Материально ли гравитационное поле?

    Вопрос о материальности гравитационного поля может показаться тривиальным. С философской точки зрения материальность эквивалентна объективной реальности. Но объективная реальность гравитационного поля подтверждается всей нашей повседневной жизнью. Благодаря гравитации мы удерживаемся на поверхности земли, строим здания. Состояние весомости обусловливает ритм работы нашего организма. Гравитация не только служит человеку, но и является фактором, с которым человек ведет постоянную "борьбу": для преодоления сил тяготения человек создает подъемные краны, космические ракеты и т. д.

То есть имеется нечто объективное, действующее на нас и предметы окружающего мира. Но сами по себе такого рода явления еще не доказывают реальности гравитации как физического ноля. Вопрос о природе гравитации, и в частности о ее объективности, можно рассматривать лишь в рамках определенной физической теории. Именно в теории упомянутые факты получают определенный смысл, доказательную силу.

Повседневный опыт действительно является убедительным свидетельством объективности гравитации как физического поля, если, однако, мы будем рассматривать его в рамках физики Ньютона. С точки зрения этой физики гравитация является реальным силовым полем, которое подчиняется закону всемирного тяготения. Если на землю падает какой-либо предмет, то мы говорим, что на него действуют реальные силы тяготения. Реальность таких сил проявляется в реальности самого процесса падения.

Однако ньютоновская теория оказалась неадекватной природе тяготения. Она не объясняла целый ряд эмпирических фактов, которые получили объяснение в общей теории относительности. Но теория относительности совершенно иначе трактует гравитацию и связанные с нею явления. Свободное падение тел под действием гравитационных сил представляется в ней как их равномерное движение в искривленном пространстве по геодезическим линиям. Гравитация утрачивает значение силового поля: она выступает как кривизна пространства, т. е. как геометрический феномен. И вот здесь сразу же обнаруживается нетривиальность вопроса об объективности гравитации. Для решения его ссылки на "очевидность фактов" недостаточно.

В общей теории относительности гравитационное поле характеризуется функциями gik, которые отождествляются с потенциалами поля. Но эти же функции появляются и при описании эвклидова пространства, т. е. пространства, имеющего нулевую кривизну, и следовательно, лишенного гравитации в криволинейных координатах. В результате мы получаем "гравитацию", которая обязана своим существованием применяемому нами способу описания пространства.

Возникает проблема различения "истинного" и "фиктивного" гравитационных полей. "Истинное" гравитационное поле выражается кривизной пространства, которая является инвариантом и не может быть создана или устранена никаким преобразованием координат. Такое гравитационное поле не зависит от способа нашего описания и в этом смысле имеет объективный характер.

Таким образом, к выводу об объективности истинного гравитационного поля мы можем прийти не просто на основе наблюдения фактов, например фактов падения предметов на землю, а путем теоретического анализа проблемы инвариантности характеризующих его величин.

Могут возразить, что здесь смешиваются два разных вопроса: вопрос о том, существует ли гравитация, и вопрос о том, какова ее природа. Ведь переход от классической физики к физике релятивистской ничего не изменил в утверждении об объективной реальности гравитации, истинность которого удостоверена повседневным опытом. Здесь изменились лишь наши представления о природе гравитации.

Эти возражения представляются несостоятельными. Нельзя говорить об объективности гравитации как физического поля (а не просто вызываемых ею чувственно воспринимаемых эффектов) вне определенной ее природы. Гравитационное поле, из которого исключена его природа, есть явление без сущности, т. е. представляет собой фиктивный феномен. Но природа гравитационного поля не дана нам непосредственно, а раскрывается в рамках определенных теоретических представлений.

Конечно, и общая теория относительности не ревизовала утверждение об объективной сущности гравитационного поля. Но в ее рамках это утверждение является более тонким, чем в ньютоновской теории гравитации, а потому нуждается в более тщательном разъяснении и обосновании.

