Пространство и время - физическая или субъективная реальность?

В названии противопоставляется, с одной стороны, то, что существует объективно, в виде чего-то, т.е. имеет некоторую материальную (поле или вещество) структуру и то, что существует только в голове, в виде условной абстракции, обозначающей что-то в объективной реальности.

Для примера оценим в этом качестве совершенно явный и бесспорный объект осознанного внимания - форму тела, в частности, куб. Понятно, что куб состоит из вещества, которое приняло форму, распознаваемую нами как куб (а кошкой - просто как кусочек шашлыка). Мы используем понятие куб не только в своей голове, а, скажем, для сопоставления, что тело такой формы пролезет в квадратное отверстие, чуть большего размера. Но сама форма куба, вне зависимости от содержания, не существует в природе в виде чего-то, что могло бы быть самостоятельной сущностью, вне содержания. Эта форма оказывается проявлением свойств нашего восприятия выделять в окружающем форму объекта (принцип персептрона), но стоит посмотреть на реальный куб в микроскоп, и форма куба исчезает в неровностях, а при еще большем увеличении вообще граница тела размывается в окружающем из-за обменных процессов разного рода, вплоть до взаимодействия с флуктуирующими частицами вакуума, размывающими поддающуюся наблюдениям форму атомов.

Философы говорят про то, что форма, в отличие от содержания, не является материальной, а психофизиологи могут сказать, что форма - условная абстракция, происходящая из свойств коллекции распознавателей примитивов восприятия и более сложных распознавателей, существующая только в голове того, у кого есть такое понятие, и это позволяет применять такие абстракции в поведении.

Но многие "профессиональные физики" считают, что пространство и время - физическая, т.е. объективно существующая реальность, так интерпретируя высказывания Эйнштейна о единстве пространства и времени, об искривлении пространства и изменении масштаба времени.

Интересно то, что такие физики не могут сказать, а виде чего существует пространство и время как самостоятельная сущность? А без такого предположения, что должна быть материальная основа у того, что явялется физической реальностью, т.е. способной к взаимодействиям, такое утверждение принципиально некорректно.

То, что некие предположительные образования в физике не претендуют на описание их сущности, скажем, суперструны, конечно, не доказывает, что это - не физическая реальность, а что есть нечто в основе этих образований, что пока не исследовано, но, все же, составляет сущность. При этом стоит отметить и тех физиков, которые физической реальностью считают даже информацию, ставя ее в основу всего остального, но сейчас про информацию говорить не будем, а рассмотрим различные аспекты представлений о пространстве и времени и их интерпретации. Коротко говоря, физики, будучи специалистами в своей, обычно довольно узкой части физики, бывают довольно наивными в других представлениях, что, конечно, не новость.

Борисова Л.Б. кандидат физико-математических наук: "Пространство настоящего есть физическая реальность, в которой материализованы трёхмерные тела людей, а пространства прошлого и будущего являются виртуальными." 

Академик С. Соболев: "В бурное время развития науки, когда пришлось отка­заться от понятий, казавшихся основными, а физика, таких, как, например, непроницаемость материи, абсолютность про­странства и времени, от таких представлений, как возмож­ность одновременного определения положения и скорости микрочастиц, часть ученых отказалась от привычного здра­вого, рационального подхода и миру.

Опыт Майкельсона, показавший независимость скорости свете от движения инерциальной системы, а которой она измеряется, привел к крушению гипотезы мирового эфира, к созданию теории относительности, объединившей пространство   и   время   в   одну   физическую   реальность.

Старые философы-материалисты говорили о том, что ма­терия существует, а пространстве и времени, но последние понимались очень абстрактно. В новой физике пространство и время получили конкретное физическое истолкование. Найденное Эйнштейном пространственно-временное един­ство существует как физическая реальность, независимо от нашего сознания.".

