Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2026-08-25
Все заметки/Волновое электричество
Происхождение Лоренц-фактора из бесконечного идемпотентного расщепления

Теорема о расщеплённом пространстве

\[ \newcommand{\j}{\jmath} \newcommand{\ep}{\mathfrak{e}} \newcommand{\em}{\bar{\mathfrak{e}}} \]

В этой работе мы рассмотрим пространство не как изначально готовую систему независимых измерений, а как структуру, способную последовательно расщепляться на новые взаимно ортогональные состояния. Каждый следующий уровень возникает внутри ещё не раскрытой части предыдущего и повторяет устройство всего пространства. Если продолжать такое расщепление неограниченно, единичное пространство превращается в бесконечную последовательность связанных, но независимых геометрических направлений.
Мы покажем, что в таком пространстве естественно возникает особое самоподобное состояние: при переходе на каждый следующий уровень его вклад уменьшается в одно и то же число раз. Полная геометрическая длина этого бесконечного состояния оказывается равной Лоренц-фактору. Таким образом, его можно рассматривать не только как известный коэффициент теории относительности, но и как внутреннее метрическое свойство бесконечно расщепляемого пространства.
Введение
В работе «Теорема о преобразовании скаляра в вектор» было показано, что Лоренц-фактор можно представить как длину бесконечномерного вектора:
\[ \tag{1} \gamma(\beta) = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}} = \left\| \mathbf j_0+\beta\mathbf j_1+\beta^2\mathbf j_2+\cdots \right\|, \]
где \(\mathbf j_0,\mathbf j_1,\mathbf j_2,\ldots\) — взаимно ортогональные единичные векторы. Однако в той работе этот базис вводился уже в готовом виде. Оставался открытым вопрос: откуда геометрически возникает бесконечная последовательность ортогональных направлений и почему коэффициенты при них должны иметь вид
\[ 1,\quad \beta,\quad \beta^2,\quad \beta^3,\quad\ldots \]
В статье «Многоуровневое идемпотентное расщепление фазовых плоскостей» было показано, что введение новых независимых гиперболических единиц последовательно увеличивает число взаимно ортогональных каналов пространства. Каждая новая единица создаёт дополнительный уровень бинарного расщепления.
В настоящей работе мы объединим эти два результата. Будет показано, что бесконечное последовательное расщепление единицы создаёт счётное множество ортогональных состояний, а единственное масштабно-самоподобное состояние такого пространства имеет длину
\[ \tag{2} \boxed{ \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\| = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. } \]
После физического отождествления
\[ \beta=\frac{v}{c} \]
эта естественная длина состояния пространства совпадает с Лоренц-фактором.
Таким образом, Лоренц-фактор можно рассматривать не только как внешний коэффициент преобразования физических величин, но и как собственную метрическую характеристику бесконечно расщепляемого самоподобного пространства.
1. Векторное представление Лоренц-фактора
Рассмотрим обычный Лоренц-фактор:
\[ \tag{3} \gamma(\beta)=\frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}, \qquad |\beta|<1. \]
Квадрат этого выражения раскладывается в геометрический ряд:
\[ \tag{4} \gamma^2(\beta) = \frac{1}{1-\beta^2} = 1+\beta^2+\beta^4+\beta^6+\cdots. \]
Если каждому члену этого ряда сопоставить отдельное ортогональное направление, получим вектор
\[ \tag{5} \boxed{ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0 +\beta\mathbf j_1 +\beta^2\mathbf j_2 +\beta^3\mathbf j_3 +\cdots, } \]
