Является ли пространство «реальным» или это некий общепринятый постулат?

Альберту Эйнштейну часто приписывают ( похоже, ошибочно ) высказывание

Единственная причина для времени в том, чтобы все не происходило сразу.

и Джон Уиллер добавил

Пространство — это то, что мешает мне всему случиться!

Эти цитаты могут звучать глупо и самонадеянно, но они предназначены для того, чтобы привлечь ваше внимание к чему-то очень, очень простому. Вещи действительно происходят в разное время и в разных местах, а это означает, что «время» и «пространство» определенно обозначают что- то .

Ваш пример, в котором вы утверждаете, что тепло и холод на самом деле не реальны, глуп: они являются референтами для субъективного ощущения, связанного с воздействием на ваши нервы условий высокой или низкой тепловой активности.

Что касается вашего беспокойства о том, что космос является «каким-то постулатом или скрытой гипотезой» , то это явно не соответствовало действительности всего за сто лет. Пространство как вещь можно было предположить еще в начале двадцатого века, но совсем недавно Эйнштейн сделал пространство и его свойства явным предметом общей теории относительности.

Мы измерили искривление самого пространства в нескольких контекстах, включая микролинзирование и перетаскивание кадра. Предпринимаются попытки непосредственного наблюдения за гравитационной волной.

Я считаю, что истинный ответ на ваш вопрос заключается в том, что наше наблюдение за пространством соответствует математической модели трехмерной геометрии. Моя формулировка отстает от исторического развития, поэтому людям трудно разделить эти вещи. Люди узнают о степенях свободы в окружающем их пространстве в младенчестве, а возможно, и раньше. Однако факт остается фактом: такие понятия, как$\sqrt{2}$иметь последовательную формализацию в области действительных чисел и соответствующую геометрическую интерпретацию (например, диагональ квадрата). Есть место для философии в отношении того, что означает эта интерпретация, но в любом случае она не является препятствием для физики.

У нас было несколько случаев, чтобы предложить пересмотр нашей концепции пространства и времени. Выводы общей теории относительности принимаются вне всяких разумных сомнений. Наши математические модели расширились в соответствии с нашими представлениями о Вселенной. Теория струн также предлагает модификации, связанные с гораздо более сложной математикой, но все они познаваемы и поддаются вычислению. Это ничего не меняет в том основном факте, что мы приспосабливаем математическую систему к нашей вселенной.

Единственный полезный мысленный эксперимент, который я могу вообразить в рамках этой философии, — это открытие математики геометрии математиками, живущими в мире, где нет нашего типа геометрии. Возникает вопрос, не открыли ли мы какую-то другую математическую систему, которая могла бы функционировать как альтернатива известной нам геометрии.

У нас есть формальные системы для работы здесь. Люди разработали множество формальных систем. С помощью компьютеров мы смогли изучить природу самых разных формальных систем благодаря низкой стоимости проведения экспериментов. Все, что мы делаем с компьютерами, относится к определенному классу математической системы — вычислениям Тьюринга. В рамках этих систем мы можем моделировать реальные физические системы, что разумно, потому что, как я уже сказал, геометрия сама по себе является математической системой, и по мере необходимости к ней добавляются другие физические законы.

Однако вычисления Тьюринга по-прежнему не могут эмулировать геометрию за конечное время. Это глубокий философский вопрос. Для классической и простой физики я могу прямо заявить, что галилеевская инвариантность исключает самые логичные подходы к клеточному автомату в корне пространства. Вы можете углубиться в детали лоренц-инвариантности, чтобы найти еще более сильные утверждения, но это не важно. Даже эфирные теории рубежа 18-19 веков отражали логический путь к пикселизации пространства. Если бы теория эфира была верна, то конечная машина Тьюринга действительно могла бы находиться в основе пространства.

Конечно, эти теории не соответствуют действительности. Реальность была непреклонна в отношении сохранения законов физики во всех системах отсчета, что обрекло на гибель теории, предсказывающие, что пространство лишь приблизительно соответствует математической системе и является результатом некоторого конечного числа составляющих. Наши конечные вычислительные машины имеют ряд причудливых ошибок в моделировании реальности, таких как дрейф энергии . В реальной Вселенной действительно сохраняющиеся величины, такие как энергия, кажутся полностью сохраняющимися. Это относится к теореме Нётер . В основном мы наблюдаем, что:

• Сохраняемые количества сохраняются идеально
• Относительность между отверстиями системы отсчета идеально

Это две стороны одной медали. Поэтому, когда мы замечаем, что пространство и время в нашей Вселенной совершенно непротиворечивы, мы можем сказать, что это связано с тем фактом, что чистая энергия и суммарный импульс являются совершенно непротиворечивыми скалярными и векторными величинами.

Короче говоря, физика — это запись правил математической системы, которая соответствует Вселенной. Можно сказать, что геометрия (какой бы она ни была) также может быть определена набором правил. Следовать этим правилам невероятно сложно с конечными формальными машинами. Таким образом, пространство может быть «ложным», что означает, что на самом деле это просто кажущаяся система, которая существует поверх более фундаментальной системы, находящейся под ней, но эта более фундаментальная система уже не поддается вычислению.

Существует разница между эффективными или эмерджентными степенями свободы (или полями) и фундаментальными степенями свободы (или полями).

Например, в теории струн «пространство» и «время» на самом деле являются полями более фундаментальных степеней свободы, то есть:

куда$\sigma$является пространственно-подобным параметром, и$\tau$времяподобный параметр.

Здесь$\sigma$а также$\tau$являются основными степенями свободы, а$X^\mu$выступает как эффективная степень свободы.

Ограничение на некоторые симметрии (конформная симметрия) имеет последствия для полей, зависящих от$X^\mu$. Например, при низкой энергии гравитационное поле$G_{\mu\nu}(X^\alpha)$должен подчиняться уравнению типа Эйнштейна. Так$X^\mu$а также$G_{\mu\nu}(X^\alpha)$– эффективные степени свободы и эффективные поля.

Вакуум может иметь разные аспекты.

Квантовый вакуум имеет флуктуации даже в отсутствие материи и может иметь ненулевую энергию (положительную для бозонов и отрицательную для фермионов).

В общей теории относительности вы могли бы искривить пространство-время без материи.

А при суперсимметрии у вас есть не только обычное («бозонное», коммутативное) пространство-время, но и «квантовое» (или «фермионное», или антикоммутативное) измерение.

Вакуум — это, как вы говорите, отсутствие материи. Что это значит в материальном смысле? Это означает, что нет давления, ограничивающего поток материи в «вакуумное пространство».

Космос, как и область за пределами земной атмосферы, может состоять из разных вещей в зависимости от того, где вы находитесь в «космосе». В окрестностях Солнца в любом заданном кубическом миллиметре пространства могут находиться миллионы атомов. Между галактиками вам будет трудно поймать хотя бы один атом водорода в кубическом метре.