Вакуум. Общее представление. Что есть физический вакуум? Что есть физический вакуум заключение

Мысль о том, что Великая пустота, Великое Ничто, или вакуум (от лат. vacuum - пустота), есть источник окружающего нас мира, уходит вглубь веков. Согласно представлениям мыслителей Древнего Востока, все материальные объекты возникают из пустоты. В самой Великой пустоте постоянно совершаются акты творения реальных объектов. В древнеиндийских Ведах пустота отождествляется с пространством.

Проблема существования пустоты ставилась и в античной натурфилософии, в которой обсуждался вопрос о том, пусто мировое пространство или оно заполнено некой материальной средой, чем-то отличающейся от пустоты.

Согласно философской концепции великого древнегреческого философа Демокрита, все вещества состоят из частиц, между которыми находится пустота. Но согласно философской концепции другого, не менее знаменитого, древнегреческого философа Аристотеля, в мире нет ни малейшего места, где бы не было «ничего». Эта среда, пронизывающая все пространство Вселенной, получила название эфира.

Понятие эфира вошло в европейскую науку. Великий Ныотон понимал, что закон всемирного тяготения будет иметь смысл, если пространство обладает физической реальностью, т.е. представляет собой среду, обладающую физическими свойствами. Он писал: «Мысль о том... чтобы одно тело могло воздействовать на другое через пустоту на расстоянии, без участия чего-то такого, что переносило бы действие и силу от одного тела к другому, - представляется мне нелепой» 1 . Вместе с тем Ныотон первым в науке Нового времени выявил связь между геометрией пространства событий и механикой. Им была разработана механика как теория измерения расстояний и моментов времени движущихся относительно инерциальных систем отсчета материальных тел. Полученные в результате измерений данные подвергались обработке, после чего строились сначала уравнения траекторий, а затем и уравнения движения в дифференциальной форме. И. Ныотон писал: «Геометрия основывается на механической практике и есть не что иное, как та часть общей механики, в которой излагается и доказывается искусство точного измерения» .

Развитие научных идей не носит линейного характера. Все гораздо сложнее и драматичнее. Итак, в зарождающемся научном естествознании было сформулировано представление об эфире как мировой среде с физическими свойствами и представление о пространстве, геометрические свойства которого определяются механикой движения тел. Приоритет был отдан эфиру.

В классической физике не было экспериментальных данных, которые подтверждали бы существование эфира, но и не было данных, которые бы опровергали это. Авторитет Ньютона способствовал тому, что эфир стал рассматриваться в качестве важнейшего понятия физики. Под понятие

«эфир» стали подводить все, что вызывалось гравитационными и электромагнитными силами. Но поскольку другие фундаментальные взаимодействия до возникновения атомной физики практически не изучались, то с помощью эфира пытались объяснять любые явления и любые процессы.

Эфир должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения; эфир оказывался средой, но которой идут световые волны, и нес ответственность за все проявления электромагнитных сил. Развитие физики заставляло наделять эфир все новыми и новыми противоречивыми свойствами.

В начале XX в. А. Эйнштейн обосновал необходимость отказа от понятия эфира как научно несостоятельного. Он ссылался на отрицательный результат опытов по обнаружению скорости движения Земли относительно эфира, проведенных в 1880-1887 гг. М. Майкельсоном. Рассмотрев все предположения относительно эфира со времен Ньютона и до начала XX в., А. Эйнштейн в труде «Эволюция физики» подвел итоги: «Все наши попытки сделать эфир реальным провалились. Он не обнаружил ни своего механического строения, ни абсолютного движения. От всех свойств эфира не осталось ничего... Все попытки открыть свойства эфира привели к трудностям и противоречиям. После стольких неудач наступает момент, когда следует совершенно забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем» 1 .

Следует отметить, что эксперименты по обнаружению эфира были продолжены в 1921 - 1925 гг. в обсерватории Маунт Вилсон и дали положительные результаты. Но это случилось позже, а тогда, в 1905 г., в специальной теории относительности произошел отказ от понятия «эфир» .

В общей теории относительности в качестве материальной среды, взаимодействующей с телами, обладающими гравитационными массами, рассматривалось пространство. А. Эйнштейн впервые показал общую глубокую взаимосвязь абстрактного геометрического понятия кривизны пространства с физическими проблемами гравитации. Близкие идеи развивал и английский математик В. Клиффорд (1845-1879), который считал, что «в физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства» 1 . Согласно Клиффорду, материя представляет собой сгустки пространства, своеобразные холмы кривизны на фоне плоского пространства.

Сам творец общей теории относительности полагал, что некая вездесущая материальная среда все-таки должна существовать и обладать определенными свойствами. После публикации работ по общей теории относительности Эйнштейн неоднократно возвращался к понятию эфира и считал, что «мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами» .

Однако поскольку в то время считалось, что понятие «эфир» уже принадлежит истории науки, то возврата к нему не было. Утвердилось мнение, что «континуум, наделенный физическими свойствами», является физическим вакуумом.

В современной физике считается, что роль фундаментальной материальной основы мира выполняет физический вакуум, который представляет собой универсальную среду, пронизывающую все пространство. Физический вакуум - это такая непрерывная среда, в которой нет ни частиц вещества, ни поля, и вместе с тем он является физическим объектом, а не лишенным всяких свойств «ничто». Непосредственно физический вакуум не наблюдается, в экспериментах наблюдается лишь проявление его свойств.

Принципиальное значение для решения проблемы вакуума имели работы английского физика, лауреата Нобелевской премии 1933 г. П. Дирака. До их появления считалось, что вакуум есть чистое «ничто», которое, несмотря на любые преобразования измениться не способно. Теория Дирака открыла путь к преобразованиям вакуума, в которых прежнее «ничто» обращалось во множество пар «частица - античастица».

Вакуум у Дирака представляет собой море электронов с отрицательной энергией, образующих однородный фон, который не влияет на протекание в нем электромагнитных процессов. Мы не наблюдаем электронов с отрицательной энергией именно потому, что они образуют сплошной невидимый фон, на котором происходят все мировые события. Наблюдаемыми могут быть только изменения состояния вакуума, его «возмущения».

Когда в море электронов попадает богатый энергией световой квант - фотон, то он вызывает возмущение и электрон с отрицательной энергией может перейти в состояние с положительной энергией, т.е. будет наблюдаться как свободный электрон. Тогда в море отрицательных электронов образуется «дырка» и родится пара - электрон плюс «дырка».

Первоначально предполагалось, что дырками в дира- ковском вакууме являются протоны - единственно известные в то время элементарные частицы с противоположным электрону зарядом. Однако этой гипотезе не суждено было выжить: в эксперименте аннигиляцию электрона с протоном никто никогда не наблюдал.

Вопрос о реальном существовании и физическом смысле «дырок» был решен в 1932 г. американским физиком К. Д. Андерсоном (1905-1991), занимавшимся фотографированием треков (следов) приходящих из космоса частиц в магнитном поле. Он обнаружил в космических лучах след неизвестной ранее частицы, по всем параметрам тождественной электрону, но имеющей заряд противоположного знака. Эта частица была названа позитроном. При сближении с электроном позитрон аннигилирует с ним на два фотона высокой энергии (гамма-кванты), необходимость возникновения которых обусловлена законами сохранения энергии и импульса.

К. Андерсон получил за свое открытие Нобелевскую премию, а П. Дирак - подтверждение своей теории о квантовом вакууме.

Впоследствии оказалось, что почти все элементарные частицы (даже не имеющие электрических зарядов) имеют своих «зеркальных» двойников - античастицы, способные аннигилировать с ними. Исключение составляют лишь немногие истинно нейтральные частицы, например фотоны, которые тождественны своим античастицам.

Огромная заслуга П. Дирака заключалась в том, что он разработал релятивистскую теорию движения электрона, предсказавшую позитрон, аннигиляцию и рождение из вакуума электронно-позитронных пар. Стало ясно, что вакуум обладает сложной структурой, из которой могут рождаться пары: частица + античастица. Эксперименты на ускорителях подтвердили это предположение.

Одной из особенностей вакуума является наличие в нем полей с энергией, равной нулю, и без реальных частиц. Возникает вопрос: как может существовать электромагнитное поле без фотонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитронов и т.д.

