Что первично: пространство или материя?

 

Согласно ньютоновской механике существует абсолютное бесконечное пространство, в котором движутся материальные тела. И если, скажем, все материальные тела вдруг исчезли бы, то с пространством ничего не случилось бы. В рамках механики Ньютона пространство – это арена, на которой происходят материальные действия, и эта арена вечная и неизменная.

Примерно такую же роль играет пространство и в специальной теории относительности. Только теперь вместо того, чтобы рассматривать пространство и время по отдельности, как независимые сущности, их объединяют в единое пространство-время. Но это пространство-время также является неизменной и вечной ареной, на которой разворачиваются материальные действия.

Получается, что пространство-время влияет на движение материальных тел, но материальные тела совершенно на него не влияют.

Такое положение вещей многие физики, включая Эйнштейна, считали серьёзным изъяном, как механики Ньютона, так и специальной теории относительности. Эйнштейн, создавая общую теорию относительности, надеялся, что в новой теории свойства пространства будут определяться движением тел. Однако это оказалось не так. В основу общей теории относительности было положено абсолютное (в том смысле, что существует независимо от тел) пространство-время специальной теории относительности. И если из Вселенной убрать все материальные тела (все массы), то согласно общей теории относительности бесконечное пространство-время останется. Новизна теории тяготения Эйнштейна состоит лишь в том, что массы влияют на геометрию пространства-времени, но само пространство-время существует независимо от масс.

А что если окружающее нас пространство-время создано материальными телами, и в отсутствии их оно разрушится? В этом случае все свойства пространства-времени будут определяться распределением всей материи во Вселенной.

Какими свойствами обладает пространство-время помимо геометрических свойств?

Наиболее важное свойство пространства-времени связано с существованием предельной скорости движения для всех тел – скорости света. Другое, не менее важное свойство связано с существованием минимального кванта действия, равного постоянной Планка. Поэтому, если предположить, что пространство-время создано материальными телами, заполняющими Вселенную, то исходя из этого необходимо сделать вывод, что и величина скорости света, и величина постоянной Планка также определяются распределением этих масс.

В параграфе 3.1 мы пришли к выводу, что величина постоянной Планка уменьшается вблизи большой массы и, следовательно, зависит от распределения всех масс во Вселенной. По существующим астрономическим данным величина постоянной тонкой структуры в далёком прошлом существенно не отличалась от современного значения и, следовательно, не зависит от распределения материи. Поэтому можно сделать вывод, что величина скорости света зависит от распределения материи таким образом, что:

сħ = const (3.13)

То есть скорость света возрастает вблизи большой массы. Эта тема подробно обсуждалась в [194].

Теперь можно сформулировать альтернативный взгляд на пространство-время.

Пространство-время – это не неизменная и вечная арена, на которой разворачиваются материальные действия, и которая существует независимо от движущихся тел. Пространство-время создано материей, заполняющей Вселенную. Это означает, что основные характеристики пространства-времени (скорость света и постоянная Планка) зависят от распределения всей материи во Вселенной. Например, вблизи большой массы скорость света возрастает, а постоянная Планка уменьшается. И, наоборот, при удалении от больших масс скорость света уменьшается, а постоянная Планка возрастает.

В пределе, на большом удалении от всех масс Вселенной, скорость света будет стремиться к нулю, а постоянная Планка неограниченно возрастать. Это приведёт к неограниченному возрастанию квантовой неопределённости в движении элементарных частиц, вследствие чего все материальные тела разрушатся. Все причинно-следственные связи также разрушатся, а понятия пространства и времени потеряют свой физический смысл.

Согласно общепринятой точке зрения пространство безгранично. В рамках общей теории относительности существуют модели замкнутой Вселенной, в которых пространство имеет конечный объём, но, тем не менее, не имеет границ. Вопрос о том, существует или нет граница у пространства, даже не рассматривается в современной физике.

Однако возможен альтернативный подход к этой проблеме: на достаточно большом удалении от всех масс Вселенной скорость света стремится к нулю, постоянная Планка неограниченно возрастает, вследствие чего пространство и время разрушаются.

Эта тема очень подробно обсуждалась в [194], и здесь важно то, что новая точка зрения может быть проверена экспериментально (см. главу 8).