Inseparabilitatea spațiutimpului și materiei

Spațiutimpul își pierde caracterul de absolut

Teoria generală a relativității extinde teoria specială prin încorporarea gravitației. Abordarea standard a fost aceea de a trata câmpul de gravitație ca o structură conținută în spațiu, astfel încât spațiutimpul, containerul și câmpul gravitațional, conținutul, au rămas distincte. Einstein a încețoșat această divizare a containerului și a conținutului. Câmpul gravitațional a devenit o parte a spațiutimpului în sine. În abordarea standard, spunem că pământul orbitează soarele, deoarece câmpul gravitațional al soarelui deflectă pământul de la mișcarea naturală, uniformă, dreaptă, dictată de spațiu. În teoria lui Einstein, afirmăm că prezența soarelui perturbă geometria spațiutimpului și care la rândul ei afectează mișcările naturale ale corpurilor libere. Aceste mișcări naturale dirijează acum un pământ în mișcare liberă pentru a orbita soarele.

În adoptarea acestui nou rol, caracterul spațiutimp a fost modificat fundamental. Vechiul spațiu a oferit o arenă imuabilă în care s-au desfășurat procesele lumii. Einstein l-a caracterizat ca fiind absolutismul spațiutimpului, o relativitate specială caracteristică comună cu teoria clasică a lui Newton:

”Așa cum a fost consistent din punctul de vedere al lui Newton să facă atât afirmațiile, tempus est absolutum, spațium est absolutum, deci din punctul de vedere al teoriei speciale a relativității trebuie să spunem, continuum spatii et temporis est absolutum. În această ultimă afirmație, absolutul înseamnă nu numai „fizic real”, ci și „independent în proprietățile sale fizice, având un efect fizic, dar nu influențat de condițiile fizice „.

În noua teorie a lui Einstein, acest absolutism a fost pierdut. Spațiultimpul este, la rândul său, modificat de ceea ce conține. Prezența soarelui modifică geometria spațiutimpului în vecinătatea sa.

”În restul acestei secțiuni, voi examina două manifestări ale acestei încurcări a containerului și conținutului. Primul este eșecul unei anumite viziuni asupra naturii spațiului. Al doilea este starea de acum mai puțin certa încurcătură a energiei și a impulsului.”

Substantivalism în spațiu

Există o diviziune naturală în universul relativității generale. Avem o multitudine variate de evenimente. Și avem un câmp metric definit pe acea varietate. Fără acest câmp metric, nu putem să specificăm cât timp sau spațiu se scurge între evenimente. Evenimentele varietății sunt ca și culorile diferite în curcubeu. Putem continua fără probleme prin culorile: roșu, portocaliu, galben … Putem vedea chiar că portocaliul este mai aproape de roșu decât de galben. Dar nu putem asocia o distanță în metri sau un timp scurs în secunde la trecerea de la roșu la galben. Este la fel cu evenimentele din varietăți. Informația suplimentară a câmpului metric ne spune cât spațiu sau timp se află între evenimente. Aspectele lumii pe care în mod obișnuit le considerăm gravitație sunt, de asemenea, codificate în această informație metrică; perturbarea lui față de dispoziția familială minkowskiană a relativității speciale este asociată cu prezența unui câmp gravitațional.

Realismul ne obligă să luăm în serios această diviziune. Diviziunea ar trebui să reflecte un aspect obiectiv al realității. Lectura naturală care face acest lucru este o versiune a substantivismului spațiutimp, un substantivalism de varietate. Identifică varietatea evenimentelor ca spațiutimp, containerul câmpului metric. Mai mult, atribuie proprietatile substanței varietății; are o existență independentă de câmpurile pe care le conține.