Для объяснения нулевых колебаний полей в вакууме было введено понятие виртуальной (возможной) частицы - частицы с очень малым сроком жизни порядка 1СР 21 -10~ 24 с. Это и объясняет, почему в вакууме постоянно рождаются и исчезают частицы - кванты соответствующих полей. Отдельные виртуальные частицы нельзя обнаружить в принципе, но их суммарное воздействие на обычные микрочастицы обнаруживается экспериментально. Физики считают, что абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными элементарными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы тоже влияют. Обычные частицы порождают виртуальные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

Дальнейшие исследования квантовой физики были посвящены изучению возможности появления из вакуума реальных частиц, теоретическое обоснование которой дал Э. Шредингер в 1939 г. Квантовая физика доказала, что в вакууме в скрытом виде присутствуют частицы и античастицы, а квант энергии проявляет пару «электрон - позитрон», дает ей наблюдаемое проявление в мире.

Итак, в первой половине XX в. в физике были разработаны два подхода к пониманию нового уровня физической реальности - физического вакуума. Разные по своей природе теории - квантовая теория II. Дирака и общая теория относительности А. Эйнштейна - давали разные представления о нем. В квантовой теории Дирака вакуум, оставаясь нейтральным, представлял собой своего рода «кипящий бульон», состоящий из виртуальных частиц - электронов и позитронов. В теории А. Эйнштейна вакуум рассматривался как пустое четырехмерное пространство, наделенное геометрией Римана.

Для того чтобы объединить два различных представления о вакууме, А. Эйнштейном была выдвинута программа, получившая название единой теории поля. Но найти это поле и создать единую теорию поля А. Эйнштейну так и не удалось.

В настоящее время концепция физического вакуума наиболее полно представлена в трудах академика РАЕН Г. И. Шипова .

В 1998 г. Г. И. Шипов (р. 1938) разработал новые фундаментальные уравнения, описывающие структуру физического вакуума. Эти уравнения представляют собой систему нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка, в которую входят геометризированные уравнения Гейзенберга, геометризированные уравнения Эйнштейна и геометризированные уравнения Янга - Миллса. Пространство-время в теории Г. И. Шипова не только искривлено, как в теории Эйнштейна, но и закручено, как в геометрии Римана - Картана.

Французский математик Эли Картан (1869-1951) первым высказал мысль о том, что в природе должны существовать поля, порождаемые вращением. Эти поля получили название полей кручения, или торсионных полей (от фр. torsion - кручение). Для учета кручения пространства Г. И. Шиповым в геометризированные уравнения было введено множество угловых координат, что позволило использовать в теории физического вакуума угловую метрику, определяющую квадрат бесконечно малого поворота четырехмерной системы отсчета.

Добавление вращательных координат, при помощи которых описывается поле кручения, привело к распространению принципа относительности на физические поля: все физические поля, входящие в уравнения вакуума, имеют относительный характер. Принцип всеобщей относительности обобщает как специальный, так н общий принципы относительности Эйнштейна и, кроме того, утверждает относительность всех физических полей.

Найденные решения уравнений Шипова описывают искривленное и закрученное пространство-время, интерпретируемое как вакуумные возбуждения, находящиеся в виртуальном состоянии. Эти решения начинают описывать реальную материю после того, как входящие в него константы (или функции) интегрирования отождествляются с физическими константами. Г. И. Шипов выделяет три различных состояния физического вакуума :

• абсолютный , который представляет собой безграничное (пустое) однородное и изотропное псевдоевклидово пространство;
• первично возбужденный , представляющий собой первичную торсионную поляризацию вакуума (первичные поля инерции);
• возбужденный , представляющий собой материальные объекты, находящиеся в потенциальном (возможном) состоянии.

Чрезвычайно важным является то, что уравнения вакуума и принцип всеобщей относительности после соответствующих упрощений приводят к уравнениям и принципам квантовой теории. Полученная таким образом квантовая теория оказывается детерминированной , хотя вероятностная трактовка поведения квантовых объектов остается неизбежной. Частицы представляют собой предельный случай чисто нолевого образования при стремлении массы (или заряда) этого образования к постоянной величине. В данном предельном случае происходит возникновение корпускулярно-волнового дуализма. Поскольку в квантовой теории не учитывался относительный характер физических нолей, обусловленный вращением, то квантовая теория не была полной. В работах Г. И. Шипова подтвердилась догадка Эйнштейна о том, что более совершенная квантовая теория может быть найдена на пути расширения принципа относительности.

В основном состоянии абсолютный вакуум имеет нулевые средние значения момента импульса и других физических характеристик и в невозмущенном состоянии не наблюдаем. Разные состояния вакуума возникают при его флуктуациях.

Основополагающим элементом изучения подавляющего количества естественных наук является материя. В этой статье мы рассмотрим материи, формы её движения и свойства.

Что такое материя?

На протяжении многих веков понятие материи менялось и совершенствовалось. Так, древнегреческий философ Платон видел её как субстрат вещей, который противостоит их идее. Аристотель же говорил, что это нечто вечное, что не может быть ни сотворено, ни уничтожено. Позже философы Демокрит и Левкипп дали определение материи как некой основополагающей субстанции, из которой состоят все тела в нашем мире и во Вселенной.

Современное понятие материи дал В. И. Ленин, согласно которому она является самостоятельной и независимой объективной категорией, выражаемой человеческим восприятием, ощущениями, она также может быть скопирована и сфотографирована.

Атрибуты материи

Главными характеристиками материи являются три признака:

• Пространство.
• Время.
• Движение.

Первые два отличаются метрологическими свойствами, то есть их можно количественно измерить специальными приборами. Пространство измеряется в метрах и его производных величинах, а время в часах, минутах, секундах, а также в сутках, месяцах, годах и т. д. У времени есть также другое, не менее важное свойство - необратимость. Нельзя вернуться на какую-либо исходную временную точку, вектор времени всегда имеет одностороннюю направленность и движется от прошлого к будущему. В отличие от времени, пространство - более сложное понятие и имеет трёхмерное измерение (высота, длина, ширина). Таким образом, все виды материи могут передвигаться в пространстве за определённый промежуток времени.

Формы движения материи

Всё, что нас окружает, передвигается в пространстве и взаимодействует друг с другом. Движение происходит непрерывно и является главным свойством, которым обладают все виды материи. Между тем этот процесс может протекать не только при взаимодействии нескольких объектов, но и внутри самого вещества, обуславливая его видоизменения. Различают следующие формы движения материи:

• Механическая - это перемещение предметов в пространстве (падение яблока с ветки, бег зайца).

• Физическая - возникает, когда тело изменяет свои характеристики (например, агрегатное состояние). Примеры: тает снег, испаряется вода и т. д.
• Химическая - видоизменение химического состава вещества (коррозия металла, окисление глюкозы)
• Биологическая - имеет место в живых организмах и характеризует вегетативный рост, обмен веществ, размножение и др.

• Социальная форма - процессы социального взаимодействия: общение, проведение собраний, выборов и т. д.
• Геологическая - характеризует движения материи в земной коре и недрах планеты: ядре, мантии.

Все вышеназванные формы материи взаимосвязаны, взаимодополняют и взаимозаменяют друг друга. Они не могут существовать самостоятельно и не являются самодостаточными.

Свойства материи

Древняя и современная наука приписывали материи множество свойств. Самое распространённое и очевидное - это движение, однако имеются и другие универсальные свойства:

• Она несотворима и неуничтожима. Это свойство означает, что любое тело или вещество какое-то время существует, развивается, перестаёт существовать как исходный объект, однако материя не прекращает своего существования, а просто превращается в другие формы.
• Она вечна и бесконечна в пространстве.
• Постоянное движение, преобразование, видоизменение.
• Предопределённость, зависимость от порождающих факторов и причин. Данное свойство является своего рода объяснением происхождения материи как следствия определённых явлений.

Основные виды материи

Современные ученые выделяют три фундаментальных вида материи:

• Вещество, обладающее определённой массой в состоянии покоя, представляет собой наиболее распространённый вид. Оно может состоять из частиц, молекул, атомов, а также их соединений, которые образуют физическое тело.
• Физическое поле - это особая материальная субстанция, которая призвана обеспечивать взаимодействие объектов (веществ).
• Физический вакуум - является материальной средой с наименьшим уровнем энергии.

Вещество

Вещество - вид материи, главным свойством которого является дискретность, то есть прерывистость, ограниченность. В его структуру входят мельчайшие частицы в виде протонов, электронов и нейтронов, из которых состоит атом. Атомы соединяются в молекулы, формируя вещество, которое, в свою очередь, образует физическое тело или текучую субстанцию.

Любое вещество обладает рядом индивидуальных характеристик, отличающих его от других: масса, плотность, температура кипения и плавления, структура кристаллической решётки. При определённых условиях разные вещества можно соединять и смешивать. В природе они встречаются в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. При этом конкретное агрегатное состояние лишь соответствует условиям содержания вещества и интенсивности молекулярного взаимодействия, но не является его индивидуальной характеристикой. Так, вода при разных температурах может принимать и жидкую, и твёрдую, и газообразную форму.

