Кіріспе
Жалпы салыстырмалылық теориясындағы тесік аргументі – Альберт Эйнштейннің белгілі өріс теңдеулерін жасау кезінде оны қатты толғандырған көрінетін парадокс. Физика философиясының кейбір өкілдері бұл аргументті көптүрлі субстанционализм проблемасын көтеру үшін пайдаланады, яғни уақыт-кеңістіктегі оқиғалардың көптүрлілігі – оған немесе оның ішіндегі материяға анықталған метрикалық өрістен тәуелсіз болатын "субстанция" екендігі туралы ілім. Басқа философтар мен физиктер бұл түсіндірмемен келіспейді және аргументті өлшегіш инварианттылығы және өлшегіштік бекіту туралы жаңылыс түсінік ретінде қарастырады.
Эйнштейннің тесік аргументі
Әдеттегі өріс теңдеуінде өрістің бастауын және шекаралық шарттарды білу өрісті кез келген нүктеде анықтайды. Мысалы, егер ток пен заряд тығыздығы және тиісті шекаралық шарттар берілсе, Максвелл теңдеулері электр және магнит өрістерін анықтайды. Бірақ олар векторлық потенциалды анықтай алмайды, себебі векторлық потенциал өлшеудің кездейсоқ таңдауына байланысты. Эйнштейн егер гравитация теңдеулері жалпы ковариант болса, онда метриканы оның бастаулары кеңістік-уақыт координаттарының функциясы ретінде бірегей түрде анықтау мүмкін емес екенін байқады. Мысалы: Күн сияқты гравитациялық бастауды қарастырайық. Онда g(r) метрикасымен сипатталатын гравитациялық өріс болады. Енді r және r' координаттарын түрлендірейік, мұнда r' Күннің ішіндегі нүктелер үшін r-ға тең, бірақ Күннің сыртында r'-дан өзгеше. Түрлендіру Күннің ішкі координаттарының сипаттамасына әсер етпейді, бірақ Күннің сыртындағы жаңа координаттар үшін g' метрикасының функционалдық түрі өзгереді. Өріс теңдеулерінің жалпы коварианттығына байланысты, бұл түрлендірілген g' метрикасы да түрленбеген координаттар жүйесінде шешім болып табылады. Демек, бір бастау – Күн – көптеген сырттай әртүрлі метрикалардың бастауы болуы мүмкін. Шешім бірден анық: осындай «тесік» түрлендіруімен ғана ерекшеленетін екі өріс физикалық тұрғыдан эквивалентті, дәл сол сияқты габариттік түрлендірумен ерекшеленетін екі векторлық потенциал да физикалық тұрғыдан эквивалентті. Осылайша, математикалық жағынан ерекшеленетін барлық шешімдер физикалық жағынан ажыратылмайды – олар өріс теңдеулерінің бір және бірдей физикалық шешімін көрсетеді. Бұл парадоксқа ұқсас көптеген нұсқалар бар. Бір нұсқасында, кейбір деректермен бастапқы мән бетін қарастырып, метриканы уақыттың функциясы ретінде табыңыз. Содан кейін бастапқы мән бетінің болашағындағы нүктелерді жылжытатын, бірақ бастапқы бетке немесе шексіздіктегі кез келген нүктеге әсер етпейтін координаттық түрлендіруді орындаңыз. Соның салдарынан, жалпы ковариантты өріс теңдеулері болашақты бірегей түрде анықтай алмайды, себебі бұл жаңа координаттармен түрлендірілген метрика бастапқы координаттар жүйесіндегі сол өріс теңдеулерінің жарамды шешімі болып табылады. Осылайша, бастапқы мән мәселесінің жалпы салыстырмалылық теориясында бірегей шешімі жоқ. Бұл электродинамикада да осылай – өйткені сіз векторлық потенциалға ғана әсер ететін габариттік түрлендіруді жасай аласыз. Екі жағдайда да шешім – габаритті бекіту үшін қосымша шарттарды қолдану.