где базис удовлетворяет условиям
\[ \tag{6} \mathbf j_n\cdot\mathbf j_m = \delta_{nm} = \begin{cases} 1,&n=m,\\ 0,&n\ne m. \end{cases} \]
За счёт ортогональности смешанные произведения исчезают:
\[ \begin{aligned} \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\|^2 &= \left( \sum_{n=0}^{\infty}\beta^n\mathbf j_n \right) \cdot \left( \sum_{m=0}^{\infty}\beta^m\mathbf j_m \right)\\ &= \sum_{n,m=0}^{\infty} \beta^{n+m} \left(\mathbf j_n\cdot\mathbf j_m\right)\\ &= \sum_{n=0}^{\infty}\beta^{2n}\\ &= \frac{1}{1-\beta^2}. \end{aligned} \]
Следовательно,
\[ \tag{7} \boxed{ \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\| = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}} = \gamma(\beta). } \]
Формула (7) уже была получена в предыдущей работе. Но пока это только аналитическое разложение заранее известной функции. Теперь нужно показать, что вектор (5) естественно возникает из внутреннего устройства многоуровневого пространства.
2. Полное и последовательное расщепления
При полном многоуровневом расщеплении каждая новая независимая гиперболическая единица разделяет все существующие компоненты. Если введено \(N\) таких единиц, то возникают
\[ 2^N \]
минимальных комплексных каналов.
Для построения вектора Лоренц-фактора нам понадобится частный случай этой общей конструкции. На каждом уровне одна из ветвей будет фиксироваться как новое состояние, а вторая — оставаться активной и расщепляться дальше.
Получается последовательность:
\[ \text{исходная единица} \longrightarrow \text{первое состояние и остаток} \longrightarrow \text{второе состояние и новый остаток} \longrightarrow\cdots. \]
Такое расщепление не отменяет полного бинарного дерева. Оно выделяет внутри него одну бесконечно продолжающуюся цепочку. Именно эта цепочка будет порождать состояния
\[ E_0,E_1,E_2,E_3,\ldots. \]
3. Идемпотенты отдельного уровня
Пусть каждому уровню расщепления соответствует независимая гиперболическая единица \(\j_n\):
\[ \tag{8} \j_n^2=1, \qquad \j_n\j_m=\j_m\j_n. \]
Определим для неё два идемпотента:
\[ \tag{9} p_n^+ = \frac{1+\j_n}{2}, \qquad p_n^- = \frac{1-\j_n}{2}. \]
Они удовлетворяют условиям
\[ \tag{10} (p_n^\pm)^2=p_n^\pm, \qquad p_n^+p_n^-=0, \qquad p_n^++p_n^-=1. \]
В рассматриваемой последовательной конструкции ветвь \(p_n^-\) будет фиксировать состояние, образовавшееся на данном уровне, а ветвь \(p_n^+\) — обозначать остаточную часть, которая продолжает расщепляться.
Знаки \(+\) и \(-\) здесь не имеют физического смысла направления, скорости или заряда. Они лишь различают две ортогональные ветви каждого расщепления.
4. Последовательная цепочка состояний
На первом уровне единица раскрывается так:
\[ 1=p_1^-+p_1^+. \]
Первое слагаемое фиксируется, а второе расщепляется дальше:
\[ p_1^+ = p_1^+p_2^- + p_1^+p_2^+. \]
Поэтому
\[ 1 = p_1^- + p_1^+p_2^- + p_1^+p_2^+. \]
На следующем уровне:
\[ p_1^+p_2^+ = p_1^+p_2^+p_3^- + p_1^+p_2^+p_3^+. \]
В результате
\[ 1 = p_1^- + p_1^+p_2^- + p_1^+p_2^+p_3^- + p_1^+p_2^+p_3^+. \]
Введём состояния:
\[ \begin{aligned} E_0&=p_1^-,\\ E_1&=p_1^+p_2^-,\\ E_2&=p_1^+p_2^+p_3^-,\\ E_3&=p_1^+p_2^+p_3^+p_4^-,\\ &\ \vdots \end{aligned} \]
В общем виде:
\[ \tag{11} \boxed{ E_n = \left( \prod_{k=1}^{n}p_k^+ \right)p_{n+1}^-, \qquad n=0,1,2,\ldots } \]
При \(n=0\) произведение перед \(p_1^-\) отсутствует, поэтому
\[ E_0=p_1^-. \]
Остаточная ветвь после \(N+1\) расщеплений имеет вид
\[ \tag{12} \boxed{ R_{N+1} = \prod_{k=1}^{N+1}p_k^+. } \]
5. Ортогональность полученных состояний
Докажем, что состояния \(E_n\) являются идемпотентными и взаимно ортогональными.