Физическое поле

Виды физической материи включают и такую компоненту, как физическое поле. Оно представляет собой некую систему, в которой материальные тела взаимодействуют. Поле является не самостоятельным объектом, а, скорее, носителем специфичных свойств образовавших его частиц. Таким образом, импульс, высвобожденный от одной частицы, но не поглощённый другой, является принадлежностью поля.

Физические поля - это реальные неосязаемые формы материи, обладающие свойством непрерывности. Их можно классифицировать по различным критериям:

1. В зависимости от полеобразующего заряда выделяют: электрическое, магнитное и гравитационное поля.
2. По характеру движения зарядов: динамическое поле, статистическое (содержит неподвижные относительно друг друга заряженные частицы).
3. По физической природе: макро- и микрополя (создаются движением отдельных заряженных частиц).
4. В зависимости от среды существования: внешнее (которое окружает заряженные частицы), внутреннее (поле внутри вещества), истинное (суммарное значение внешнего и внутреннего полей).

Физический вакуум

В XX веке в физике как компромисс между материалистами и идеалистами для объяснения некоторых явлений появился термин "физический вакуум". Первые приписывали ему материальные свойства, а вторые утверждали, что вакуум - это не что иное, как пустота. Современная физика опровергла суждения идеалистов и доказала, что вакуум - это материальная среда, также получившая название квантового поля. Число частиц в нём приравнивается к нулю, что, однако, не препятствует кратковременному возникновению частиц в промежуточных фазах. В квантовой теории уровень энергии физического вакуума условно принимается за минимальный, то есть равный нулю. Однако экспериментально доказано, что энергетическое поле может принимать как отрицательные, так и положительные заряды. Существует гипотеза, что Вселенная возникла именно в условиях возбуждённого физического вакуума.

До сих пор не до конца изучена структура физического вакуума, хотя и известны многие его свойства. Согласно дырочной теории Дирака, квантовое поле состоит из движущихся квантов с одинаковыми зарядами, неясным остаётся состав самих квантов, скопления которых перемещаются в виде волновых потоков.

Для нас сейчас физический вакуум -- это то, что остается в пространстве, когда из него удаляют весь воздух и все до последней элементарные частицы. В результате получается не пустота, а своеобразная материя - Прародитель всего во Вселенной, рождающий элементарные частицы, из которых потом формируются атомы и молекулы.

А. Е. Акимов (11,с.24)

Так как в понятие вакуума вкладывается всепроникающая среда, находящаяся между частицами, то вакуум занимает все межчастичное пространство; следовательно, эту среду можно определить как бесчастичную форму материи, плотность которой изменяется соответственно действующим на вакуум силам. Плотность вакуума имеет весьма малое значение по сравнению с привычными для нас значениями плотности вещества: например, плотность вакуума, находящегося между молекулами газа при давлении в одну атмосферу составляет 10 -15 г/см 3 , а плотность дистиллированной воды при тех же условиях - 1 г/см 3 (20, с. 60).

Гравитация, присущая любым массам, присуща и массе вакуума. На основании этого постулата сила взаимодействия тела с любой частью вакуума будет определяться законом всемирного тяготения. То есть тела притягивают к себе вакуум подобно тому, как Земля притягивает находящиеся на ней тела. Поэтому при движении какого-либо тела вместе с ним будет двигаться (увлекаться) и окружающий его вакуум. Разумеется, это увлечение будет только в том случае, если на этот вакуум не действует большая сила (от гравитационного воздействия других тел), удерживающая вакуум от этого увлечения. Однако вакуум не просто увлекается за движущимся телом, а "выполняет роль подлинного управителя всякого движения. В образном представлении, вакуум, словно бульдог, вцепляется в любой макрообъект с тем большим усилием, чем массивнее его жертва. Вцепившись, он уже никогда не отпускает ее, сопровождая во всех странствиях по космическому пространству. Физически это означает, что вакуум и контролируемый им объект представляют собой замкнутую систему” (21, с, 27).

Уникальные опыты Физо и Майкельсона показали, что в природе нет абсолютно неподвижного вакуума. Вакуум, обладая массой, всегда увлекается тем телом, гравитационные силы которого преобладают, В указанных опытах таким телом является Земля, увлекающая околоземной вакуум (в опыте Майкельсона) и не позволяющая движущемуся на Земле телу увлекать вакуум, находящийся между частицами тела (в опыте Физо).

В современной интерпретации физический вакуум представляется сложным квантовым динамическим объектом, который проявляет себя через флуктуации. Физический вакуум рассматривают как материальную среду, изотропно (равномерно) заполняющую все пространство (и свободное пространство и вещество), имеющую квантовую структуру, ненаблюдаемую в невозмущенном состоянии (33. с. 4).

Для лучшего понимания физического вакуума было признано целесообразным рассматривать его как электронно-позитронную модель Дирака в ее несколько измененной интерпретации.

Представим физический вакуум как материальную среду, состоящую из элементов, образуемых парами частиц и античастиц (по Дираку - электронно-позитронная пара).

Если частицу и античастицу вложить друг в друга, то такая система будет истинно электронейтральной. А так как обе частицы обладают спином, то система "частица-античастица” должна представлять пару вложенных друг в друга частиц с противоположно направленными спинами. Вследствие истинной электронейтральности и противоположности спинов такая система не будет обладать и магнитным моментом (33, с. 5). Систему из частиц и античастиц в указанном выше виде, обладающую указанными свойствами, называют фитоном. Плотная упаковка фитонов и образует среду, называемую физическим вакуумом. Однако следует помнить, что эта модель весьма упрощена, и было бы наивно усматривать в построенной модели истинную структуру физического вакуума (рис. 1, а, б).

Рассмотрим наиболее важные в практическом отношении случаи возмущения физического вакуума разными внешними источниками (86. с, 940).

1. Пусть источником возмущения является заряд q (рис. 1, в). Действие заряда будет выражено в зарядовой поляризации физического вакуума, и это его состояние проявляется как электромагнитное поле (Е-поле). Именно на это указывал ранее в своих работах академик АН СССР Я. Б. Зельдович.

2. Пусть источником возмущения является масса m (рис, 1, г). Возмущение физического вакуума массой т будет выражаться в симметричных колебаниях элементов фитонов вдоль оси на центр объекта возмущения, как это условно изображено на рисунке. Такое состояние физического вакуума характеризуется как спиновая продольная поляризация и интерпретируется как гравитационное поле (G-поле). Такая идея была высказана еще А. Д. Сахаровым (87, с. 70). По его мнению, гравитация вообще не является отдельной действующей силой, а возникает в результате изменений квантово-флуктуационной энергии вакуума, когда имеется какая-либо материя, подобно тому, как это происходило с образованием сил в опыте Г. Казимира. А. Д. Сахаров считал, что присутствие материи в море частиц с абсолютно нулевой энергией вызывает появление несбалансированных сил, движущих материю, называемых гравитацией (86,с.940).

3. Пусть источником возмущения является классический спин (рис. 1, д). Спины фитонов, которые совпадают с ориентацией спина источника, сохраняют свою ориентацию. Спины фитонов, которые противоположны спину источника, под действием этого источника испытывают инверсию. В результате физический вакуум перейдет в состояние поперечной спиновой поляризации. Это состояние интерпретируется как спиновое поле (S-поле), то есть поле, порождаемое классическим спином. Такое поле называют еще торсионным полем (31, с. 31).

В соответствии с изложенным можно считать, что единая среда - физический вакуум может находиться в разных поляризационных состояниях, EQS-состояниях. Причем физический вакуум в фазовом состоянии, соответствующем электромагнитному полю, обычно рассматривается как сверхтекучая жидкость. В фазовом состоянии спиновой поляризации физический вакуум ведет себя как твердое тело.

Указанные соображения примиряют две взаимоисключающие точки зрения - точку зрения конца XIX века и начала XX века, когда эфир рассматривали как твердое тело, и представление современной физики о физическом вакууме как о сверхтекучей жидкости. Правильны обе точки зрения, но каждая для своего фазового состояния (33, с. 13).

РИС. 1 Диаграмма поляризационных состояний физического вакуума

Все три поля: гравитационное, электромагнитное и спиновое - являются универсальными. Эти поля проявляются себя и на микро-, и на макроуровнях. Здесь уместно вспомнить слова академика АН СССР Я. И. Померанчука; Вся физика - это физика вакуума”, или академика ЭАН Г. И. Наана: “Вакуум есть все, и все есть вакуум" (63,с.14).