Эйнштейннің тесік аргументіне қарсылық білдіру
Эйнштейннің гравитациялық өріс теңдеулерін шығаруы 1913 жылы ол жасаған «тесік» аргументіне байланысты кешіктірілді. Дегенмен, мәселе жоғарыда көрсетілгендей емес. 1912 жылы Эйнштейн өзінің «координаттардың мағынасымен күресі» деп атаған кезеңінде, ол тензорлық теңдеулерді іздеуді білді, себебі олар координаттардың өзгеруіне тәуелсіз. Ол гравитациялық өрістің түрін (мысалы, тетрада немесе кадр өрісі, немесе метрика) және берілген гравитациялық өрістегі материяның қозғалыс теңдеулерін (бұл берілген уақытты максималдау арқылы туындайды) тапты. Бұл координаталық түрлендірулерге қатысты инвариантты екені анық. Оны алаңдатқан нәрсе – оның жалпы коварианттылық принципінің салдары және келесідей түсіндіріледі. Жалпы коварианттылық физика заңдарының барлық анықтамалық жүйелерде (жеделдетілген немесе емес) бірдей математикалық формада болуын талап етеді, демек, барлық координаттық жүйелерде және гравитациялық өрістің өрістік теңдеулерін құрайтын дифференциалдық теңдеулер де бірдей математикалық формада болуы керек. Басқаша айтқанда, егер екі координаттық жүйе берілсе, мысалы, координаталары және координаталары, екі жағдайда да дәл бірдей дифференциалдық теңдеуді шешу керек, бірақ біреуінде тәуелсіз айнымалы болса, екіншісінде – . Бұл, егер координаталық жүйеде өрістік теңдеуді шешетін метрикалық функция табылып, барлық -тер -терге ауыстырылса, онда ол функция өрістік теңдеуді координаталық жүйесінде де шешеді дегенді білдіреді. Бұл екі шешімнің функционалдық формасы бірдей болғанымен, олар әртүрлі координаттық жүйелерге жатады, сондықтан әртүрлі кеңістік-уақыт геометрияларын білдіреді. Бұл екінші шешімнің біріншісімен координаттық түрлендіру арқылы байланысты емес екенін, бірақ ол да шешім екенін ескеру қажет. Міне, Эйнштейнді қатты мазалаған мәселе: егер бұл координаттық жүйелер тек кейін ғана ерекшеленетін болса, онда екі шешім бар; олардың бастапқы шарттары бірдей, бірақ кейін әртүрлі геометрияларды білдіреді. Осы байқаудың негізінде Эйнштейн үш жыл бойы Гильбертке қарсы асығыс бәсекеде жалпы ковариантты емес өрістік теңдеулерді іздеді. Нақтырақ айтқанда, Эйнштейн материяның таралуы белгілі бір жабық кеңістік-уақыт аймағының сыртында барлық жерде белгілі болған жағдайды қарастырды, бұл аймақ материядан бос болды – «тесік». Содан кейін өрістік теңдеулер шекаралық шарттармен бірге тесіктің ішінде метрикалық өрісті анықтауға мүмкіндік беруі керек. координаталары тесіктің ішінде ерекшеленеді, бірақ сыртында сәйкес келеді деп есептелінеді. Содан кейін аргумент жоғарыдағы абзацтағыдай жалғасады. Бұл екі шешімнің функционалдық формасы бірдей болғандықтан, олар бірдей мәндерді қабылдайды; олар оларды тек әртүрлі жерлерде қабылдайды. Сондықтан, бір шешім екіншісінен метрикалық функцияны кеңістік-уақыт көптүрлілігі арқылы жаңа конфигурацияға белсенді түрде жылжыту арқылы алынуы мүмкін. Бұл диффеоморфизм деп аталады, ал физиктер оны координаттық түрлендірулерден (пассивті диффеоморфизмдерден) ажырату үшін кейде «белсенді диффеоморфизм» деп атайды. Эйнштейн жалпы ковариантты емес өрістік теңдеулерді таба алмады және «тесік» аргументіне қайта оралып, оны шешуге тырысты. Бұл негізінен осы екі шешімнің физикалық жағынан эквивалентті екенін қабылдауды білдірді, яғни метриканың кеңістік-уақыт көптүрлілігінде қалай орналасқаны физикалық жағынан маңызды емес және кеңістік-уақыт координаттарымен анықталған жеке кеңістік-уақыт нүктелерінің өздерінің физикалық мағынасы жоқ (бұл көптүрлілік субстанционализмінің мәселесінің түбі). «Орын» ұғымына мағына беру үшін Эйнштейн жоғарыдағы абзацтарда берілген жағдайды екі бөлшек енгізу арқылы кеңейтті; содан кейін физикалық нүктелерді (тесіктің ішінде) олардың сәйкес келетін әлемдік сызықтары бойынша анықтауға болады. Бұл жұмыс істейді, өйткені материя белсенді диффеоморфизмдер астында метрикамен бірге жылжытылады. Бұл бөлшектерді енгізбей, физикалық кеңістік-уақыт нүктелерін (тесіктің ішінде) анықтау мүмкін емес; Айнштейннің «Айнштейннің шешімі» бөлімінде келтірілген Айнштейннің цитаталарын қараңыз.
