которая переносит его энергию в зону высоких частот электромагнитного излучения, которые хорошо передаются в открытом пространстве электромагнитным полем. При этом, когда рассматривают вопросы обработки сигнала и оценки его параметров, то говорят уже не просто о фазе сигнала, а о фазе огибающей сигнала, которая и содержит в себе всю полезную информацию, ибо она физически определяется его структурой (фаза несущей тоже несет информацию, и при тонкой обработке сигнала используется, что повышает эффективность обработки в 2 раза). Заметим также, что главным показателем качества сигнала является его база D, которая определяется произведением его длительности Т на ширину его спектра ∆ F, D = Т*∆ F .
       База сигнала определяет эффективность использования энергии для передачи информации, именно поэтому все современные устройства связи и радиолокации, навигации работают с использованием именно сложных сигналов. Физически она определяется количеством независимых, т.е. некоррелированных элементов, входящих в состав сигнала N, она показывает степень предельную сжатия, которую может обеспечить фильтр, согласованный с параметром этого сигнала. В случае фазовой манипуляции (переключения фазы радиочастотного излучении т.о. чтобы смежные сигналы были не коррелированы) образуется фазоманипулированный сигнал с постоянной амплитудой, состоящий из подряд следующих импульсов в переменной фазой. В результате согласованной фильтрации все составляющие его импульсы складываются по амплитуде, а шумовой процесс при этом декоррелируется. В результате достигается предельное отношение на выходе согласованного фильтра мощности полезного сигнала, к мощности шумовых помех, что и определяет вероятности правильного обнаружения сигнала, и точность измерения его параметров. В силу этого в современных радиотехнических устройствах с цифровой обработкой информации используются исключительно фазоманипулированные сигналы, благодаря микроминиатюризации аппаратуры, повышения ее качественных характеристик (высокочастотности) и расширения аппаратурных возможностей.
     Подчеркнем еще следующее. Качество любой измерительной системы потенциально достижимое определяется не только базой сигнала, но и его структурой, которая задает форму тела неопределенности, которое характеризует форму отклика на выходе согласованного с ним фильтра. Эта форма, так же как и форма диаграммы антенны по уговой координате, представляет собой «острую» функцию с боковыми лепестками. Отношение амплитуды максимального значения к боковым лепесткам и определяет надежность измерения, которую не надо путать с точностью, определяемой именно базой сигнала. Т.о. фазовая структура определяет надежность передачи информации посредством радиосигнала (!). Правильно подобранная последовательность фаз следующих непрерывно один за другим импульсов определяет уровень боковых лепестков, который в пределе и определится базой сигнала (коэффициентом усиления антенны). ( Когда – то (в 1970 г) мой брат занимался подбором правильных соотношений антенн в пространстве (что по сути одно и то же), перебирая разные комбинации для антенного креста на КА. С большим трудом было найдено оптимальное соотношение. Теперь теория дает ответ на этот вопрос, и существует таблица кодов Баркера, которая позволяет не ломая голову применять сложные кодированные ФМ сигналы.). Вот зачем нужна теория.

       Т.о. время является аргументом в представлении сигнала, как в электрических цепях, так и в пространстве, в виде электромагнитного поля. И никто этому не удивляется, не потому, что привыкли, а потому, что с формальной стороны, с точки зрения математики, и теории обработки сигналов, процедуры выделения информации идентичны, и суть их одна. Замечу, что вся информация об окружающем мире, это не что иное, как знание пространственно-временной структуры материи, которая имеет фрагментарную структуру, и состоит из материальных сгустков, существующих в разных фазовых состояниях, (твердого вещества, жидкого, газообразного, плазмы и поля. я так понимаю, и в внутренне убежден, что именно такая трактовка и видение мироустройства наиболее формально четкая и правильная). При этом знание об окружающем мире - информация формально выражается в виде матрицы пространственно-временных связей между этими фрагментами материи, которые потенциально независимы, а потому м могут рассматриваться как отдельные физические материальные объекты. Именно выявление этих связей и есть цель измерителей всех видов, цель который построение многомерной матрицы апостериорных вероятностей распределения всех параметров фрагментов материи (которые рассматриваются и находятся в данном объеме пространства, на заданном интервале времени).
       Перейдя к наблюдателю, заметим, что его зоркость, способность различать различные объекты (фрагменты материи) определится именно видом сигналов, их структурой, и в конечном итоге остротой их тел неопределенности.
 (если он зондирует их излучаемым сигналом ), если же он просто наблюдает, анализируя собственные излучения обхектов, то его зоркость определится шириной апертуры его антенны, если это существо, то диаметром хрусталиков его глаз.