В результате знакомства с теорией физического вакуума становится ясно, что современная природа не нуждается в “объединениях". В природе есть только физический вакуум и его поляризационные состояния, а “объединения” лишь отражают степень нашего понимания взаимосвязи полей (31, с. 32).

Следует отметить еще один чрезвычайно важный факт, касающийся физического вакуума как источника энергии.

Традиционная точка зрения сводилась к утверждению, что, так как физический вакуум является системой с минимальной энергией, то никакую энергию из такой системы извлечь нельзя. При этом, однако, не учитывалось, что физический вакуум - это динамическая система, обладающая интенсивными флуктуациями, которые и могут быть источником энергии. Возможность эффективного взаимодействия спинирующих (вращающихся) объектов с физическим вакуумом позволяет с новых позиций рассмотреть возможность создания торсионных источников энергии.

Согласно Дж, Уиллеру, планковская плотность энергии физического вакуума составляет 10 95 г/см 3 , в то время как плотность энергии ядерного вещества равна 10 14 г/см 3 . Известны и другие оценки энергии вакуумных флуктуации, но все они существенно больше оценки Дж. Уиллера (31, с. 34). Следовательно, можно сделать следующие многообещающие выводы:

Энергия вакуумных флуктуации весьма велика в сравнении с любым другим видом энергии;

Через торсионные возмущения возможно высвободить энергию вакуумных флуктуации.

Российские ученые полагают, что в физическом вакууме “упрятаны” скрытая материя и скрытая энергия, равные чуть ли не половине тех, что реализованы в виде Вселенной (113, с. 7).

1.Загадка природы физического вакуума.

Стимулом стойкого интереса к физическому вакууму является надежда ученых на то, что он откроет доступ к океану экологически чистой вакуумной энергии. Очевидно, что эти надежды не беспочвенны. В рамках квантовой электродинамики теория указывает на реальность существования в физическом вакууме “океана” энергии. Плотность энергии вакуума W определяется соотношением:

где: h – постоянная Планка, a – коэффициент, ν – частота.

Отсюда следует, что энергия вакуума может быть очень большой. Однако, вследствие высокой симметрии вакуума, непосредственный доступ к этой энергии весьма затруднителен. В результате, находясь, по существу, среди океана энергии, человечество вынуждено пользоваться только традиционными способами ее получения, основанными на сжигании природных энергоносителей. Тем не менее, при нарушении симметрии вакуума доступ к океану энергии возможен. Поэтому внимание исследователей привлекают новые физические эффекты и феномены в надежде на то, что они позволят заставить физический вакуум “работать”.

При достижении критического уровня возбуждения физический вакуум порождает элементарные частицы – электроны и позитроны. Поэтому многих исследователей интересует способность вакуума генерировать электроэнергию. Эффект Казимира указывает на возможность извлечения механической энергии из вакуума. Достижению реальных результатов, в плане практического использования энергии физического вакуума, мешает отсутствие понимания его природы. Загадка природы физического вакуума остается одной из серьезных нерешенных проблем фундаментальной физики.

По современным представлениям в основе всех физических явлений лежат квантованные поля. Вакуумное состояние является основным состоянием любого квантованного поля. Отсюда следует, что физический вакуум является самым фундаментальным видом физической реальности. В настоящее время преобладает концепция, в рамках которой считается, что вещество происходит из физического вакуума и его свойства проистекают из свойств физического вакуума. Я.Б.Зельдович исследовал даже более амбициозную проблему – происхождение всей Вселенной из вакуума. Он показал, что твердо установленные законы Природы при этом не нарушаются. Строго выполняются закон сохранения электрического заряда и закон сохранения энергии. Единственный закон, который не выполняется при рождении Вселенной из вакуума – это закон сохранения барионного заряда. Остается непонятным, куда подевалось огромное количество антивещества, которое должно было появиться из физического вакуума. Поэтому решение проблемы физического вакуума представляет интерес, как для фундаментальной науки, так и для прикладных исследований. Несмотря на большой интерес к нему, физический вакуум по-прежнему остается загадочным объектом, которому, тем не менее, наука определяет наиболее фундаментальный статус.

2. Философские проблемы вакуума.

Ученые считают физический вакуум особым состоянием материи, претендующим на первооснову мира. В ряде философских концепций в качестве основы мира рассматривается “ничто”, или “содержательная пустота”. При этом подразумевается, что именно “относительное ничто”, лишенное конкретных свойств и ограничений, присущих обычным физическим объектам, должно обладать особой общностью и фундаментальностью и, таким образом, охватывать все многообразие физических объектов и явлений. Философы древнего Востока утверждали, что наиболее фундаментальная реальность мира не может иметь никаких конкретных характеристик и, тем самым, напоминает небытие. Очень похожими признаками ученые наделяют физический вакуум. При этом, физический вакуум, будучи относительным небытием и “содержательной пустотой” является вовсе не самым бедным, а наоборот, самым содержательным, самым “богатым” видом физической реальности. Считается, что физический вакуум, являясь потенциальным бытием, способен породить все множество объектов и явлений наблюдаемого мира.

Несмотря на то, что актуально физический вакуум ничего не содержит, он содержит все потенциально. Поэтому, вследствие наибольшей общности, он может выступать в качестве онтологической основы всего многообразия объектов и явлений в мире. В этом смысле, пустота – самая содержательная и наиболее фундаментальная сущность. Такое понимание физического вакуума заставляет признать реальность существования не только в теории, но и в Природе и “ничто” и “нечто”. Последнее существует как проявленное бытие – в виде наблюдаемого вещественно-полевого мира, а “ничто” существует как непроявленное бытие – в виде физического вакуума. Поэтому, непроявленное бытие, при распространении этого понятия на физический вакуум, следует рассматривать как самостоятельную физическую сущность, которую необходимо изучать.

Физический вакуум непосредственно не наблюдается, но проявление его свойств регистрируется в экспериментах. К вакуумным эффектам относятся: рождение электронно-позитронной пары, эффект Лэмба-Ризерфорда, эффект Казимира. В результате поляризации вакуума электрическое поле заряженной частицы отличается от кулоновского. Это приводит к лембовскому сдвигу энергетических уровней и к появлению аномального магнитного момента у частиц. При воздействии высокоэнергетичного фотона на физический вакуум в поле ядра возникают вещественные частицы – электрон и позитрон. Эффект Казимира указывает на возникновение сил, сближающих две пластины, находящиеся в вакууме. Эти эффекты указывают на то, что вакуум является реальным физическим объектом.

3. Модельные представления физического вакуума.

В современной физике предпринимаются попытки представить физический вакуум различными моделями. Многие ученые, начиная от П.Дирака, пытались найти модельное представление, адекватное физическому вакууму. Известны: вакуум Дирака, вакуум Уилера, вакуум де Ситера, вакуум квантовой теории поля, вакуум Тэрнера-Вилчека и др. Вакуум Дирака является одной из первых моделей. В ней физический вакуум представлен “морем” заряженных частиц, заполняющих все энергетические уровни. Вакуум Уилера состоит из геометрических ячеек планковских размеров. Согласно Уилеру все свойства реального мира и сам реальный мир есть проявление геометрии пространства. Вакуум де Ситтера представлен совокупностью частиц с целочисленным спином, находящихся в низшем энергетическом состоянии. Вакуум квантовой теории поля содержит в виртуальном состоянии всевозможные частицы. Вакуум Тэрнера-Вилчека представлен двумя проявлениями – “истинным” вакуумом и “ложным” вакуумом. То, что в физике считается самым низким энергетическим состоянием, есть “ложный” вакуум, а остинно нулевое состояние находится ниже по энергетической лестнице. При этом “ложный” вакуум может переходить в состояние “истинного” вакуума.

Существующие модели физического вакуума весьма противоречивы. Причина состоит в том, что в сравнении со всеми другими видами физической реальности физический вакуум имеет ряд парадоксальных свойств, что ставит его в ряд объектов, трудно поддающихся моделированию. Например, в модели де Ситтера физический вакуум обладает свойством, совершенно не присущим любому состоянию вещества. Уравнение состояния такого вакуума, связывающее давление Р и плотность энергии W, имеет необычный вид: . Причины появления такого экзотического уравнения состояния связаны с представлением вакуума многокомпонентной средой, в которой для компенсации сопротивления среды движущимся частицам введено понятие отрицательного давления. Обилие различных модельных представлений вакуума может указывать только на то, что до сих пор отсутствуют модели, адекватные реальному физическому вакууму.