Вопрос о материальности гравитационного поля имеет и другую сторону, с которой связаны еще более сложные проблемы. Мы используем понятие "материальность" как эквивалент понятия "объективная реальность". Однако понятие «объективная реальность» является слишком общим понятием и не позволяет нам различить объективно реальный субстрат и формы его существования, например, пространство и время, которые также являются объективно реальными. Выше поставленный вопрос можно было бы поэтому переформулировать следующим образом: является ли гравитационное поле видом материи подобно другим полям, например электромагнитному, или же оно аналогично пространству-времени как таковому?

Бросим ретроспективный взгляд на понятие поля. Оно было введено в связи с исследованиями электромагнетизма и рассматривалось как тождественное понятие электромагнитного поля. Максвелл показал, что оно оказывается не только удобным описанием действия электромагнитных сил на расстоянии, но и плодотворным в научном отношении. Пользуясь этим представлением, он сформулировал свои знаменитые уравнения, в которых содержался ряд новых идей, предвосхитивших опыт.

Обстоятельством, определившим эволюцию понятия поля, послужила не только его научная плодотворность, но и обнаруженные у поля конкретные физические свойства. Так, при исследовании поля было обнаружено, что оно обладает энергией. После введения понятия электромагнитного поля было

установлено, что оно имеет волновую природу, причем электромагнитные волны регистрировались экспериментально. Наконец, важным аргументом в пользу представления о физической реальности поля явилось открытие квантов электромагнитного поля — фотонов.

Гравитационное поле существенно отличается от электромагнитного и других видов полей. Геометрический характер гравитации выделяет ее из всех физических полей и в некотором смысле отдаляет ее от них. Правда, нам могут сказать, что связь гравитационного поля с геометрией указывает на физический смысл геометрии. Геометрия перестает рассматриваться только как математический способ описания пространства, а становится объективным элементом структуры физического явления — гравитационного поля. Но, с другой стороны, эта связь может интерпретироваться (и действительно интерпретируется некоторыми физиками) как "поглощение" геометрией гравитационного поля. Физический статус гравитационного поля стал бы более естественным и очевидным, если бы у него, помимо геометрической структуры, были обнаружены другие физические свойства, например энергия, масса, волны, кванты и т. п. Вот почему внимание многих физиков-релятивистов обращено на исследования и поиски внегеометрических аспектов гравитационного поля.

Однако на этом пути ученых подстерегают трудности. Все эти внегеометрические аспекты гравитации до сих пор принадлежат лишь к области догадок. Гравитация (в рамках общей теории относительности) до сего времени предстает перед нами только как геометрия пространства.

Геометрический характер гравитационного поля обусловливает специфику проблемы его энергии. Гравитационное поле, вообще говоря, имеет энергию. Казалось бы, наличие у него такого важного физического свойства, как энергия, уже утверждает его физический статус. Но дело в том, что энергия гравитационного поля существенно отличается от энергии других видов полей, например электромагнитного. Величины, характеризующие ее, являются неинвариантными и образуют не тензор, а псевдотензор. Простым переходом от одной системы координат к другой мы можем "создать" гравитацию в данной точке и, наоборот, "устранить" ее. Причем это относится не только к "фиктивным", но и "истинным" гравитационным полям.

Геометрическое описание гравитации и отмеченные особенности гравитационной энергии вызвали к жизни концепцию, в которой гравитационное поле не относится к видам материи. По мнению ученых, гравитационное поле (в отличие от электромагнитного) нельзя считать видом материи. Оно не имеет субстратного характера, а принадлежит к пространству-времени и является, как и последнее, формой существования материи.

Трактовка гравитации как чисто геометрической формы, вообще говоря, логически допустима. Кроме того, она в большей степени, чем какая-либо другая концепция, опирается на современные релятивистские представления о гравитации. Однако ей присущи существенные дефекты. Во-первых, ее сторонники, отождествляя гравитацию с кривизной пустого пространства, полагают, что именно в этом виде она выступает как форма существования материи. Но в действительности такое понимание гравитации и пространства лишает их статуса форм существования материи. В философии диалектического материализма понятие "форма существования материи", отнесенное к пространству, означает нераздельность пространства и материи, недопустимость существования пространства самого по себе. Поэтому изложенную концепцию гравитации следует рассматривать не как утверждение гравитации и пространства в качестве формы существования материи, а, наоборот, как отрицание их статуса форм существования материи.