      Что же касается поля, то оно характеризуется напряженностью в разных точках пространства, оно непрерывно. В каждой точке пространства в каждый момент времени присутствует поле с некоторой напряженностью электрического и магнитного поля, которые характеризуют мощность и направления потоков энергии электромагнитного излучения. Поэтому пространство не пустое, оно наполнено потоками энергии, которые можно получать установив антенну, и переведя ее в форму электрического тока .
      Не знаю, как уж будет справляться с задачей наблюдения поля Наблюдатель, но пассивный локатор, принимающий радиоизлучения может это сделать, если у него два глаза, сравнивая полученные излучения и оценивая фазы радиосигналов, принятых ими, при чем не абсолютные, а относительные. Точность измерения дальности до объекта определится расстоянием между двумя «глазами» - антеннами, и точностью измерения временного положения сигнала с неизвестными параметрами. Задача эта весьма сложная и требующая больших аппаратурных затрат, теоретически была решена в начале 70-х годов прошлого века (в настоящее время, полагаю, реализуемая при определении состояния вселенной на достаточно большие расстояния А.К, ).

            Философско-естественно научный взгляд на физическую сущность времени

     Выше я показал привычные представления о времени радиоинженера-разработчик

а приемных и передающих устройств, входящих в системы связи, разведки, радиолокации, радионавигации и СУО, управления воздушным движнием и др.

Думаю, кому-то должно быть интересно и более глубокое представление о нем, которое я пробую дать ниже.
     Начнем издалека.
     Что есть пространство, которое всегда упоминается в связке пространство-время, например пространственно-временные ресурсы? Пространство - это некоторый объем, который мы рассматриваем, физическое «пространство» определяется мерой расстояния от одной его границы до другой, по каждой трех координат физического пространство задается его границами, определяющими интервал его существования - двумя крайними точками.
     Понятие пространство позволяет очертить пределы материи, которую мы рассматриваем, и которая характеризуется рядом параметров. В простейшем случае, например, представления материи в виде твердого вещества, этими параметрами являются плотность вещества, или распределение плотности вещества по данной координате, удельным весом этого вещества (или распределение удельного веса вещества ) по данной координате. Распределения плотности вещества и удельного веса вещества определяют, например, такое свойство фрагмента материи, заключенного между границами объема (который мы рассматриваем), как момент инерции вращения «тела», (заключенного в нем) - М, и центр массы этого тела – характеризующийся параметрами - x1, y1.z1, , при том, что инертность этого тела при разгоне его по прямой определится его массой, которая определится «объемным» интегралом взятым от произведений плотности вещества на его удельный вес взятый в пределах существования «тела», т.е. в границах заданного пространства - ∆X, ∆Y, ∆Z. (заметим, что в общем случае, данный фрагмент материи может быть частью большого тела, и т.о. он не может рассматриваться как независимый объект. Но это уже отдельный разговор о связи фрагментов материи в большем объеме пространства. Именно связь фрагментов материи , расположенных внутри заданного пространства, между собой и определяет информацию о ее фазовом состоянии, т.е. информацию о ее структуре).
       Т.о. мы пришли к понятию - фазовое состояние «фрагмента материи», которым является любое вещественное тело (например, предмет: стул, стол, телевизор и пр.). В самом простейшем случае – это кирпич, состоящий из однородного вещества, с одинаковой плотностью и удельным весом. В предельно сложном виде – это человек, состоящий из огромного числа разных молекул, органических и неорганических, которые образуют его органы, способные выполнять присущие им функции, и его самого, как их целое в единстве их функционирования.

       Всю информацию о фрагменте материи (с точностью до постоянного коэффициента – определяющего его масштаб) содержит «матрица его параметров», так молекула ДНК, невидимая человеческому глазу, содержит в своей структуре – взаимном расположении атомов, входящих в ее состав, информацию о физическом строении всего человеческого организма, который сформируется во взрослом его состоянии.
      Сложность объекта - «фрагмента материи», это сложность его фазовой структуры, и она определяется количеством его параметров, помноженным на количество возможных их дискретных различимых (разрешимых) состояний - градаций (см. выше).
     С учетом сказанного, время можно трактовать как аргумент, определяющий фазовое состояние материи. Итак, первое определение времени:

  Время - это аргумент, определяющий фазовое состояние фрагмента материи, как его функцию. (1)

   Но данное определение не является достаточным, ибо фазовое состояние фрагментов материи в текущий момент времени определяется не только им, но и начальным, его фазовым состоянием, время лишь характеризует динамику процесса изменения его фазового состояния.

    Прим. В математике эти реальные физические процессы изменения параметров фрагментов материи представляются в виде функций – сигналов, содержащих информацию о фазовой структуре материи в параметрах своей фазовой структуры, между первыми и вторыми существует функциональная связь (качество выявления которой и определяет качество обработки сигнала и выделения их него информации, но также объективными обстоятельствами – условиями распространения радиоволн, наличием помех естественного и искусственно происхождения). В радиотехнике рассматриваются процедуры обработки сигналов и оценивается их эффективность..

     Этот момент учитывается при расчете текущих фазовых состояний сигнала тем, что после интегрирования переменной функции производится определение начальных условий - параметров, которые добавляются к полученной величине интеграла.