4. Проблемы создания теории физического вакуума.

Физика стоит на пороге перехода от концептуальных представлений о физическом вакууме к теории физического вакуума. Современные концепции физического вакуума несколько отягощены геометрическим подходом. Проблема состоит в том, чтобы, оставляя физический вакуум в статусе физической сущности, не подходить к его изучению с механистических позиций. Создание непротиворечивой теории физического вакуума потребует прорывных идей, далеко выходящих за рамки традиционных подходов.

Реальность такова, что в рамках квантовой физики теория физического вакуума не состоялась. Становится все более очевидным, что “зона жизни” теории физического вакуума должна находиться за пределами квантовой физики и, скорее всего, ей предшествовать. По всей видимости, квантовая теория должна быть следствием и продолжением теории физического вакуума, коль физическому вакууму отводится роль наиболее фундаментальной физической сущности, роль основы мира. Будущая теория физического вакуума должна удовлетворять принципу соответствия. В таком случае теория физического вакуума должна естественным образом переходить в квантовую теорию.

По-прежнему остается без ответа вопрос: “какие константы относятся к физическому вакууму?” После выяснения этой проблемы и получения уравнений, описывающих вакуум непосредственно как физический объект, а не как геометрический объект, можно будет говорить о появлении теории физического вакуума, рассматривающей его как физическую сущность. Есть все основания считать, что создание теории физического вакуума позволит не только расширить знания об устройстве мира, но и прикоснуться к тайне происхождения Вселенной.

5. Несостоятельность концепции дискретного вакуума.

Идеи о том, что какие-либо дискретные частицы могут составлять основу физического вакуума, оказались не состоятельными как в теоретическом плане, так и в практическом приложении. Подобные идеи вступают в противоречие с фундаментальными принципами физики, например, принципом Паули. Если считать, что физический вакуум состоит из частиц с целочисленным спином, то опять же возникают проблемы по типу экзотического уравнения состояния, как это происходит, например, в модели де Ситтера.

Как считал П.Дирак, физический вакуум может порождать дискретное вещество. Это значит, что физический вакуум должен генетически предшествовать веществу. Чтобы понять суть физического вакуума, надо оторваться от стереотипного понимания “состоять из…”. Мы привыкли, что наша атмосфера – это газ, состоящий из молекул. Долгое время в науке господствовало понятие “эфир”. И сейчас можно встретить сторонников концепции светоносного эфира или существования в физическом вакууме газа из элементарных частиц. Если и удастся найти место “эфиру” или иным дискретным объектам в теории или в моделях, то место такого вида физической реальности всегда будет вторичным. Вновь и вновь будет возникать задача выяснения их происхождения. Такова участь всех концепций, которые отводят дискретным объектам роль первоосновы мира.

Можно сделать вывод, что концепция дискретного вакуума принципиально несостоятельна. Весь путь развития физики показал, что никакая частица не может претендовать на фундаментальность и выступать в качестве основы мироздания. Дискретность свойственна веществу. Вещество вторично, оно происходит из непрерывного вакуума, поэтому оно принципиально не может выступать в качестве фундаментальной основы мира.

Физика, на примере проблемы физического вакуума, сталкивается с той же коллизией непрерывности и дискретности, с которой столкнулась математика в теории множеств. Попытка разрешить противоречие непрерывности и дискретности в математике была предпринята Кантором (континуум-гипотеза Кантора). Эту гипотезу не удалось доказать ни ее автору, ни другим выдающимся математикам. В настояшее время причина неудач выяснена. В соответствии с выводами Коэна: Сама идея множественной или дискретной структуры континуума несостоятельна. Распространяя этот результат на континуальный вакуум можно утверждать: “идея множественной или дискретной структуры физического вакуума является несостоятельной”.

По-настоящему прорывным является подход, основанный на том, что физический вакуум реально существует в виде непрерывной среды. К нему неприменимы какие бы то ни было меры. При таком подходе к физическому вакууму находит объяснение его ненаблюдаемость. Не следует связывать ненаблюдаемость физического вакуума с несовершенством приборов и способов исследования. Физический вакуум принципиально ненаблюдаемая среда – это прямое следствие его непрерывности. Для физической сущности, обладающей свойством непрерывности, нельзя указать никаких других свойств и признаков. К такому физическому объекту неприменимы никакие меры, это антипод всему дискретному.

6. Новое понимание сущности физического вакуума.

Современные физические теории демонстрируют тенденцию перехода от частиц – трехмерных объектов, к объектам нового вида, имеющим меньшую размерность. Например, в теории суперструн размерность объектов-суперструн намного меньше размерности пространства-времени. Считается, что у физических объектов, имеющих меньшую размерность, больше оснований претендовать на фундаментальный статус.

В этом отношении прорывным можно считать подход В.Жвирблиса. Жвирблис утверждает, что физический вакуум – непрерывная материальная среда. По аналогии с “нитью Пеано”, бесконечно плотно заполняющей двумерное пространство, условно разбитое на квадраты, автор предлагает свою модель физического вакуума – “нить Жвирблиса”, бесконечно плотно заполняющую трехмерное пространство, условно разбитое на тетраэдры. По нашему мнению – это огромный прорыв в понимании сущности физического вакуума. Жвирблис в качестве модели физического вакуума рассматривает одномерный математический объект – “нить Жвирблиса”. В отличие от всех известных моделей, в его модели дискретности отведено самое минимальное место. А в пределе понимается, что при сверхплотном заполнении пространства среда становится непрерывной.

Как отмечалось выше, в связи с тем, что физический вакуум претендует на фундаментальный статус, даже на онтологический базис материи, он должен обладать наибольшей общностью и ему не должны быть присущи частные признаки, характерные для множества наблюдаемых объектов и явлений. Известно, что присвоение объекту какого-либо дополнительного признака уменьшает универсальность этого объекта. Так, например, ручка – универсальное понятие. Добавление какого-либо признака сужает круг охватываемых этим понятием объектов (ручка дверная, шариковая и т. п.). Таким образом, приходим к выводу, что на онтологический статус может претендовать та сущность, которая лишена каких-либо признаков, мер, структуры и которую принципиально нельзя моделировать, поскольку любое моделирование предусматривает использование дискретных объектов и описание при помощи признаков и мер. Физическая сущность, претендующая на фундаментальный статус не должна быть составной, поскольку составная сущность имеет вторичный статус по отношению к ее составляющим.

Таким образом, требование фундаментальности и первичности для некой сущности влечет за собой выполнение следующих основных условий:

Не быть составной.
Иметь наименьшее количество признаков, свойств и характеристик.
Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений.
Быть потенциально всем, а актуально ничем.
Не иметь никаких мер.
Не быть составной – это означает не содержать в себе ничего, кроме самой себя. Относительно наименьшего количества признаков, свойств и характеристик идеальным должно быть требование – не иметь их совсем. Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений – это означает не обладать признаками частных объектов, поскольку любая конкретизация сужает общность. Быть потенциально всем, а актуально ничем – это означает оставаться ненаблюдаемым, но в то же время сохранять статус физического объекта. Не иметь никаких мер – это означает быть нульмерным.

Эти пять условий чрезвычайно созвучны с мировоззрением философов древности, в частности, представителей школы Платона. Они считали, что мир возник из фундаментальной сущности – из изначального Хаоса. По их воззрениям Хаос породил все существующие структуры Космоса. При этом Хаосом они считали такое состояние системы, которое остается на конечном этапе по мере некоего условного устранения всех возможностей проявления ее свойств и признаков.

Перечисленным выше пяти требованиям не удовлетворяет ни один дискретный объект вещественного мира и ни один квантовый объект поля. Отсюда следует, что этим требованиям может удовлетворять только непрерывная сущность. Поэтому, физический вакуум, если его считать наиболее фундаментальным состоянием материи, должен быть непрерывным (континуальным). Кроме того, распространяя достижения математики на область физики (континуум-гипотеза Кантора), приходим к выводу о несостоятельности множественной структуры физического вакуума. Это значит, что физический вакуум недопустимо отождествлять с эфиром, с квантованным объектом или считать его состоящим из каких бы то нибыло дискретных частиц, даже если эти частицы виртуальные.

По нашему мнению, физический вакуум следует рассматривать как антипод вещества. Таким образом, мы рассматриваем вещество и физический вакуум как диалектические противоположности. Целостный мир представлен совместно веществом и физическим вакуумом. Такой подход к этим сущностям соответствует физическому принципу дополнительности Н.Бора. В таких отношениях дополнительности следует рассматривать физический вакуум и вещество.