Лемма 1

Для любых \(n\) и \(m\):
\[ \tag{13} \boxed{ E_nE_m=\delta_{nm}E_n. } \]

Доказательство

Сначала проверим идемпотентность. Поскольку все проекторы коммутируют и каждый из них является идемпотентом,
\[ \begin{aligned} E_n^2 &= \left[ \left( \prod_{k=1}^{n}p_k^+ \right)p_{n+1}^- \right]^2\\ &= \left( \prod_{k=1}^{n}(p_k^+)^2 \right)(p_{n+1}^-)^2\\ &= \left( \prod_{k=1}^{n}p_k^+ \right)p_{n+1}^-\\ &=E_n. \end{aligned} \]
Теперь пусть \(m>n\). Проектор \(E_n\) содержит множитель \(p_{n+1}^-\), тогда как проектор \(E_m\) на том же уровне содержит множитель \(p_{n+1}^+\). Поэтому их произведение содержит
\[ p_{n+1}^-p_{n+1}^+=0. \]
Следовательно,
\[ E_nE_m=0, \qquad n\ne m. \]
Лемма доказана.
Геометрически это означает, что два состояния, возникшие на разных уровнях, расходятся в одной из точек расщепления и после этого не имеют общей компоненты.
6. Разложение единицы

Лемма 2

После \(N+1\) последовательных расщеплений единица представляется в виде
\[ \tag{14} \boxed{ 1 = \sum_{n=0}^{N}E_n+R_{N+1}. } \]

Доказательство

При \(N=0\):
\[ 1=p_1^-+p_1^+=E_0+R_1. \]
Предположим, что для некоторого \(N\) справедливо
\[ 1=\sum_{n=0}^{N}E_n+R_{N+1}. \]
Расщепим остаточную ветвь с помощью следующей пары идемпотентов:
\[ \begin{aligned} R_{N+1} &= R_{N+1}(p_{N+2}^-+p_{N+2}^+)\\ &= R_{N+1}p_{N+2}^- + R_{N+1}p_{N+2}^+. \end{aligned} \]
По определениям (11) и (12):
\[ R_{N+1}p_{N+2}^-=E_{N+1}, \] \[ R_{N+1}p_{N+2}^+=R_{N+2}. \]
Следовательно,
\[ 1 = \sum_{n=0}^{N+1}E_n+R_{N+2}. \]
Лемма доказана методом математической индукции.
При любом конечном числе уровней остаточная ветвь сохраняется. В бесконечном метрическом завершении она уходит на неограниченную глубину, а последовательность состояний
\[ E_0,E_1,E_2,\ldots \]
образует счётное множество взаимно ортогональных каналов.
7. От идемпотентных каналов к многомерному пространству
Алгебраическое условие
\[ E_nE_m=0,\qquad n\ne m \]
показывает независимость каналов. Но для вычисления длины состояния необходимо дополнительно определить метрику.
Сопоставим каждому идемпотентному каналу единичный базисный вектор:
\[ \tag{15} E_n\longleftrightarrow\mathbf j_n. \]
Введём скалярное произведение:
\[ \tag{16} \boxed{ \mathbf j_n\cdot\mathbf j_m=\delta_{nm}. } \]
Тогда произвольный вектор имеет вид
\[ \mathbf u = u_0\mathbf j_0+ u_1\mathbf j_1+ u_2\mathbf j_2+\cdots, \]
а его квадрат длины равен
\[ \tag{17} \|\mathbf u\|^2 = u_0^2+u_1^2+u_2^2+\cdots. \]
Так многоуровневое идемпотентное расщепление создаёт счётномерное ортогональное пространство
\[ \mathcal H = \operatorname{span} \{\mathbf j_0,\mathbf j_1,\mathbf j_2,\ldots\}. \]