  Подчеркнем еще раз, абсолютное время - t однозначно характеризует не текущее состояние процесса, а динамику его изменения (изменения его параметров), однако интервал времени Т однозначно характеризует объем изменений параметров процесса, который и определяет затраченную (или выделенную при этом) работу А, равную энергии сигнала – Е, А =Е.
   Т.о. делаем фундаментальный вывод: совершенная в результате действия на объект (фрагмент материи) некоторой силы работа, однозначно определяется изменением его фазовой структуры.
       Откуда следует, что мера интервала времени T действия импульса силы (напряжения) определяется результирующим изменением фазовой структуры фрагмента материи – сигнала, а текущее время t, отсчет которого начался в момент начала действия импульса силы t0 T = t - t0

определяет существующее на данный момент промежуточное фазовое состояние фрагмента материи – сигнала..


   С учетом вышесказанного предлагаю такую формулировку понятия секунды, как единицы измерения:

    Секунда - единица измерения «объема» изменения фазовой структуры фрагмента материи (фазового портрета сигнала) по какой либо из координат его фазовых состояний

     Время - это аргумент, определяющий текущее значение параметров фрагментов материи (в динамике их изменения), расположенных в границах объема пространства параметров , при условии заданности начального фазового состояния этого фрагмента; Абсолютного нуля времени быть не может.

     Интервал времени – это аргумент функции, определяющий объем изменений фазовой структуры фрагмента материи (объекта), произведенных некоторым силовым воздействием на данный фрагмент от его (воздействия) начала до конца.

   Т.о. мера относительного времени определяется мерой изменений фазовой структуры материи внутри некоторого ее фрагмента. Поэтому, если например, представить, что в соседних областях пространства присутствуют изначально фрагменты материи с одинаковой структурой, но после силового воздействия в течении равных по силе воздействий структуры этих фрагментов изменились по разному, то это означает, что в этих объемах пространства время течет с разной скоростью. (!). Может ли такое быть? Казалось бы бред! Но может.
   Представим себе один фрагмент большого объема, например 1 км3, и в нем расположено множество тел, размещенных некоторым образом, что характеризует пространственный портрет этого фрагмента материи. Если возьмем теперь объем равные 100м3, .то та же сила, приложенная к меньшим по размеру объектам, приведет к более быстрым относительным изменения фазового состояния данного фрагмента. И т.о. Объем изменений его структуры будет в 10 раз больше, чем в первом. Но что это значит? Что время внутри этого фрагмента шло в 10 раз быстрее (!) .
   (Признаюсь, что только сейчас я понял смысл парадокса Эйнштейна о замедлении хода времени внутри нее при приближении ее к скорости света. Это явление из той же серии, что я и говорю. При таком подходе становится очевидным. Что реальное течение времени может быть различным для разных живых существ. Так, для маленьких мух дрозофил время идет во много раз быстрее чем для человека, и именно на них проводятся генетические опыты, и изучаются вопросы свойств по передачи по наследству определенных признаков.).

        Время – это ресурс развития материи – изменения и усложнения ее фазовой структуры. И он тем больше, чем быстрее идет процесс изменения фазового состояния фрагментов материи, что и определяет переход при передаче информации к использованию все более мелких энергетических сущностей – т.е. к укорочению длительности сигналов, и соответственно расширению их спектра, что обеспечивает большую скорость передачи информации и ее обработки.

   Чем меньше энергетические элементы – сигналы по длительности, тем они менее инерционны, чем большее ускорение приобретают под воздействиями одной и той же силы, и тем быстрее течет относительное время внутри данного объема.

    Заметим, что скорость изменяя фазы - фазового состояния сигнала - это частота медленных изменений мгновенной мощности, частота его комплексной огибающей, которая несет практически всю информацию о его структуре, Импульсные периодические сигналы с ограниченной длительностью имеют не одну гармонику, а представляются рядом гармоник, амплитуда каждой из которых определяется временной формой сигнала, а фаза – ее расположением на оси частот – фазовой характеристикой спектра. Т.о. комплексная огибающая сигнала в своем временном и спектральном выражении содержит всю информацию, о его параметрах, а значит и параметрах фазовых состояний фрагментов материи, которые рассматриваются с помощью зондирования РЛС.

    Заметим, что длительность всего сложного сигнала, состоящего из последовательности простых импульсов, определяет ширину спектра одной гармоники и разрешающую способность сигнала по частоте - ∆FN = 1/T, а длительность элементарных импульсов – Ти - разрешающую способность сложного сигнала во времени, и ширину его спектра
∆F = N* ∆FN = 1/ Ти.

     И в заключение вопрос. Задумывался ли кто, почему одна и та же сила развивает мощность тем большую, чем действует на тело, находящееся в свободном пространстве?
Вопрос элементарный школьникам, но именно этот эффект является ключевым как при выборе методов оптимальной фильтрации сигналов, и построении схем. радиотехнических устройств, так и в кибернетие, которая занимается нахождением оптимальных алгоритмов управления, во всех аспектах ее применения

    Константин Абакумов 19.12.2015