С такого рода физическим объектом – ненаблюдаемым, в котором нельзя указать никаких мер, физика еще не сталкивалась. Предстоит преодолеть этот барьер в физике и признать существование нового вида физической реальности – физического вакуума, обладающего свойством непрерывности. Физический вакуум, наделенный свойством непрерывности, расширяет класс известных физических объектов. Несмотря на то, что физический вакуум является столь парадоксальным объектом, он все увереннее становится предметом изучения физики. В то же время, по причине его непрерывности, традиционный подход, основанный на модельных представлениях, для вакуума неприменим. Поэтому, науке предстоит найти принципиально новые методы его изучения. Выяснение природы физического вакуума позволяет по-иному взглянуть на многие физические явления в физике элементарных частиц и в астрофизике. Вся видимая Вселенная и темная материя находятся в ненаблюдаемом, непрерывном физическом вакууме. Физический вакуум генетически предшествует физическим полям и веществу, он порождает их, поэтому вся Вселенная живет по законам физического вакуума, которые науке пока еще не известны.

В цепи проблем, связанных с познанием природы физического вакуума, есть ключевое звено, относящееся к оценке энтропии физического вакуума. Мы считаем, что физический вакуум имеет наибольшую энтропию среди всех известных физических объектов и систем, поэтому для него H-теорема Больцмана неприменима. Приведенные выше пять критериев первичности и фундаментальности указывают на то, что таким требованиям может удовлетворять объект, имеющий наивысшую энтропию. Мы считаем, что фазовый переход вакуум-вещество относится к процессам самоорганизации. Точно так, как H-теорема Больцмана и теорема Гиббса стали основным инструментом в термодинамике, для теории физического вакуума необходимо искать свой инструмент на основе обобщения H-теоремы на процессы самоорганизации. Такой прорывной подход уже наметился. Принципиально новый подход, применимый для изучения физического вакуума, открывает закон уменьшения энтропии, установленный Ю.Л.Климонтовичем.

7. Закон уменьшения энтропии. S-теорема Климонтовича.

Исходя из того, что фазовый переход вакуум-вещество следует относить к процессам самоорганизации, возникает задача поиска нового инструмента для исследования физического вакуума на основе обобщения H-теоремы Больцмана на процессы самоорганизации. Поскольку физический вакуум имеет наибольшую энтропию среди всех известных физических объектов и систем, то в контексте этой задачи необходимо искать подтверждение закону уменьшения энтропии.

В термодинамике основным законом является закон возрастания энтропии. Этот закон был установлен Больцманом на примере идеального газа. Он носит название Н-теоремы Больцмана. Климонтович Ю.Л. показал, что для процессов самоорганизации действует иной закон – закон уменьшения энтропии. Аналогом Н-теоремы Больцмана для открытых систем является S-теорема Климонтовича. Суть нового закона сводится к следующему: если за начало отсчета степени хаотичности принять “равновесное состояние”, отвечающее нулевым значениям управляющих параметров, то по мере удаления от равновесного состояния, вследствие изменения управляющего параметра, значения энтропии, отнесенные к заданному значению средней энергии, уменьшаются.

Совсем недавно появилось сообщение об экспериментальном подтверждении закона уменьшения энтропии. Ученые из Австралийского национального университета экспериментально обнаружили, что на малых временах траектории частиц микроных размеров явно указывают на уменьшение энтропии. В эксперименте исследовалось поведение системы коллоидных частиц микронного размера, находящихся в воде, в оптической ловушке, созданной сфокусированным лазерным лучом. Исследователи с высокой точностью отслеживали положение частиц. При выключенном лазере частицы совершали броуновское движение, однако при включении лазера на них начинала действовать сила, направленная в область максимальной интенсивности света. Было установлено, что на коротких интервалах траектории частиц соответствуют уменьшению энтропии, тогда как на больших – секундных интервалах, таких траекторий практически не наблюдается. Это прямое наблюдение нарушения второго закона термодинамики. Этот эксперимент подтверждает установленный Климонтовичем Ю.Л. закон уменьшения энтропии для открытых систем.

Ниже приведены некоторые результаты наших экспериментальных исследований, которые, на наш взгляд, также подтверждают закон уменьшения энтропии. Нами исследовались необычные физические эффекты, обнаруженные в плазме. В плазме наблюдалось появление регулярных структур. Квазинейтральное состояние плазмы менялось на упорядоченное состояние. Образовавшиеся регулярные структуры имели фрактальные закономерности. Некоторые фотографии “отпечатков” плазменных фракталов, зафиксированные на мишенях из тугоплавких металлов, приведены ниже на рис.1. В соотношениях ширины полос в фрактальных кольцевых структурах просматривается характерная зависимость, построенная по принципу УДВОЕНИЯ периода. На универсальность удвоения периода колебаний в системах имеющих хаотическое поведение обратил внимание в своих исследованиях Фейгенбаум.

Рис.2. Плазменные фракталы.

Фрактальные проявления в структурах является всеобщим признаком для множества природных проявлений. Фракталы проявляются как на макроуровне, так и на уровне элементарных частиц. Плазма не оказалась исключением. Появление регулярных структур в плазме указывает на наличие процессов в ней, идущих с уменьшением энтропии. Результаты исследования уменьшения энтропии плазмы могут оказаться ключевыми для понимания процессов в физическом вакууме, приводящих к рождению дискретного вещества из вакуума.

Теорема Климонтовича практически снимает запрет на возможность возникновения регулярных структур в континууме. В рамках теории физического вакуума, используя S-теорему Климонтовича, появляется возможность обосновать возникновение не только регулярных структур в континууме, но и порождение дискретных частиц из непрерывного вакуума. Одним из следствий S-теоремы Климонтовича является вывод о том, что корни дискретности следует искать в непрерывности. Закон уменьшения энтропии Климонтовича дает ключ к разрешению фундаментальной коллизии непрерывности и дискретности, которая до сих пор не нашла своего решения.

Выводы.

Выяснение сущности физического вакуума является важнейшей задачей фундаментальной физики. Решение этой задачи может дать ключ к созданию новой физической теории.
Физический объект, претендующий на фундаментальный статус, должен обладать наибольшей общностью. Ему не должны быть присущи частные признаки, характерные для множества наблюдаемых объектов и явлений.
Сформулированы основные критерии первичности и фундаментальности для физических объектов.
Наибольшей общностью обладает объект, имеющий свойство непрерывности, поэтому физический вакуум, претендующий на фундаментальный статус, должен считаться непрерывной физической сущностью.
Физический вакуум, обладающий свойством непрерывности, расширяет класс известных физических объектов.
Дискретное вещество и непрерывный физический вакуум соотносятся между собой как взаимодополняющие и взаимосвязанные противоположности по типу “ИНЬ” и “ЯН”. Применительно к физике, они находятся в отношениях дополнительности, соответствующих принципу дополнительности Н.Бора.
Физический вакуум имеет наибольшую энтропию среди всех известных физических объектов и систем.
Для теории физического вакуума необходимо искать новый инструмент исследования на основе обобщения H-теоремы Больцмана на процессы самоорганизации.
Обнаруженные фракталы в плазме подтверждают закон уменьшения энтропии в процессах самоорганизации.
Новый подход к изучению физического вакуума открывает S-теорема Климонтовича. Закон уменьшения энтропии Климонтовича дает ключ к разрешению фундаментальной коллизии непрерывности и дискретности, которая до сих пор не нашла своего решения.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «СРЕДСТВА СВЯЗИ И ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ»

по Основам физике твёрдого тела

на тему: Проблема физического вакуума

Выполнил: Панков Д. Ю.

Проверила: преподаватель Калистратова Л. Ф.

Введение

Эволюция взглядов на проблему физического вакуума

Физический вакуум как исходный пункт теории строения Вселенной

Новое понимание сущности физического вакуума

Заключение

Список литературы

Введение

Понятие вакуум в истории философии и науки обычно употреблялось для обозначения пустоты, "пустого" пространства, т.е. "чистой" протяженности, абсолютно противопоставляемой телесным, вещественным образованиям. Последние рассматривались как чистые вкрапления в вакуум. Такой взгляд на природу вакуума был свойственен древнегреческой науке, основоположниками которой являлись Левкипп, Демокрит, Аристотель. Атомы и пустота - две объективные реальности, фигурировавшие в атомистике Демокрита. Пустота так же объективна, как и атомы. Только наличие пустоты делает возможным движение. Эта концепция вакуума получила развитие в работах Эпикура, Лукреция, Бруно, Галилея и др. Наиболее развернутую аргументацию в пользу вакуума дал Локк.