Его можно понимать как бесконечномерное пространство, в котором определены направления, ортогональность, длина и сходимость состояний.
8. Пространство, которое воспроизводит себя
Рассмотрим полное пространство
\[ \mathcal H = \operatorname{span} \{\mathbf j_0,\mathbf j_1,\mathbf j_2,\ldots\}. \]
После выделения первого направления \(\mathbf j_0\) остаётся подпространство
\[ \mathcal H_1 = \operatorname{span} \{\mathbf j_1,\mathbf j_2,\mathbf j_3,\ldots\}. \]
Оно имеет такую же структуру, как исходное пространство: отличается только нумерация направлений. Поэтому
\[ \mathcal H_1\simeq\mathcal H. \]
Введём оператор перехода на следующий уровень:
\[ \tag{18} \boxed{ S\mathbf j_n=\mathbf j_{n+1}. } \]
Для произвольного вектора:
\[ S \left( u_0\mathbf j_0+ u_1\mathbf j_1+ u_2\mathbf j_2+\cdots \right) = u_0\mathbf j_1+ u_1\mathbf j_2+ u_2\mathbf j_3+\cdots. \]
Оператор \(S\) сохраняет длину:
\[ \tag{19} \|S\mathbf u\|=\|\mathbf u\|. \]
Кроме того, всё перенесённое состояние ортогонально начальному направлению:
\[ \tag{20} \mathbf j_0\cdot S\mathbf u=0. \]
Поэтому пространство обладает рекурсивной структурой:
\[ \tag{21} \boxed{ \mathcal H = \operatorname{span}\{\mathbf j_0\} \oplus S\mathcal H. } \]
Формула (21) означает, что пространство состоит из начального единичного направления и полной копии самого себя, перенесённой на следующий уровень.
Именно это свойство будем называть геометрическим самоподобием пространства.
9. Естественное состояние пространства
Теперь требуется определить состояние, согласованное с самоподобной структурой (21).
Пусть при переходе на каждый следующий уровень амплитуда состояния умножается на один и тот же безразмерный коэффициент \(\beta\). Тогда полное состояние должно состоять из:
Следовательно, состояние должно удовлетворять рекурсивному уравнению
\[ \tag{22} \boxed{ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+\beta S\boldsymbol{\Gamma}_\beta. } \]
Это уравнение не является специально подобранным представлением Лоренц-фактора. Оно непосредственно выражает устройство рассматриваемого пространства:
\[ \boxed{ \text{целое состояние} = \text{начальное состояние} + \text{масштабированная копия целого}. } \]
Будем называть решение уравнения (22) естественным самоподобным \(\beta\)-состоянием пространства.
10. Почему это состояние является естественным
Определение (22) выделяет состояние не по заранее известной формуле, а по его внутренним геометрическим свойствам.
Естественное состояние:
Именно существование и единственность такого состояния позволяют говорить, что оно является естественным свойством пространства, а не произвольной конструкцией.
11. Теорема о естественном состоянии расщеплённого пространства