Argumentul găurii

Argumentul găurii a apărut pentru prima oară în lucrarea lui Einstein despre relativitatea generală spre sfârșitul anului 1913. John Stachel (1980) a recunoscut importanța sa non-trivială, aducând-o din nou în atenția publicului. În forma sa modernă este folosită pentru a se finaliza diferit de versiunea lui Einstein. Aceasta arată că substantivismul varietății conduce la unele concluzii destul de neplăcute, care de obicei sunt considerate suficiente pentru a justifica demiterea sa. Argumentul găurii exploatează o proprietate a relativității generale, covarianța ei generală. Această proprietate ne permite să răspândim câmpul metric în spațiu în diferite moduri. Putem lua câmpulș și să redistribuim fără probleme aceleași proprietăți metrice în diferite evenimente. Putem efectua această redistribuire, astfel încât să apară numai în anumite regiuni ale spațiului arbitrar – „gaura”.

Cum explică substantivaliștii varietății această diferență? Ei se dedică noțiunii că varietatea evenimentelor are o existență independentă de câmpurile definite pe ele; evenimentele își au identitățile indiferent de proprietățile metrice pe care le putem da. Deci diferența dintre cele două spațiutimpuri este o diferență fizică reală pentru ei. Dar este o diferență de tipul cel mai ciudat. Se pare că nimic observabil nu distinge cele două spațiutimpuri. Timpul scurs și distanțele trecute la întâlnirea AA și BB vor fi aceleași în ambele cazuri. Mai rău, totul în afara găurii din cele două spațiutimpuri este identic; toate diferențele apar în interior. Acesta este un eșec al determinismului de un tip foarte grav – gaura poate fi specificată a fi cât de mică ne place. Nici o specificație a spațiutimpului în afara găurii nu poate reuși să-i fixeze proprietățile în interior. Adică, substantivalistul varietății este dedicat diferențelor factuale între cele două spațiutimpuri, care sunt opace atât la observație, cât și la puterea determinantă a teoriei.

Inseparabilitatea varietății evenimentelor și a câmpului metric

Răspunsul natural este pur și simplu acela de a afirma că diferențele dintre cele două spațiutimpuri sunt doar diferențe în descrierea matematică; ambele descriu aceeași realitate fizică. Această evadare larg acceptată înseamnă respingerea unui substantivism al varietății. În special, spunem că punctele de întâlnire ale lui AA și BB reprezintă, în fiecare caz, același eveniment fizic, chiar dacă acestea sunt evenimente punctuale distincte din varietate.

În respingerea substantivismului varietății spațiutimp, vedem inseparabilitatea spațiutimpului și a conținutului acestuia. Luați în considerare un univers cu gravitație, dar fără alte conținuturi. Nu putem împărți numeroasele varietăți de evenimente ca un container de spațiutimp din câmpul gravitațional ținut în el în câmpul metric. Care evenimente fizice reale sunt identificate prin care evenimentele punctuale matematice ale varietății nu pot fi decise fără consultarea informațiilor din câmpul metric? Pe măsură ce răspândim acest câmp în mod diferit față de evenimentele punctuale matematice ale varietății, le schimbăm identitatea fizică.

Este o noutate?

Argumentul privind gaura a intrat în literatura de specialitate ca rezultat al lucrării lui Einstein asupra teoriei generale a relativității și, în forma sa modernă, deducem din aceasta că un substantivalism al varietății este de neconceput. Dar satisface cerința de noutate? Pe aceasta există diferite școli de gândire. Ele se împart în funcție de modul în care se înțelege cerința de covarianță generală care permite transformarea metricei. Un punct de vedere arată că aceasta este o caracteristică specială a relativității generale numai. În relativitatea specială, de exemplu, structura metrică corespunzătoare este dată o dată la nivel global și nu este supusă transformării.

Din acest punct de vedere, argumentul găurii și consecințele acestuia îndeplinesc cerința de noutate. O a doua perspectivă, ar fi că permite ca și teoriile clasice să poată fi formulate într-un mod care să permită transformarea. Acestea se numesc „teorii spatiutimp locale”. Din acest punct de vedere, eșecul substantivalismului varietății este comun tuturor teoriilor, clasice și relativiste, dacă sunt formulate în mod corespunzător, astfel că eșecul nu îndeplinește cerința de noutate.

Sursa: John D. Norton, What Can We Learn about the Ontology of Space and Time from the Theory of Relativity?