Концепция вакуума была наиболее полно раскрыта с естественнонаучной стороны в учении Ньютона об "абсолютном пространстве", понимаемом как пустое вместилище для материальных объектов. Но уже в 17 веке все громче раздаются голоса философов и физиков, отрицающих существование вакуума, так как неразрешимым оказался вопрос о природе взаимодействия между атомами. По Демокриту, атомы взаимодействуют друг с другом только путем непосредственного механического контакта. Но это вело к внутренней противоречивости теории, так как устойчивый характер тел мог быть объяснен только непрерывностью материи, т.е. отрицанием существования пустоты, исходного пункта теории. Попытка Галилея обойти это противоречие, рассматривая малые пустоты внутри тел как связующие силы, не могла привести к успеху в рамках узкомеханистической трактовки взаимодействия. С развитием науки, в дальнейшем эти рамки были сломаны, - был предложен тезис о том, что взаимодействие может передаваться не только механическим путем, но и электрическими, магнитными и гравитационными силами. Однако это не решило проблемы вакуума. Боролись две концепции взаимодействия: "дальнодействия" и "близкодействия". Первая основывалась на возможности бесконечно большой скорости распространения сил через пустоту. Вторая требовала наличия некоторой промежуточной, непрерывной среды. Первая признавала вакуум, вторая его отрицала. Первая метафизически противопоставляла вещество и "пустое" пространство, вносила в науку элементы мистики и иррационализма, вторая же исходила из того, что материя не может действовать там, где ее нет. Опровергая существование вакуума, Декарт писал: "...что касается пустого пространства в том смысле, в каком философы понимают это слово, то есть такого пространства, где нет никакой субстанции, то очевидно, что в мире нет пространства, которое было бы таковым, потому что протяжение пространства как внутреннего места не отличается от протяжения тела".

Отрицание вакуума в работах Декарта и Гюйгенса послужило отправной точкой для создания физической гипотезы эфира, продержавшейся в науке до начала 20-го века. Развитие в конце 19-го века теории о поле и появление в начале 20-го века теории относительности окончательно "похоронило" теорию "дальнодействия". Была разрушена и теория эфира, так как было отвергнуто существование абсолютной системы отсчета. Но крушение гипотезы существования эфира не означало возврата к прежним представлениям о наличии пустого пространства: сохранились и получили дальнейшее развитие представления о физических полях. Проблема, поставленная еще в античные времена, решена практически современной наукой. Вакуумной пустоты не существует. Наличие "чистой" протяженности, "пустого" пространства противоречит основным положениям естествознания. Пространство не есть особая сущность, обладающая бытием наряду с материей. Как материя не может быть лишена своих пространственных свойств, так и пространство не может быть "пустым", оторванным от материи. Этот вывод находит свое подтверждение и в квантовой теории поля. Открытие У.Лэмбом сдвига уровней атомных электронов и дальнейшие работы в этом направлении привели к пониманию природы вакуума как особого состояния поля. Это состояние характеризуется наименьшей энергией поля, наличием нулевых колебаний поля. Нулевые колебания поля проявляются в виде экспериментально обнаруженных эффектов. Следовательно, вакуум в квантовой электродинамике обладает рядом физических свойств и не может рассматриваться как метафизическая пустота. Более того, свойства вакуума определяют свойства окружающей нас материи, а сам по себе физический вакуум является исходной абстракцией для физики.

Эволюция взглядов на проблему физического вакуума

С древнейших времен, со времени появления физики и философии как научной дисциплины умы ученых беспокоила одна и та же проблема - что есть вакуум. И, несмотря на то, что к настоящему моменту многие загадки строения Вселенной решены, до сих пор остается нерешенной загадка вакуума - что он из себя представляет. В переводе с латыни вакуум - пустота, но стоит ли называть пустотой то, что таковой не является?

Греческая наука первой ввела четыре первоэлемента, образующих мир - вода, земля, огонь и воздух. Каждая вещь на свете для них была сложена из частиц одной или сразу нескольких этих стихий. Дальше перед философами возник вопрос: может ли существовать место, где нет ничего - ни земли, ни воды, ни воздуха, ни огня? Существует ли подлинная пустота?

Левкипп и Демокрит, жившие в 5 в. до н. э. пришли к выводу: все в мире состоит из атомов и разделяющей их пустоты. Пустота по мнению Демокрита позволяла двигаться, развиваться и совершать любые изменения, поскольку атомы неделимы. Таким образом, Демокрит первым отвел вакууму ту роль, которую он играет в современной науке. Он же поставил проблему сущего и небытия. Признавая сущее (атомы) и небытие (вакуум), он говорил, что и то, и другое является материей и причиной существования вещей на равных правах. Пустота, по мнению Демокрита также являлась материей, причем разница в весе вещей определялась разным количеством пустоты, содержащейся в них.

Аристотель, считал, что пустоту можно представить, но она не существует. В противном случае считал он, становится возможной бесконечная скорость, а ее в принципе существовать не может. Следовательно, пустоты не существует. Кроме того, в пустоте не было бы никаких различий: ни верха, ни низа, ни правого, ни левого - все в ней находилось бы в полном покое. В пустоте все направления окажутся равноправными, она никак не влияет на помещенное в нее тело. Таким образом, движение тела в ней не определяется ничем, а этого быть не может. Далее понятие вакуума было заменено понятием эфира. Эфиром является некая божественная субстанция - нематериальная, неделимая, вечная, свободная от присущих элементам природы противоположностей и поэтому качественно неизменная. Эфир - всеобъемлющий и поддерживающий элемент мироздания.

Как видно, древняя научная мысль отличалась определенным примитивизмом, однако она обладала и некоторыми преимуществами. В частности, ученые древности не были скованы рамками экспериментов и расчетов, поэтому они стремились к пониманию мира в большей степени, чем к его преобразованию. Но во взглядах Аристотеля уже появляются первые попытки понять строение материи, которая нас окружает. Он определяет некоторые ее свойства, исходя из качественных предположений.

Теоретическая борьба с пустотой продолжалась и в средние века. "...Я утвердился во мнении, - подвел итог своим опытам Блэз Паскаль, - которое всегда разделял, а именно, что пустота не есть что-либо невозможное, что природа вовсе не избегает пустоты с такой боязнью, как это многим кажется". Опровергнув опыты Торричелли с получением пустоты "искусственно", он определил место пустоты в механике. Появление барометра, а затем и воздушного насоса является практическим результатом этого. Первым же, кто определил место пустоты в классической механике, был Ньютон. По Ньютону, небесные тела погружены в абсолютную пустоту. И она всюду одинакова, в ней отсутствуют различия. Фактически Ньютон для обоснования своей механики привлек то, что Аристотелю не позволяло признать возможность пустоты. Таким образом, существование пустоты было уже доказано экспериментально, и даже положено в основу самой влиятельной в то время физико-философской системы. Но, несмотря на это, борьба с этой идеей разгорелась с новой силой. И одним из тех, кто решительно не был согласен с идеей существования пустоты, был Рене Декарт.

Предсказав открытие пустоты, он заявил, что это не настоящая пустота: " Мы считаем сосуд пустым, когда в нем нет воды, но на самом деле в таком сосуде остается воздух. Если из "пустого" сосуда убрать и воздух, в нем опять что-то должно остаться, но это "что-то" мы просто не почувствуем...". Декарт пытался оттолкнуться от понятия пустоты, введенного ранее, дал ей имя эфир, которое использовалось еще древнегреческими философами. Он понимал, что называть вакуум пустотой неправильно, ибо он не является пустотой, в прямом смысле этого слова. Пустоты абсолютной, по Декарту, не может быть, поскольку протяженность есть атрибут, непременный признак и даже сущность материи; а раз так, то всюду где есть протяженность - то есть само пространство - должна существовать и материя. Именно поэтому он упорно отталкивался от понятия пустоты.

Материя бывает, как утверждал Декарт, трех родов, состоит из трех видов частиц: земли, воздуха и огня. Частицы эти "разной тонкости" и двигаются по-разному. Поскольку абсолютная пустота невозможна, то всякое движение любых частиц приводит на их место другие, и вся материя находится в непрерывном движении. Из этого Декарт делает вывод, что все физические тела - результат вихревых движений в несжимаемом и нерасширяющемся эфире. Эта гипотеза, красивая и эффектная, оказала огромное влияние на развитие науки. Идея представить тела (и частицы), как некие вихри, сгущения в более тонкой материальной среде оказалась очень жизнеспособной. А то, что элементарные частицы следует рассматривать как возбуждения вакуума, - признанная научная истина. Но, тем не менее, такая модификация эфира, ушла с физической сцены, ибо была слишком "философской", и пыталась объяснить сразу все в мире, наметив строение мироздания.