Теорема

Пусть пространство \(\mathcal H\) образовано бесконечной последовательностью взаимно ортогональных состояний
\[ \mathbf j_0,\mathbf j_1,\mathbf j_2,\ldots, \]
а оператор \(S\) переводит каждое состояние на следующий уровень:
\[ S\mathbf j_n=\mathbf j_{n+1}. \]
Тогда при \(|\beta|<1\) уравнение самоподобия
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+\beta S\boldsymbol{\Gamma}_\beta \]
имеет единственное решение конечной нормы:
\[ \tag{23} \boxed{ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \sum_{n=0}^{\infty}\beta^n\mathbf j_n. } \]
Норма этого состояния равна
\[ \tag{24} \boxed{ \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\| = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. } \]
12. Доказательство существования
Начнём с уравнения самоподобия:
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+\beta S\boldsymbol{\Gamma}_\beta. \]
Подставим правую часть этого же уравнения вместо \(\boldsymbol{\Gamma}_\beta\):
\[ \begin{aligned} \boldsymbol{\Gamma}_\beta &= \mathbf j_0+ \beta S \left( \mathbf j_0+\beta S\boldsymbol{\Gamma}_\beta \right)\\ &= \mathbf j_0+ \beta\mathbf j_1+ \beta^2S^2\boldsymbol{\Gamma}_\beta. \end{aligned} \]
После следующей подстановки:
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+ \beta\mathbf j_1+ \beta^2\mathbf j_2+ \beta^3S^3\boldsymbol{\Gamma}_\beta. \]
После \(N+1\) повторений:
\[ \tag{25} \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \sum_{n=0}^{N}\beta^n\mathbf j_n + \beta^{N+1}S^{N+1}\boldsymbol{\Gamma}_\beta. \]
Поскольку оператор \(S\) сохраняет норму,
\[ \left\| \beta^{N+1}S^{N+1}\boldsymbol{\Gamma}_\beta \right\| = |\beta|^{N+1} \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\|. \]
При \(|\beta|<1\):
\[ \lim_{N\to\infty} |\beta|^{N+1} \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\| = 0. \]
Поэтому остаток в формуле (25) исчезает, и мы получаем
\[ \boxed{ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+ \beta\mathbf j_1+ \beta^2\mathbf j_2+ \beta^3\mathbf j_3+\cdots. } \]
Ряд имеет конечную норму, поскольку
\[ \sum_{n=0}^{\infty}\beta^{2n} \]
сходится при \(|\beta|<1\). Следовательно, естественное состояние существует.
13. Доказательство единственности
Предположим, что существуют два состояния конечной нормы, удовлетворяющие одному и тому же уравнению:
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta^{(1)} = \mathbf j_0+ \beta S\boldsymbol{\Gamma}_\beta^{(1)}, \] \[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta^{(2)} = \mathbf j_0+ \beta S\boldsymbol{\Gamma}_\beta^{(2)}. \]
Вычтем второе уравнение из первого и обозначим
\[ \boldsymbol{\Delta} = \boldsymbol{\Gamma}_\beta^{(1)} - \boldsymbol{\Gamma}_\beta^{(2)}. \]
Тогда
\[ \boldsymbol{\Delta} = \beta S\boldsymbol{\Delta}. \]
Возьмём нормы обеих частей:
\[ \|\boldsymbol{\Delta}\| = |\beta|\,\|S\boldsymbol{\Delta}\|. \]
Так как \(S\) сохраняет норму,
\[ \|\boldsymbol{\Delta}\| = |\beta|\,\|\boldsymbol{\Delta}\|. \]
При \(|\beta|<1\) это равенство возможно только в случае
\[ \|\boldsymbol{\Delta}\|=0. \]
Следовательно,
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta^{(1)} = \boldsymbol{\Gamma}_\beta^{(2)}. \]
Таким образом, естественное самоподобное состояние пространства является единственным.
14. Первое доказательство Лоренц-фактора
Мы получили состояние
