Давайте скажем честно: никто не понимает, что такое пространство и время. НИКТО. Ни физики, ни философы не имеют об этом ни малейшего представления.
И давайте, наконец, признаем, что именно это непонимание является главной проблемой современной теоретической физики. Не случайно физик Ли Смолин решил переосмыслить представления о времени в современной физике, чтобы попытаться вернуть в физику реальность времени.
Но оставим время - что это такое, вообще непонятно. Рассмотрим только пространство.
А оно вообще существует?
И первый вопрос, который здесь возникает: а существует ли оно вообще, это пространство? Является ли оно какой-либо реальностью? Или это просто наша иллюзия - такая же, какой для Эйнштейна было время?
У Ньютона на сей счет никаких сомнений не было: пространство существует объективно, и представляет собой нечто вроде огромного пустого ящика без стенок, в котором, как во вместилище, находится материя и все материальные вещи.
А вот философ и математик Лейбниц, соперник Ньютона за авторство дифференциального исчисления, смотрел на этот вопрос совсем иначе. Пространство у Лейбница — это порядок взаимного расположения множества тел, существующих вне друг друга. Оно не является самостоятельной сущностью, существующей независимо от материи, как это полагал Ньютон. Пространство — это отношение, применимое лишь ко многим телам, к «ряду» тел. Можно говорить только об относительном размере данного тела в сравнении с размерами других тел.
Некоторые ключевые аспекты концепции пространства у Лейбница:
- Отсутствие абсолютной пустоты. Философ отвергал идею «чистого» пространства «самого по себе» и считал несостоятельными представления о пустоте.
- Зависимость от материи. Лейбниц утверждал, что без материи нет и пространства. Пространство — это свойство или следствие существования бесконечного и вечного существа.
- Идеальность и феноменальность. Пространство — это «идеальное образование», оно «состоит из возможностей» и не содержит ничего актуального. Оно не является онтологической величиной или свойством вещей, а представляет собой результат связей между ними.
- Связь с монадами. Для каждой монады существует своё пространство и время, которые заключают в себе всё прошлое, настоящее и будущее как самой монады, так и универсума. Монады — простые, непротяжённые субстанции, которые Лейбниц считал основой реальности.
- Умопостигаемая форма связи. Пространство и время у Лейбница — это умопостигаемая форма связи между вещами в себе (между субстанциями и их состояниями).
Полемизируя с ньютонианцем Сэмюэлом Кларком, Лейбниц доказывал, что нет оснований верить в возможность "пустого пространства" самого по себе. Он также критиковал механистические представления об устройстве мира, которые сводили бесконечность материи к бесконечным актам внешнего воздействия частиц друг на друга, а пространство и время выступали лишь «сценой», абсолютно равнодушной к самим актам воздействия.
При этом важно отметить, что пространство (как и время) у Лейбница - это все же нечто объективно существующее. Пространство не обладает собственной субстанциональностью, отдельной от материи (оно имеет реляционную природу), но поскольку материя (монады) существуют объективно, то и пространство существует объективно.
Отметим также, что у Лейбница пространство не является физической реальностью: оно возникает из отношений материальных вещей и является реальностью идеальной, которую мы постигаем умом (с помощью математики и геометрии).
Иммануаил Кант пошел еще дальше: у него пространство и время не только идеальны, но и не обладают объективным существованием. Пространство и время у Канта - это априорные формы самого нашего сознания. Это нечто вроде "очков", которые "встроены" в само наше сознания, так что все, что мы можем воспринять из внешнего мира (вещи-в-себе), - как эмпирический мир, мир опыта, - мы воспринимаем как существующее в пространстве и времени. Они реальны, но только как универсальные формы, в которых нам дан эмпирический мир. Объективной же реальностью, вне нашего сознания, они не обладают.
А что у физиков?
Физики сегодня пока не готовы пойти так далеко, как Лейбниц и Кант. И большинство из них, насколько это можно понять, полагают, что пространство не только существует объективно, но и является частью объективного физического мира.
Эйнштейн В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» писал:
«Общая теория относительности наделяет пространство физическими свойствами; таким образом, в этом смысле эфир существует. Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира; действительно, в таком пространстве не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы существовать масштабы и часы и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле этого слова. Однако этот эфир нельзя представить себе состоящим из прослеживаемых во времени частей; таким свойством обладает только весомая материя; точно так же к нему нельзя применять понятие движения».
Из чего можно понять, что Эйнштейн не только признавал объективное существование пространства, но и придавал ему "физические свойства". Однако Эйнштейн отказывал в существовании еще какое-то эфира, заполняющего пространство - "эфиром" было само пространство. Время Эйнштейн считал иллюзией, а пространство - частью объективного физического мира. То есть можно сказать, что представления Эйнштейна о времени были близки к Канту, а пространство он понимал скорее "в духе Ньютона".
По пути Эйнштейна
И многие физики сегодня понимают пространство примерно так же, как Эйнштейн. И поэтому в попытках создать "квантовую теорию гравитации" они пытаются найти (математически сконструировать) какую-то более глубокую физическую реальность, лежащую в основе пространства, со своей структурой и элементами. Элементы, из которых "состоит" пространство, самые разные (чаще всего дискретные) - струны, петли или твисторы Пенроуза.
Но я в это не верю. Я вообще не верю, что у пространства есть какая-то "структура" и какие-то "элементы". Даже в математическом пространстве "точка" вовсе не является "элементом", из которого "состоит" пространство: бесконечное множество точек еще не превращается в "пространство". Тут уместнее говорить о свойствах пространства, причем о его свойствах как целого (его метрике, топологии, относительности и т.д.).
