|
Тем самым мы создаем контекст, позволяющий понять, что именно происходит с системой, и почему это так. Этот контекст и есть «фазовое пространство» системы. Любое из возможных состояний можно считать точкой фазового пространства. С течением времени состояние изменяется, и точка вычерчивает некоторую кривую, или траекторию системы. Правило, согласно которому строится траектория, называется динамикой системы. Во многих областях физики динамика полностью определена заранее, но приведенную терминологию можно расширить и на те случаи, когда правило подразумевает выбор из нескольких возможностей. Подходящим примером будет игра. В этом случае фазовое пространство состоит из возможных позиций, динамика представлена правилами игры, а траектория — это допустимая последовательность ходов, сделанных игроками.
Для нас важно не столько точное определение фазовых пространств и сопутствующих терминов, сколько формируемый ими взгляд на вещи. Например, вы могли бы задаться вопросом, почему в отсутствие ветра и прочих воздействий поверхность воды в луже остается плоской. Она просто стоит на месте и ничего не делает . Но если вы спросите: «А что бы произошло, если бы поверхность не была плоской?», то сразу же сдвинетесь с мертвой точки. Например, почему нельзя сделать из воды «горку» в центре лужи? Что ж, предположим, что мы это сделали. Предположим, что мы способны контролировать положение каждой молекулы воды, смогли собрать из них горку и каким-то чудесным образом удерживаем все молекулы там, куда мы их поместили. А потом мы их «отпускам». Что произойдет дальше? Масса воды обрушится вниз, и после нескольких всплесков поверхность примет замечательную плоскую форму, к который мы так привыкли. А если придать воде форму с большим углублением посередине? Как только вы предоставите ее самой себе, вода начнет перемещаться от краев к центру, и углубление будет заполнено. С математической точки зрения эту идею можно формально представить в виде пространства всех возможных форм, которые способна принять поверхность воды. Говоря о «возможных» формах, мы не имеем в виду физическую возможность: в реальном мире поверхность воды в отсутствие каких-либо возмущений всегда будет плоской. Здесь мы имеем в виду «концептуальную возможность». Итак, мы можем представить пространство всех возможных форм водной поверхности в виде простого математического объекта — это и будет фазовое пространство нашей задачи. Каждая «точка», или местоположение, в этом пространстве соответствует потенциально возможной форме. И лишь одна из таких точек, или состояний, соответствует плоской поверхности. Теперь, когда мы определили подходящее фазовое пространство, следующий шаг — понять динамику систему: каким образом естественное течение воды в условиях гравитации влияет на возможную форму поверхности воды. В данном случае для решения задачи достаточно знать один простой принцип: вода движется так, чтобы свести свою энергию к минимуму. Если придать воде определенную форму — например, в виде выпуклой «горки», а затем предоставить ее самой себе, то поверхность будет двигаться вниз, в направлении «градиента энергии», пока ее энергия не достигнет минимума. Далее (после нескольких всплесков, которые постепенно исчезнут под действием трения) она успокоится и будет оставаться в этом состоянии минимальной энергии. В данном случае мы имеем в виду «потенциальную энергию», зависящую от гравитации. Потенциальная энергия некоторой массы воды определяется произведением ее массы и высоты над некоторым фиксированным уровнем. Предположим, что поверхность воды отличается от плоской. Тогда некоторые ее части будут находиться выше других. Следовательно, мы можем перенести некоторое количество воды с более высокого уровня на более низкий, разглаживая выпуклости и заполняя углубления. В результате вода движется вниз, и ее общая энергия уменьшается. |