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \sum_{n=0}^{\infty}\beta^n\mathbf j_n. \]
Вычислим квадрат его нормы:
\[ \begin{aligned} \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\|^2 &= \left( \sum_{n=0}^{\infty}\beta^n\mathbf j_n \right) \cdot \left( \sum_{m=0}^{\infty}\beta^m\mathbf j_m \right)\\ &= \sum_{n,m=0}^{\infty} \beta^{n+m}\delta_{nm}\\ &= \sum_{n=0}^{\infty}\beta^{2n}\\ &= 1+\beta^2+\beta^4+\cdots\\ &= \frac{1}{1-\beta^2}. \end{aligned} \]
Поэтому
\[ \tag{26} \boxed{ \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\| = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. } \]
Это выражение совпадает с Лоренц-фактором.
15. Второе доказательство: геометрическая теорема Пифагора
Существует более короткий и геометрически более наглядный вывод.
Естественное состояние пространства состоит из двух ортогональных частей:
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \underbrace{\mathbf j_0}_{\text{исходное состояние}} + \underbrace{\beta S\boldsymbol{\Gamma}_\beta}_{\text{масштабированная копия пространства}}. \]
Поскольку
\[ \mathbf j_0\cdot S\boldsymbol{\Gamma}_\beta=0, \]
по теореме Пифагора:
\[ \begin{aligned} \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\|^2 &= \|\mathbf j_0\|^2 + \beta^2 \left\|S\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\|^2\\ &= 1+ \beta^2 \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\|^2. \end{aligned} \]
Следовательно,
\[ \left(1-\beta^2\right) \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\|^2 = 1. \]
Отсюда снова получаем
\[ \tag{27} \boxed{ \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\| = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. } \]
В этом доказательстве Лоренц-фактор возникает без предварительного разложения функции в ряд. Он является прямым следствием ортогональности и самоподобия пространства.
Именно поэтому формулу (27) можно считать естественной метрической характеристикой рассматриваемой геометрии.
16. Вложенная форма состояния
Скалярная идея, лежащая в основе построения, может быть записана в виде
\[ 1+x\left[ 1+x\left( 1+x\left( 1+\cdots \right) \right) \right]. \]
Однако в нашем случае каждый следующий член относится к новому ортогональному направлению. Поэтому векторная вложенность имеет вид
\[ \tag{28} \boxed{ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+ \beta S \left[ \mathbf j_0+ \beta S \left( \mathbf j_0+ \beta S(\cdots) \right) \right]. } \]
После вычисления квадрата нормы операторные переходы превращаются в множители \(\beta^2\):
\[ \tag{29} \boxed{ \gamma^2 = 1+\beta^2 \left[ 1+\beta^2 \left( 1+\beta^2 \left( 1+\cdots \right) \right) \right]. } \]
Всё выражение внутри первой квадратной скобки снова равно \(\gamma^2\), поэтому
\[ \gamma^2=1+\beta^2\gamma^2. \]
Отсюда
\[ \gamma^2=\frac{1}{1-\beta^2}. \]
Таким образом, вложенная конструкция
\[ 1+x(1+x(1+x+\cdots)) \]
соответствует Лоренц-фактору при
\[ x=\beta^2, \]
если каждая новая единица представляет отдельное ортогональное состояние пространства.
17. Почему возникают степени \(\beta^n\)
Важно уточнить, что пространство не состоит из бесконечного числа состояний с одинаковой амплитудой \(\beta\). Вектор
\[ \mathbf j_0+ \beta\mathbf j_1+ \beta\mathbf j_2+ \beta\mathbf j_3+\cdots \]
имел бы бесконечную норму при любом \(\beta\ne0\).