Координаттық инварианттылықтың мәні
Философиялық көзқарастағылар үшін әлі де кейбір нюанстар бар. Егер метрикалық компоненттер жалпы салыстырмалылықтың динамикалық айнымалылары ретінде қарастырылса, теңдеулердің координаттық инвариантты болуының өзі ешқандай мазмұнға ие емес. Дұрыс тұжырымдалған жағдайда, барлық физикалық теориялар координаттық түрлендірулерге қатысты инвариантты болады. Максвелл теңдеулерін кез келген координаттық жүйеде жазып, болашақты дәл сол күйінде болжауға болады. Бірақ электромагнетизмді кез келген координаттық жүйеде тұжырымдау үшін, нақты бір координаттық жүйеге байланысты емес, кеңістік-уақыт геометриясының сипаттамасын енгізу қажет. Бұл сипаттама – әрбір нүктедегі метрикалық тензор немесе жақын орналасқан векторлардың параллельдігін анықтайтын байланыс. Математикалық объект, Минковский метрикасы, координаттық жүйеден екіншісіне аусқанда формасын өзгертеді, бірақ ол динамиканың бөлігі емес және қозғалыс теңдеулеріне бағынбайды. Электромагниттік өріс қандай өзгеріске ұшыраса да, ол әрқашан бірдей күйде қалады. Ол өзіне әсер етілмей әсер етеді. Жалпы салыстырмалылықта геометрияны сипаттау үшін қолданылатын әрбір жекелеген жергілікті шаманың өзі, өзінің қозғалыс теңдеуімен динамикалық өріс болып табылады. Бұл қатаң шектеулер тудырады, себебі қозғалыс теңдеуі логикалық болуы керек. Ол бастапқы шарттардан болашақты анықтауы керек, кішкентай бұзылыстарда тұрақсыздыққа ұшырамауы керек және кішкентай ауытқулар үшін оң мәнді энергияны анықтауы керек. Егер координаталық инварианттылық тривиальды түрде дұрыс деп қарасақ, координаталық инварианттылық принципі метриканың өзі динамикалық екенін және оның қозғалыс теңдеуі тұрақты кеңістік-уақыт геометриясын қамтымайды дегенді білдіреді.
