Ist Raum „real“ oder ist er eine Art akzeptiertes Postulat?

Albert Einstein wird oft ( irrtümlicherweise, wie es scheint ) der Spruch zugeschrieben

Der einzige Grund für Zeit ist, dass nicht alles auf einmal passiert.

und John Wheeler hinzugefügt

Der Raum verhindert, dass mir alles passiert!

Nun, diese Zitate mögen albern und selbstbezüglich klingen, aber sie sollen Ihre Aufmerksamkeit auf etwas sehr, sehr Grundlegendes lenken. Dinge passieren zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten, was bedeutet, dass „Zeit“ und „Raum“ sicherlich Referenzen für etwas sind .

Ihr Beispiel, in dem Sie behaupten, dass Hitze und Kälte nicht wirklich real sind, ist albern: Sie sind Referenzen für die subjektive Empfindung, die damit verbunden ist, dass Sie Ihre Nerven Bedingungen hoher oder niedriger thermischer Bewegung aussetzen.

Was Ihre Befürchtung angeht, der Weltraum sei „als eine Art Postulat oder versteckte Hypothese“ , so ist dies offensichtlich seit knapp hundert Jahren nicht mehr der Fall. Der Raum als Ding mag bis Anfang des 20. Jahrhunderts angenommen worden sein, aber spätestens Einstein machte den Raum und seine Eigenschaften zu einem expliziten Thema der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Wir haben die Verzerrung des Raums selbst in mehreren Kontexten gemessen , darunter Mikrolinsen und Frame-Dragging. Versuche, Gravitationswellen direkt zu beobachten, sind im Gange.

Ich glaube, die wahre Antwort auf Ihre Frage ist, dass unsere Beobachtung des Raums zu einem mathematischen Modell für eine dreidimensionale Geometrie passt. Meine Formulierung ist im Vergleich zur historischen Entwicklung rückständig, weshalb es für die Menschen schwierig ist, diese Dinge zu entkoppeln. Menschen lernen die Freiheitsgrade im sie umgebenden Raum als Kleinkind und möglicherweise sogar noch früher kennen. Tatsache bleibt jedoch, dass Konzepte wie$\sqrt{2}$haben eine konsistente Formalisierung im Bereich der reellen Zahlen und eine entsprechende geometrische Interpretation (wie die Diagonale eines Quadrats). Es gibt Raum für Philosophie darüber, was diese Interpretation bedeutet, aber es ist so oder so kein Hindernis für die Physik.

Wir hatten mehrere Gelegenheiten, Änderungen an unserem Konzept von Raum und Zeit vorzuschlagen. Die Schlussfolgerungen der Allgemeinen Relativitätstheorie werden ohne jeden vernünftigen Zweifel akzeptiert. Unsere mathematischen Modelle erweiterten sich in Übereinstimmung mit unseren Überzeugungen über das Universum. Die Stringtheorie bietet auch Überarbeitungen, die viel schwierigere Mathematik beinhalten, aber diese sind alle erkennbar und berechenbar. Das ändert nichts an der grundsätzlichen Tatsache, dass wir ein mathematisches System in unser Universum einpassen.

Das einzige nützliche Gedankenexperiment, das ich mir innerhalb dieser Philosophie vorstellen kann, wäre, wenn die Mathematik der Geometrie von Mathematikern entdeckt würde, die in einer Welt ohne unsere Art von Geometrie leben. Das wirft die Frage auf, ob wir ein anderes mathematisches System entdeckt haben, das als Alternative zur Geometrie, wie wir sie kennen, fungieren könnte.

Wir haben hier formelle Systeme, mit denen wir arbeiten können. Menschen haben viele formale Systeme entwickelt. Mit Computern konnten wir aufgrund der geringen Kosten für die Durchführung von Experimenten die Natur einer Vielzahl formaler Systeme untersuchen. Alles, was wir mit Computern tun, passt in eine bestimmte Klasse mathematischer Systeme, darunter Turing-Computing. Innerhalb dieser Systeme sind wir in der Lage, reale physikalische Systeme zu modellieren, was sinnvoll ist, da die Geometrie selbst, wie gesagt, ein mathematisches System ist, dem je nach Bedarf weitere physikalische Gesetze hinzugefügt werden.