Жаль, что не получится спросить, а это единство имеет ли какую-то фундаментальную основу или существует просто в виде самодостаточной бесструктурной сущности? Если имеет основу, то ясно, что академик просто содержание отождествил вместе с формой и вопрос в данной интерпретации отпадает. Физик, впрочем, не должен задумываться о таких философских нюансах, казалось бы, но на деле такие нюансы понимания могут приводит к неадекватным выводам, примеров которых демонстрируется немало, что в конечной иллюстрации будет показано.

И возникает дополнительный вопрос: если метрики относительны и зависят от точки отсчета так, что время в одной и время в другой может приводить к разительно отличающейся динамике событий, то, получается, что сколько систем отчета, столько и метрик?

Это становится все чудесатее, так что очень стоит разобраться.

Но сначала, чтобы задать контекст того, что я предполагаю в качестве компромиссного понимания вопроса, возможно, что для упрощения многие просто используют слово пространство и время, все же, как форму того, что в самом деле составляет фундаментальную основу всего существующего в доступных нам проявлениях. У меня есть кандидат на такую роль - структура физического вакуума и есть представления о том, как она могла бы служить такой основой, но сейчас это не имеет значения. Важно чётко задаться вопросом о принципиальной возможности или 1) какой-то первоосновы, проявляющей свойства метрики или 2) посчитать саму метрику физической реальностью. Вот в таком контексте и будем рассматривать все доводы.

Сразу замечу, что никакие конкретные физические модели фундаментальных взаимодействий здесь не рассматриваются, вопрос более принципиален, чем частные профессиональные представления физиков, но именно уже общепринятые представления позволяют разобраться с этим.

Что говорит первопостановшик вопроса, из статьи А. Эйнштейн. Пространство-время. Теория относительности:

"...слова Эйнштейна о том, что в донаучном мышлении "пространство выглядит как физическая реальность, как вещь, существующая независимо от нашего сознания, подобно материальным объектам" (СНТ, т.2, с.236).

...Эйнштейн приходит к мысли, что "формирование понятия материального объекта должно предшествовать нашим понятиям времени и пространства" (СНТ, т.2, с.748).

...из речи Эйнштейна в Ноттингеме ещё в 1930 году: "Мы приходим к странному выводу: сейчас нам начинает казаться, что первичную роль играет пространство; материя же должна быть получена из пространства, так сказать, на следующем этапе. Пространство поглощает материю. Мы всегда рассматривали материю первичной, а пространство вторичным. Пространство, образно говоря, берёт сейчас реванш и "съедает" материю. Однако всё это остаётся пока лишь сокровенной мечтой" (СНТ, т.2, с.243)." 

Есть и такое мнение: "Из всего сказанного очевидно, что эти системы (ИСО) всегда являются некоторой идеализацией существующего положения вещей. И хотя в полном смысле ИСО внутри субстрата материи не существует, мы, тем не менее, можем совершенно спокойно применять их, как в своих теоретических, так и экспериментальных исследованиях.

... изложенный здесь подход к понятию "пространство" делает его полностью ясным, наглядным и может исключить все противоречия, возникающие с неоднозначностью его применения, как в физике, так и в философии."

Популяризатор фундаментальных представлений физической науки Брайан Грин, один из ведущих физиков современности, автор «Элегантной Вселенной» в книге "Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности":

Пространство-время – придуманная Эйнштейном абстракция или физическая сущность?

"..имеется поразительное сходство между светоносным эфиром и ньютоновским абсолютным пространством. Они оба возникли в попытках обеспечить ссылку на систему отсчета для определения движения; ускоренное движение приводит к абсолютному пространству, движение света приводит к светоносному эфиру.

... Но в 1887 году, когда Альберт Майкельсон и Эдвард Морли измеряли скорость света, они раз за разом находили точно ту же скорость 670 миллионов миль в час независимо от их движения или от движения источника света.