В нашей конструкции коэффициент \(\beta\) применяется не отдельно к каждому новому состоянию, а ко всей остающейся копии пространства:
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+\beta S\boldsymbol{\Gamma}_\beta. \]
Чтобы достичь уровня \(n\), необходимо выполнить \(n\) последовательных переходов. Поэтому амплитуда этого уровня равна
\[ \beta^n. \]
Получается последовательность:
\[ \boxed{ 1,\quad \beta,\quad \beta^2,\quad \beta^3,\quad\ldots } \]
Следовательно, степени \(\beta\) не назначаются каждому уровню вручную. Они автоматически возникают из повторения одного и того же масштабного перехода.
18. Пространство с конечным числом уровней
Если расщепление заканчивается после \(N+1\) состояний, получаем конечномерный вектор:
\[ \boldsymbol{\Gamma}_{\beta,N} = \sum_{n=0}^{N}\beta^n\mathbf j_n. \]
Его квадрат нормы:
\[ \left\|\boldsymbol{\Gamma}_{\beta,N}\right\|^2 = \sum_{n=0}^{N}\beta^{2n} = \frac{1-\beta^{2N+2}}{1-\beta^2}. \]
Поэтому конечномерный аналог Лоренц-фактора равен
\[ \tag{30} \boxed{ \gamma_N(\beta) = \sqrt{ \frac{1-\beta^{2N+2}} {1-\beta^2} }. } \]
Первые приближения имеют вид:
\[ \begin{aligned} \gamma_0&=1,\\ \gamma_1&=\sqrt{1+\beta^2},\\ \gamma_2&=\sqrt{1+\beta^2+\beta^4},\\ \gamma_3&=\sqrt{1+\beta^2+\beta^4+\beta^6}. \end{aligned} \]
При увеличении числа уровней:
\[ \tag{31} \boxed{ \lim_{N\to\infty}\gamma_N(\beta) = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}, \qquad |\beta|<1. } \]
Таким образом, точный Лоренц-фактор соответствует бесконечно глубокому расщеплению пространства, а конечное число уровней даёт его конечномерное приближение.
19. Геометрический смысл параметра \(\beta\)
В чисто математической конструкции \(\beta\) является коэффициентом масштабного перехода между соседними уровнями:
\[ \mathbf j_n \longrightarrow \beta\mathbf j_{n+1}. \]
После физического отождествления
\[ \tag{32} \boxed{ \beta=\frac{v}{c} } \]
естественное состояние принимает вид
\[ \boldsymbol{\Gamma}(v) = \mathbf j_0 + \frac{v}{c}\mathbf j_1 + \left(\frac{v}{c}\right)^2\mathbf j_2 + \left(\frac{v}{c}\right)^3\mathbf j_3 +\cdots. \]
Его длина равна
\[ \tag{33} \boxed{ \left\|\boldsymbol{\Gamma}(v)\right\| = \frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}. } \]
При таком подходе скорость определяет степень проявления внутренних уровней пространства.
При малой скорости:
\[ |\beta|\ll1, \]
высшие компоненты быстро уменьшаются:
\[ 1\gg|\beta|\gg\beta^2\gg|\beta|^3\gg\cdots. \]
Поэтому состояние пространства практически ограничивается первыми направлениями.
При увеличении \(|\beta|\) последующие уровни убывают медленнее, и в полной длине состояния начинает участвовать всё больше ортогональных компонент.
20. Эффективное число проявленных уровней
Можно оценить число уровней, амплитуда которых превышает некоторое малое значение \(\varepsilon\). Условие заметности \(n\)-го уровня имеет вид
\[ |\beta|^n\geq\varepsilon. \]
После логарифмирования:
\[ n\leq \frac{\ln\varepsilon}{\ln|\beta|}. \]
Поэтому эффективное число проявленных уровней можно оценить как
\[ \tag{34} \boxed{ N_{\mathrm{eff}} \approx \frac{\ln\varepsilon}{\ln|\beta|}. } \]
При \(|\beta|\to1\):
\[ \ln|\beta|\to0, \qquad N_{\mathrm{eff}}\to\infty. \]
То есть по мере приближения \(|\beta|\) к единице существенно проявляется всё больше уровней расщеплённого пространства.
21. Граничные состояния