Turing-Computing kann jedoch immer noch keine Geometrie in endlicher Zeit emulieren. Dies ist eine tiefe philosophische Frage. Für die klassische und einfache Physik kann ich klar sagen, dass die Galileische Invarianz die logischsten Ansätze für einen zellulären Automaten an der Wurzel des Raums ausschließt. Sie können weiter in die Details der Lorentz-Invarianz gehen, um noch stärkere Aussagen zu finden, aber das ist nicht wichtig. Sogar Äthertheorien aus der Wende vom 18. zum 19. Jahrhundert spiegelten einen logischen Übergang zur Verpixelung des Weltraums wider. Wenn eine Äthertheorie wahr gewesen wäre, dann hätte eine endliche Turing-Maschine gültig die Wurzel des Raums sein können.

Natürlich sind diese Theorien nicht wahr. Die Realität hat darauf bestanden, die Gesetze der Physik in allen Referenzrahmen zu bewahren, was das Verhängnis für Theorien bedeutet, die vorhersagen, dass der Raum nur annähernd zum mathematischen System passt und das Ergebnis einer endlichen Anzahl von Bestandteilen ist. Unsere endlichen Rechenmaschinen haben eine Reihe von skurrilen Fehlern bei der Simulation der Realität, wie z. B. Energiedrift . Im realen Universum scheinen wirklich konservierte Größen wie Energie perfekt konserviert zu sein. Dies bezieht sich auf den Satz von Noether . Grundsätzlich stellen wir fest:

• Konservierte Mengen werden perfekt konserviert
• Relativität zwischen Referenzrahmenlöchern perfekt

Diese beiden sind zwei Seiten derselben Medaille. Wenn wir also beobachten, dass Raum und Zeit in unserem Universum vollkommen konsistent sind, können wir sagen, dass dies mit der Tatsache zusammenhängt, dass Nettoenergie und Nettoimpuls perfekt konsistente Skalar- und Vektorgrößen sind.

Kurz gesagt geht es in der Physik darum, die Regeln eines mathematischen Systems aufzuschreiben, das zum Universum passt. Man kann sagen, dass Geometrie (welche Geometrie auch immer das ist) auch mit einem Satz von Regeln definiert werden kann. Das Befolgen dieser Regeln ist mit endlichen formalen Maschinen unglaublich schwierig. Raum könnte also "falsch" sein, was bedeutet, dass es wirklich nur ein scheinbares System ist, das auf einem grundlegenderen System darunter existiert, aber dieses grundlegendere System wäre nicht mehr berechenbar.

Es gibt einen Unterschied zwischen effektiven oder emergenten Freiheitsgraden (oder Feldern) und grundlegenden Freiheitsgraden (oder Feldern).

Zum Beispiel sind in der Stringtheorie "Raum" und "Zeit" tatsächlich Felder mit grundlegenderen Freiheitsgraden, das heißt:

wo$\sigma$ein raumähnlicher Parameter ist, und$\tau$ein zeitähnlicher Parameter.

Hier$\sigma$und$\tau$sind grundlegende Freiheitsgrade, während$X^\mu$erscheint als wirksamer Freiheitsgrad.

Einschränkungen bezüglich einiger Symmetrien (konforme Symmetrie) haben Auswirkungen auf Felder, die von abhängen$X^\mu$. Zum Beispiel bei niedriger Energie das Gravitationsfeld$G_{\mu\nu}(X^\alpha)$muss einer Einstein-ähnlichen Gleichung gehorchen. So$X^\mu$und$G_{\mu\nu}(X^\alpha)$sind effektive Freiheitsgrade und effektive Felder.

Das Vakuum kann verschiedene Aspekte haben.

Das Quantenvakuum hat Schwankungen, selbst in Abwesenheit von Materie, und es könnte eine Energie ungleich Null haben (positiv für die Bosonen und negativ für die Fermionen).

In der Allgemeinen Relativitätstheorie könnte man die Raumzeit auch ohne Materie gekrümmt haben.

Und mit Supersymmetrie haben Sie nicht nur die übliche ("bosonische", kommutative) Raumzeit, sondern auch "Quanten" (oder "fermionische" oder antikommutative) Dimensionen.

Vakuum ist, wie Sie sagen, die Abwesenheit von Materie. Was bedeutet das konkret? Das bedeutet, dass es keinen Druck gibt, den Materiefluss in den „Vakuumraum“ einzuschränken.

Der Weltraum, wie in der Region außerhalb der Erdatmosphäre, kann aus verschiedenen Dingen bestehen, je nachdem, wo Sie sich im "Weltraum" befinden. In der Nähe der Sonne könnten sich Millionen von Atomen in einem beliebigen Kubikmillimeter Raum befinden. Zwischen den Galaxien wäre es schwierig, auch nur ein einziges Wasserstoffatom in einem Kubikmeter einzufangen.