Пространство как свобода и возможность
И я бы для понимания природы физического пространства обратился к грекам. Они понимали пространство, казалось бы, очень просто: пространство - это просто "пустота". То есть пространство существует объективно, но оно явно отличается от материи - это что-то другое. Принципиально, онтологически другое. Но что же это?
Это свобода. "Пустое пространство" - это то, что позволяет двигаться и что можно "заполнить" материей. Чем больше "пустого пространства" - тем больше свободы движения. И, как мы знаем, в физике это слово - свобода - также присутствует: как степени свободы.
Степени свободы - это характеристики движения механической системы в пространстве. Число степеней свободы определяет минимальное количество независимых переменных (обобщённых координат), необходимых для полного описания состояния механической системы. Число степеней свободы механической системы есть размерность пространства её состояний с учётом наложенных связей.
При этом количество степеней свободы зависит не только от свойств пространства (его размерности), но и от самой физической системы: материальная точка обладает в трехмерном пространстве только тремя степенями свободы, а твердое тело, которое может вращаться, обладает еще тремя.
Однако "свобода" - слишком неясный и многозначный термин, перегруженный философски и политически. Поэтому вместо "свободы" лучше использовать термин "возможность". "Степени свободы" - это возможность какой-либо физической системы (тела или частицы) совершать какое-либо движение. А "свободное тело" в физике - это тело, на которое не действуют другие тела или их воздействия скомпенсированы. Такое тело имеет возможность сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока внешние силы не заставят его изменить это состояние.
Пространство как поле вероятностей
И теперь нам осталось сделать только еще один шаг.
В классической физике свобода (возможность) либо есть, либо нет. Либо у тела (или частицы) есть свобода определенного движения, либо нет. Либо оно связано с другими телами, либо нет.
Однако, как мы знаем, в квантовой механике все несколько сложнее: там возможность имеет свою меру - вероятность. И при этом вероятность в квантовой механике (в отличие от классической физики) вовсе не возникает в результате нашего незнания (начальных условий системы, например) - случайность и вероятность являются фундаментальными свойствами квантового мира.
И тогда пространство вполне можно рассматривать как поле вероятностей. Вероятностей того, что квантовая система в какой-то момент времени окажется в определенном состоянии, с определенными параметрами (величинами). Например, что электрон окажется в каком-то месте. И тогда это "место" в поле вероятностей будет отличаться от других "мест" тем, что вероятность в нем приняла значение единицы.
Что это дает?
Но что дает такое понимание пространства?
Во-первых, это позволит нам более ясно понять онтологический статус пространства. Пространство не является физической реальностью, но оно теснейшим образом связано с физическим миром - оно дает свободу, возможность для изменения физических систем (в частности, свободу движения). И существует и задается оно как некое "поле вероятностей".
В макромире мы, зная начальные условия, можем предсказать поведение физической системы в пространстве со 100% вероятностью - в нем все "детерминировано". А в квантовом мире нет.
А во-вторых, это позволит нам совсем иначе взглянуть на суть волновой функции и на "природу пространства". Волновая функция не "эволюционирует" в пространстве и времени. Наоборот: это квантовая частица переопределяет (для себя) поле вероятностей (то есть пространство) согласно своей волновой функции.
В макромире свойства пространства задаются взаимным положением (состоянием) и движением физических систем (почти как по Лейбницу). И эти их свойства задают определенные ограничения на движение других систем. Задают правила этого движения. В этом смысле "законы природы" - это почти то же самое, что законы в обществе: они ограничивают свободу, на зато задают регулятивные правила поведения.
Но уже в ОТО все сложнее: пространство предстает как "динамическая среда", которая постоянно изменяется и переопределяется при движении массивных тел.
А в квантовом мире все еще сложнее: сами квантовые частицы (через волновую функцию) задают свое поле вероятностей. То есть, в сущности, задают пространство. И тогда пространство предстает как результат изменения волновых функций квантовых частиц и результат их взаимодействий и измерений, когда состояние частицы превращается в определенное, макроскопическое.
Назад, к Аристотелю!
Аристотель разделял два вида бытия - потенциальное и актуальное. И это разделение в его философии играет очень важную роль.
А Гейзенберг высказывал мысль, что квантовые частицы до измерения находятся в особом потенциальном бытии, где возможны суперпозиции. И лишь при измерении частиц или при их взаимодействии квантовые частицы переходят в актуальное бытие, принимая одно из возможных значений суперпозиции.
Может быть, Аристотель и Гейзенберг все же были правы? И пространство и есть то самое потенциальное бытие - которое дает возможность для существования частиц, само порождаемое этими частицами. А при измерении и взаимодействии частиц это пространство, вместе с частицами, переходит в другое онтологическое состояние - оно актуализируется, становится чем-то действительным и определенным. И, быть может, вся сложность здесь именно в том, что потенциальное бытие и актуальное бытие сосуществуют вместе, постоянно влияя друг на друга и постоянно друг друга переопределяя?
И тогда из этого следует еще один вывод: квантовая механика и ОТО в принципе не совместимы, так как они описывают физический мир и пространство в их разных "онтологических состояниях". Квантовая механика описывает физический мир (квантовые системы) в их потенциальном бытии. И описывает то, как квантовые системы - при измерении или взаимодействии частиц - переходят в актуальное бытие, где пространство задано локализованными относительно друг друга макроскопическими системами отсчета. А ОТО описывает физический мир и пространство в его актуальном бытии, где четко локализованная в пространстве частица движется по своей "мировой линии" полностью детерминированно, и где в каждой точке этой "мировой линии" мы можем определить ее положение относительно какой-либо системы отсчета.