Случай \(\beta=0\)

Если
\[ \beta=0, \]
то
\[ \boldsymbol{\Gamma}_0=\mathbf j_0, \qquad \|\boldsymbol{\Gamma}_0\|=1. \]
Проявлено только исходное состояние. Все последующие уровни имеют нулевую амплитуду.

Случай \(0<|\beta|<1\)

В состоянии участвует бесконечное число уровней:
\[ 1,\beta,\beta^2,\beta^3,\ldots, \]
но их амплитуды убывают. Поэтому полная норма остаётся конечной.

Предел \(|\beta|\to1\)

При приближении к единице подавление высших уровней исчезает:
\[ \beta^n\to1. \]
Тогда
\[ \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\|^2 = 1+\beta^2+\beta^4+\cdots \longrightarrow\infty. \]
Геометрически это означает, что бесконечное число ортогональных состояний получает практически одинаковый вес. Такое состояние уже не имеет конечной нормы.

Случай \(|\beta|>1\)

Коэффициенты
\[ 1,\beta,\beta^2,\beta^3,\ldots \]
не убывают, а возрастают. Поэтому состояние не принадлежит построенному пространству конечной нормы.
Таким образом, условие
\[ |\beta|<1 \]
возникает как математическое условие существования конечного естественного состояния бесконечно расщеплённого пространства.
22. Лоренц-фактор как внутренняя длина пространства
В обычной скалярной записи
\[ \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}} \]
Лоренц-фактор выглядит как коэффициент, который необходимо дополнительно применить к некоторой физической величине.
В рассматриваемом представлении он получает непосредственный геометрический смысл:
\[ \tag{35} \boxed{ \gamma = \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\|. } \]
Координатами естественного состояния являются
\[ \{1,\beta,\beta^2,\beta^3,\ldots\}, \]
а Лоренц-фактор является полной длиной этого состояния во всех ортогональных направлениях.
Получается следующая логическая последовательность:
\[ \boxed{ \begin{aligned} &\text{многоуровневое идемпотентное расщепление}\\ &\Downarrow\\ &\text{бесконечная последовательность ортогональных каналов}\\ &\Downarrow\\ &\text{самоподобное состояние с коэффициентом }\beta\\ &\Downarrow\\ &\boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+\beta\mathbf j_1+\beta^2\mathbf j_2+\cdots\\ &\Downarrow\\ &\left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\| = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. \end{aligned} } \]
Следовательно, Лоренц-фактор не требуется вводить в эту геометрию отдельно. Он появляется как норма единственного самоподобного состояния, согласованного с внутренним строением пространства.
23. В каком смысле это свойство является естественным
Слово «естественное» здесь имеет точный математический смысл.
Мы не назначаем отдельно коэффициенты
\[ 1,\beta,\beta^2,\ldots \]
и не подбираем их специально для получения известной формулы. Вместо этого задаются только основные свойства пространства:
\[ \boxed{ \begin{aligned} &\text{1. Бесконечная расщепляемость;}\\ &\text{2. Ортогональность возникающих состояний;}\\ &\text{3. Самоподобие остаточной части;}\\ &\text{4. Единый коэффициент перехода }\beta. \end{aligned} } \]
Из них следует рекурсивное уравнение
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+\beta S\boldsymbol{\Gamma}_\beta. \]
Это уравнение имеет единственное решение конечной нормы, а его длина неизбежно равна
\[ \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. \]
Поэтому Лоренц-фактор является не случайным результатом выбранного разложения, а необходимой метрической характеристикой пространства с перечисленными свойствами.
24. Границы полученного результата
Для точности необходимо разделять результаты, полученные непосредственно из алгебры, и дополнительные свойства рассматриваемой модели пространства.
Многоуровневое идемпотентное расщепление даёт:
Дополнительно вводятся:
Одно только наличие идемпотентных расщеплений ещё не выбирает Лоренц-фактор среди всех возможных функций. Его однозначно выбирает сочетание расщепления, ортогональности и масштабного самоподобия.
Именно совокупность этих свойств определяет рассматриваемую модель пространства.
Заключение
В работе о преобразовании скаляра в вектор Лоренц-фактор был представлен как длина бесконечномерного вектора:
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+ \beta\mathbf j_1+ \beta^2\mathbf j_2+\cdots. \]
Настоящая работа показывает возможное внутреннее происхождение этого вектора.
Последовательное многоуровневое идемпотентное расщепление создаёт цепочку взаимно ортогональных состояний:
\[ E_0,E_1,E_2,\ldots. \]
После введения метрики им соответствует ортонормированный базис:
\[ \mathbf j_0,\mathbf j_1,\mathbf j_2,\ldots. \]
Оставшаяся после выделения первого направления часть пространства имеет ту же структуру, что и целое пространство. Если переход на следующий уровень сопровождается единым масштабным коэффициентом \(\beta\), естественное состояние должно удовлетворять уравнению
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \mathbf j_0+\beta S\boldsymbol{\Gamma}_\beta. \]
Было доказано, что при \(|\beta|<1\) это уравнение имеет единственное решение конечной нормы:
\[ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \sum_{n=0}^{\infty}\beta^n\mathbf j_n. \]
Его длина равна
\[ \boxed{ \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\| = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. } \]
После отождествления \(\beta=v/c\) эта длина совпадает с Лоренц-фактором.
Таким образом, Лоренц-фактор можно рассматривать не как внешнюю поправку, наложенную на пространство, а как длину его собственного бесконечно глубокого состояния. Чем больше \(|\beta|\), тем медленнее убывают компоненты высших уровней и тем больше ортогональных состояний участвует в формировании полной геометрической длины.
Основной результат работы можно выразить следующим образом:
\[ \boxed{ \begin{gathered} \text{бесконечная расщепляемость} + \text{ортогональность} + \text{масштабное самоподобие}\\ \Downarrow\\ \boldsymbol{\Gamma}_\beta = \{1,\beta,\beta^2,\beta^3,\ldots\}\\ \Downarrow\\ \gamma = \left\|\boldsymbol{\Gamma}_\beta\right\| = \frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. \end{gathered} } \]
Следовательно, Лоренц-фактор является естественной метрической характеристикой бесконечно расщеплённого самоподобного пространства.