Во-вторых, полагая, что гравитационное поле полностью сводится к геометрии пространства-времени, ученые считают необоснованными любые попытки поиска его физических свойств, выявления общих черт поля. В частности, они делают вывод о бесперспективности стремления создать квантовую теорию гравитации. Особый характер гравитационных и инерциальных полей должен быть принят во внимание в проблеме квантования этих полей. Само гравитационное поле не обладает массой энергии и импульсом в том смысле, в каком этими величинами обладают другие поля.

В заключение коснемся еще двух вопросов. Первый из них можно сформулировать так: не противоречит ли трактовка гравитационного поля как вида материи общей теории относительности? При ответе на него следует иметь в виду, что существуют два утверждения:

а) гравитация проявляется в геометрии пространства и времени и

б) гравитация полностью сводится к геометрии пространства-времени.

Эти утверждения не противоречат одно другому. Более того, второе является более сильным, так как из него можно получить в качестве следствия первое, но не наоборот. Общая теория относительности жестко связана с первым утверждением. Отказ от него является отказом и от общей теории относительности. Кроме того, некоторые физики-релятивисты принимают второе утверждение. Но поскольку второе утверждение не связано жестко с первым в том смысле, что не является его следствием, в рамках общей теории относительности логически допустим отказ от него. Этот отказ может состоять в переходе от концепции гравитационного поля как геометрической структуры пространства-времени к концепции гравитационного поля как вида материи, для которого геометрическая структура пространства-времени является важным, хотя и не единственным, аспектом.

Следует отметить, что некоторые физики высказывают мнение, что гравитация — это вид материи. Известный специалист в области общей теории относительности А. 3. Петров писал: "Всякая попытка философского осмысления проблемы гравитации прежде всего сталкивается с фундаментальным вопросом: является ли поле гравитации особым видом материи? В зависимости от того или иного ответа на этот вопрос следуют соответствующие выводы философского характера, с одной стороны, и далеко идущие физические конструктивные следствия, приводящие к таким понятиям, как потенциал, напряженность поля и т. д., — с другой. Мы здесь исходим из того, что поле гравитации есть особый вид материи".

Второй вопрос. Когда мы утверждаем, что открытие конкретных физических свойств гравитационного поля может явиться вкладом в обоснование тезиса об его материальности, то не смешиваем ли мы философское понятие материи с естественнонаучными представлениями о ее строении? Действительно, понятие материи фиксирует в явлениях мира лишь одно свойство — свойство объективной реальности. Для того, чтобы считать данное явление материальным, достаточно, чтобы оно обладало свойством объективного бытия. При этом совершенно безразлично, наделено оно или нет теми или иными конкретными свойствами.

В данном вопросе имеется один важный момент, который не всегда учитывается. Зададим такой вопрос: что собой представляет свойство бытия? Казалось бы, на этот вопрос можно ответить так: это такое свойство предмета, которое остается у него, если мы отвлечемся от всех конкретных его свойств, за исключением его существования. Но на самом деле в результате этой процедуры мы приходим, выражаясь языком Гегеля, не просто к понятию бытия, а к понятию "чистого бытия", которое оказывается эквивалентным "ничто". Свойство реальности в чистом виде без связи с конкретными наличными свойствами есть не просто абстракция, но абстракция бессодержательная. Бытие вещи имеет характер наличной реальности только через наличие у нее конкретных свойств: оно есть функция от конкретных свойств.

С философской точки зрения неважно, что собой представляют эти свойства. Характер их устанавливается посредством опыта и данных конкретных наук. Но наличие каких-либо конкретных свойств вещи является необходимым условием ее бытия.

Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать вывод, что, хотя положение о материальности гравитации не связано жестко с определенным набором конкретных физических свойств, сам процесс познания их является вкладом в обоснование положения о ее материальности.