Эйнштейннің шешімі
1915 жылы Эйнштейн тесік аргументі кеңістік-уақыттың сипаты туралы болжам жасайды деп түсінді: ол кеңістік-уақыт координатасы арқылы анықталған кеңістік-уақыт нүктесінде гравитациялық өрістің мәні туралы сөйлесудің мәні бар екенін болжайды. Нақтырақ айтқанда, ол гравитациялық өрістің физикалық қасиеттері туралы сөйлесудің мәні бар екенін болжайды, мысалы, егер ол жазық немесе қисық болса (бұл гравитациялық өрістің координаттық тәуелсіз қасиеті), кеңістік-уақыт нүктесінде. Бұл болжамды тастау арқылы жалпы коварианттылық детерминизммен үйлесімді болды. Белсенді диффеоморфизммен ерекшеленетін екі гравитациялық өріс геометриялық жағынан әртүрлі көрінсе, барлық бөлшектердің траекториясы қайта есептелгеннен кейін, олардың өзара әрекеттесулері гравитациялық өріс барлық белсенді диффеоморфизмдер бойынша бірдей мәнді алатын "физикалық" орналасқан жерлерді анықтайды. (Егер екі метрика бір-бірімен жай ғана координаттық түрлендіру арқылы байланысты болса, бөлшектердің әлемдік сызықтары өзгермейді; себебі екі метрика да бірдей кеңістік-уақыт геометриясын енгізеді және әлемдік сызықтар геометриялық жағынан ең үлкен уақыттың траекториялары ретінде анықталады – геометрия тек белсенді диффеоморфизммен ғана өзгереді және траекториялар өзгертіледі.) Бұл физикалық заңдардағы өлшеуіш инварианттылық принципінің алғашқы нақты тұжырымы болды. Эйнштейн тесік аргументі орын мен уақыттың жалғыз мағыналы анықтамасы материя арқылы беріледі деп сенді. Кеністік-уақыт нүктесі өзінен-өзі мағынасыз, өйткені мұндай нүктеге берілетін белгі беймәлім. Кеністік-уақыт нүктелері физикалық мағынаға ие болады, себебі материя олар арқылы қозғалады. Оның сөздері бойынша: "Біздің барлық кеңістік-уақыттық тексерулеріміз әрқашан кеңістік-уақыттық сәйкестікті анықтаумен аяқталады. Егер, мысалы, оқиғалар тек қана материалдық нүктелердің қозғалысынан тұрса, онда, соңында, екі немесе одан да көп нүктелердің кездесуінен басқа ештеңе байқалмайды". Ол мұны жалпы салыстырмалылық теориясының ең терең түсінігі деп санады. Осы түсінікке сәйкес, кез келген теорияның физикалық мазмұны ол рұқсат берген кеңістік-уақыт сәйкестіктерінің тізімімен толығымен аяқталады. Джон Стачел бұл принципти нүктелік сәйкестік аргументі деп атады. Барлық түрлі материяның қатысуындағы каноникалық LQG-нің шектілігін Тиман тікелей дәлелдеді. Алайда, циклдік кванттық гравитация фондық тәуелсіздікті артықшылықты анықтамалық шеңбер ("спин көбіктері") енгізу арқылы бұзады деп айтылды. Тоқырауыш жол теориясы (бірқатар тоқырауыш емес формулаларға қосымша) "көзге көрінетіндей" фонға тәуелсіз емес, өйткені ол шексіз шарттарға байланысты, жалпы салыстырмалылық теориясының тоқырауы да "көзге көрінетіндей" фонға тәуелді емес. Алайда, жол теориясының кейбір секторлары фондық тәуелсіздікті айқын көрсететін формулаларды қабылдайды, соның ішінде ең бастысы AdS/CFT. Жол теориясы жалпы алғанда фонға тәуелсіз деп есептеледі, тіпті көптеген пайдалы формулалар оны айқын көрсетпесе де. Кері пікір үшін Смолинге қараңыз.
"All our space time verifications invariably amount to a determination of space time coincidences. If, for example, events consisted merely in the motion of material points, then ultimately nothing would be observable but the meeting of two or more of these points." He considered this the deepest insight of general relativity. According to this insight, the physical content of any theory is exhausted by the catalog of the spacetime coincidences it licenses. John Stachel called this principle, the point coincidence argument. The direct proof of finiteness of canonical LQG in the presence of all forms of matter has been provided by Thiemann. However, it has been suggested that loop quantum gravity violates background independence by introducing a preferred frame of reference ('spin foams'). Perturbative string theory (in addition to a number of non perturbative formulations) is not 'obviously' background independent, because it depends on boundary conditions at infinity, similarly to how perturbative general relativity is not 'obviously' background dependent. However some sectors of string theory admit formulations in which background independence is manifest, including most notably the AdS/CFT. It is believed that string theory is background independent in general, even if many useful formulations do not make it manifest. For a contrary view see Smolin.