... Итак, заключил Эйнштейн, ньютоновские идеи об абсолютном пространстве и абсолютном времени ложны. Эйнштейн сделал вывод, что эксперименты людей, которые движутся друг относительно друга, как Барт и Лиза, не будут находить одинаковые значения измерений для расстояний и длительностей. Головоломные экспериментальные данные о скорости света могут быть объяснены, только если их восприятия пространства и времени различны.... Из хорошо установленного утверждения, что скорость света есть константа, мы заключаем, что пространство и время существуют в глазах очевидца. Каждый из нас носит свои собственные часы, наш собственный монитор передвижения во времени.

... СТО декларирует аналогичный закон для любого движения: общая скорость любого движения объекта через пространство и его движения через время всегда в точности равна скорости света.

... наблюдатели, находящиеся в относительном движении, имеют разные точки зрения на одновременность – они не согласятся с тем, что некоторые вещи происходят в одно и то же время.

... Абсолютное пространство не существует. Абсолютное время не существует. Но, в соответствии с СТО, существует абсолютное пространство-время.... С этой точки зрения маятник опять качнулся назад: от реляциониста Лейбница к абсолютисту Ньютону, затем к реляционисту Маху, и теперь назад к Эйнштейну, чья СТО опять-таки показывает, что арена реальности, – выглядящая как пространство-время, но не как пространство, – является чем-то достаточным, чтобы обеспечить окончательную точку отсчета для движения.[11]

... Таблица 3.1 Сводка различных позиций по поводу природы пространства и пространства-времени.

НЬЮТОН Пространство есть нечто, реально существующее; ускоренное движение не относительно; абсолютистская позиция.

ЛЕЙБНИЦ Пространство реально не существует; все аспекты движения относительны; реляционистская позиция. МАХ Пространство реально не существует; ускоренное движение относительно к среднему распределению масс во вселенной; реляционистская позиция.

ЭЙНШТЕЙН Пространство и время индивидуально относительны; пространство-время (СТО) есть нечто, абсолютно реально существующее (реально субъективно или объективно?).  

... Поскольку гравитация и ускорение эквивалентны, Эйнштейн понял, что сама гравитация должна быть ничем иным как деформациями и искривлениями в ткани пространства-времени.... Это похоже на то, как будто материя и энергия оставляет след на сетке в виде углублений и бугров, вдоль которых объекты управляются невидимой рукой пространственно-временной ткани. т.е., все же, есть некая основа того, что составляет пространство.

... Теория струн, которая постулирует петли и обрывки энергии вместо точечных частиц и предлагает смелую версию мечты Эйнштейна, в которой все частицы и все силы объединены в единственную теорию. Дополнительные пространственные измерения, возникающие из математики теории струн, и, возможно, обнаруживаемые экспериментами на ускорителях в течение следующего десятилетия. Мир на бране, в котором наши три пространственные измерения могут быть лишь одной вселенной среди многих, плавающих в многомерном пространстве-времени. И, возможно, даже новое пространство-время, в котором сама ткань пространства и времени составлена более фундаментальными беспространственными и безвременными сущностями."

Все же, при более внимательном рассмотрении речь идет о том, что определяет локальные свойства метрики, нечто более общее, имеющее форму степеней свободы - "измерений". А формулировки типа "искривление пространства массой" используются с целью упрощения, но подразумевают то, что поляризуется массой и проявляет такими метриками.

Все сводится к вопросу: "Физическая ли реальность - форма куба"? При том, что эта форма реально проявляет себя в наблюдении в силу специфики нашего восприятия. А не было бы этого восприятия, все просто происходило бы на основе причинности фундаментальных взаимодействий.

"Пространство и время сами по себе в отдельности относительны, а вместе приходят к абсолютному пределу скорости света", и это означает именно форму проявления материи во взаимодействиях нашего уровня наблюдений (на квантовом уровне все становится другим), но не существование их в виде чего-то вроде эфира или другой сущности на ряду с полем и вещевом.

Вот очень лаконичная формулировка. 

Время появляется как следствие взаимодействия квантов, вот почему. В системе отсчета кванта нет времени и пространства потому как его возмущение распространяется со скоростью света.

С точки зрения кванта, сколько бы он не пролетел, будет 0 времени и 0 пространства. Но это разные нули (ну, так же как бывают разные бесконечности: две линии разной длины содержат каждая бесконечное число точек, но в той, что длиннее бесконечность больше). Так же и отношение нулей при сравнении двух квантов дает хоть и неопределенность, но разной мощности.

Наблюдая же за квантами со стороны, мы видим мощности неопределенностей, так же как в примере с линиями. Вот как и за счет чего возникает время для наблюдателя.

Вещество – стоячая волна квантов, когда возмущения самонакладываются сами на себя (а не распространяются прямолинейно в случае свободных квантов), здесь квант взаимодействует сам со своей же волной, образуя уже имеющую пространство и время зависимых событий, как причины и следствия, подробнее. 

Итак, вопрос вовсе не физической специфики: "Как отличить умозрительную абстракцию от существующего объективно?". Это - серьезный вопрос, позволяющий не рассматривать нечто как реальность и не предпринимать лишних усилий по выявлению его физической сущности.

Число "2" абстракция или физическая реальность? В реальности нет ничего, чтобы существовало в виде числа 2, но есть множество объектов, которые соответствуют такому числу по их количеству. При этом эти объекты уже должны быть нами условно выделены из окружающего. Попробуем выделить человека. Если у него нет руки или ноги, или, наоборот, есть лишний рудимент или мутационный изъян, мы все равно скажем, что это 1 человек. Он поглощает еду и воздух, которые становятся человеком и выделяет отходы жизнедеятельности, которые человеком нами уже не считаются. Ну и он может быть мумией и тут мы окажемся в затруднении, определять ли это человеком. Выделяем мы из окружающего всегда условно, на самом деле в природе нет ничего выделенного, никаких объектов. И число может соответствовать разным выделенным объектам, а не только человеку. В общем виде: форма может быть присуща любому содержанию.

Метрика в физике понимается как число степеней свободы выделенного объекта внимания. Если это суперструна, то - одно число, если это масштаб нашего восприятия - то другое. В термодинамике говорят о многомерном пространстве (фазовом пространстве) выделенного объекта внимания термодинамической системы. Так же говорят о том, что один вид материки в определенных условиях может трансформироваться в другой вид - именно в отмеченной смысле.

То, насколько человек может избавляться от иллюзий понимания, в том числе от иллюзий отождествления своей абстракции с объективно существующем (а это - чрезвычайно распространенный вид иллюзии), определяет его адаптивные способности и творческий потенциал. И это - более общее, базовое качество, чем понимание частной специфики какой-то физики. 

Вопрос: "метрика - физическая реальность?" оказывается за пределами предметной области физики. Он относится к методологии науки. И не просто соответствует принципу Оккама, а касается двух важнейших принципов: 

1) Утверждающий обязан корректно обосновать свое утверждение

2) Утверждение должно быть фальсифицируемо.

Первого нет в корректной форме, как и второго. Проблема существования, из-за которой и возникает принцип Оккама, вообще оказывается непростой для фальсификации самостоятельного существования любых объектов, выделенных вниманием просто потому, что никаких выделенных объектов нет в природе. И поэтому вопрос: "человек - физическая реальность?" оказывается некорректным из-за отсутствия строгого критерия выделить то, что относится только к человеку из окружающего. И так - с любым объектом. Но этой проблемы нет со взаимодействиями: утверждение о любом взаимодействии легко фальсифицируемо и фальсифицирующий опыт показывает, что да, утверждение: "два тела притягиваются друг у другу с такой-то зависимостью силы притяжения" оказывается верным.

Статья написана по следам обсуждения, возникшего на сайте Элементы.