Отношение к эфиру Ньютона заслуживает отдельного упоминания. Ньютон то утверждал, что эфир не существует, то наоборот боролся за признание этого понятия. Эфир был незримой сущностью, одной из тех сущностей, против которых категорически и весьма последовательно возражал великий английский физик. Он исследовал не виды сил и их свойства, а их величины и математические соотношения между ними. Его всегда интересовало то, что можно определить при опыте и измерить числом. Знаменитое "Гипотез не измышляю!" означало решительный отказ от домыслов, не подтвержденных объективными опытами. И в отношении к эфиру Ньютон не проявлял такой последовательности. Происходило это вот почему. Ньютон не только верил в бога, - вездесущего и всемогущего, но и не мог представить его себе иначе, чем в виде особой субстанции, пронизывающей все пространство и регулирующей все силы взаимодействия между телами, а тем самым - все движения тел, все, что происходит в мире. То есть бог - эфир. С точки зрения церкви - это ересь, а с точки зрения принципиальной позиции Ньютона - домысел. Поэтому Ньютон не смеет писать об этом убеждении, а только изредка высказывает его в беседах. Но авторитет Ньютона прибавил значимости понятию эфира. Современники и потомки обратили больше внимания на высказывания физика, которые утверждали о существовании эфира, чем на те, что отрицали его существование.

Под понятием "эфир" в ту пору подводилось все, что, как мы знаем теперь, вызывается гравитационными и электромагнитными силами. Но поскольку другие фундаментальные силы мира до возникновения атомной физики практически не изучались, то с помощью эфира брались объяснить любое явление и любой процесс. Слишком многое возлагалось на эту загадочную материю, что даже реальное вещество не в состоянии было оправдать такие надежды и не разочаровать исследователей.

Надо заметить и еще об одной роли эфира в физике. Эфир пытались использовать, чтобы объяснить идеи мирового единства, для связи между частями Вселенной. Эфир в течение столетий служил для многих физиков средством в борьбе против возможности дальнодействия - против той идеи, что сила может передаваться от одного тела к другому через пустоту. Еще Галилей твердо знал, что энергия от одного тела к другому переходит при непосредственном их соприкосновении. На этом принципе основаны законы механики Ньютона. Между тем сила тяготения, оказывалось, действует вроде бы через пустое космическое пространство. Значит, оно не должно быть пустым, значит, его сплошь заполняют некие частицы, передающие силы от одних небесных тел к другим или даже сами своими движениями обеспечивающие действие закона всемирного тяготения.

В 19-м веке идея эфира стала на время теоретической основой для активно развивающейся области электромагнетизма. Электричество стали рассматривать, как некую жидкость, которую можно было отождествить лишь с эфиром. При этом всячески подчеркивалось, что электрическая жидкость - одна-единственная. Уже в ту пору крупнейшие физики не могли примириться с возвращением к множеству невесомых жидкостей, хотя в науке вопрос о том, что эфиров несколько, поднимался не раз. К концу 19-го века эфир, можно сказать, стал общепризнан, - о том, что он есть, не спорили. Другой вопрос, что никто не знал, что он себя представляет. Джеймс Клерк Максвелл с помощью механической модели эфира объяснял электромагнитные воздействия. Магнитное поле согласно построениям Максвелла возникает потому, что его создают крошечные эфирные вихри, нечто вроде тоненьких вращающихся цилиндров. Чтобы цилиндры не соприкасались между собой и не мешали друг другу вертеться, между ними были помещены мельчайшие шарики (наподобие смазки). И цилиндры, и шарики были эфирные, но шарики при этом играли роль частиц электричества. Модель была сложной, но демонстрировала и объясняла привычным механическим языком множество характерных электромагнитных явлений. Считается, что Максвелл вывел свои знаменитые уравнения, опираясь на гипотезу об эфире. В дальнейшем, обнаружив, что свет - разновидность электромагнитных волн, Максвелл отождествил "светоносный" и "электрический" эфир, которые одно время существовали параллельно. Пока эфир был теоретическим построением, он мог выдержать любые натиски скептиков. Но, когда его наделили конкретными свойствами, ситуация изменилась; эфир должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения; эфир оказывался средой, по которой идут световые волны; эфир являлся источником проявления электромагнитных сил. Для этого он должен был обладать слишком противоречивыми свойствами. Однако физика конца 19-го века обладала неоспоримым преимуществом, ее утверждения могли быть проверены расчетами и экспериментом. Чтобы объяснить, как такие взаимоисключающие факты уживались в природе одной материи, теорию эфира приходилось все время дополнять, и эти дополнения выглядели все более искусственными.

Закат гипотезы существования эфира начался с определения его скорости. В ходе опытов Майкельсона в 1881 году, было выяснено, что скорость эфира равна нулю относительно лабораторной системы отсчета. Однако результаты его опытов многие физики того времени не принимали в расчет. Слишком удобна была гипотеза существования эфира, а другого заменителя для нее не существовало. И большинство физиков того времени не приняло в расчет опыты Майкельсона по определению скорости эфира, хотя восхищалось точностью измерений скорости света в различных средах. Тем не менее, два ученых - Дж. Ф. Фитцджеральд и Г. Лоренц, поняв серьезность эксперимента для гипотезы существования эфира, решили ее "спасти". Они предположили, что предметы, двигающиеся против течения эфира, изменяют свои размеры, сокращаются по мере приближения их к скорости света. Гипотеза была блестящей, формулы - точными, однако цели она не достигла, а предположение, выдвинутое двумя учеными независимо, получило признание лишь после поражения гипотезы существования эфира в битве с теорией относительности.

Мировое пространство в теории относительности само по себе служит материальной средой, взаимодействующей с тяготеющими телами, оно само приняло на себя некоторые функции прежнего эфира. Надобность же в эфире как среде, дающей абсолютную систему отсчета, отпала, поскольку получалось, что все системы отсчета относительны.

После того, как Максвеллово понятие поля было распространено и на гравитацию, исчезла сама потребность в эфире Френеля, Лесажа и Кельвина для того, чтобы сделать невозможным дальнодействие: гравитационное поле и прочие физические поля приняли на себя обязанность передачи действия. С появлением теории относительности поле стало первичной физической реальностью, а не следствием какой-то другой реальности.

Само свойство упругости, столь важное для эфира, оказалось у всех материальных тел связанно с электромагнитным взаимодействием частиц. Говоря иначе, не упругость эфира давала основу электромагнетизму, а электромагнетизм служил основой упругости вообще.

Таким образом, эфир придумали, потому что он был нужен. Некая вездесущая материальная среда, как полагал Эйнштейн, все же должна существовать и обладать некими определенными свойствами. Но континуум, наделенный физическими свойствами - это не совсем прежний эфир. У Эйнштейна физическими свойствами наделяется само пространство.

Для общей теории относительности этого достаточно, никакая особая материальная среда сверх того в этом пространстве ей не требуется. Однако уже само пространство с новыми для науки физическими свойствами можно было бы, следуя Эйнштейну, назвать эфиром.

В современной же физике наравне с теорией относительности используется и квантовая теория поля. Она же, со своей стороны, приходит к наделению вакуума физическими свойствами. Именно вакуума, а не мифического эфира.

Академик А.Б. Мигдал пишет по этому поводу: "По существу физики вернулись к понятию эфир, но уже без противоречий. Старое понятии не было взято из архива - оно возникло заново в процессе развития науки".

физический вакуум вселенная эфир

Физический вакуум как исходный пункт теории строения Вселенной

Поиск единства естественнонаучного знания предполагает проблему определения исходного пункта теории. Данная проблема является особенно важной для современной физики, где используется единый подход для построения теории взаимодействий.

Новейшее развитие физики элементарных частиц привело к возникновению и становлению ряда новых концепций. Важнейшими из них являются следующие, тесно связанные концепции:

Идея геометрической интерпретации взаимодействий и квантов физических полей;

Представление об особых состояниях физического вакуума - поляризованных вакуумных конденсатов.

Геометрическая интерпретация частиц и взаимодействий реализована в так называемых калибровочных и суперкалибровочных теориях. В 1972 г. Ф. Клейном была выдвинута "Эрлангенская программа", в которой выражалась идея систематического применения групп симметрий к изучению геометрических объектов. С открытием теории относительности теоретико-групповой подход проникает и в физику. Известно, что в общей теории относительности гравитационное поле рассматривается как проявление искривления четырехмерного пространства-времени, изменения его геометрии вследствие действия всевозможных видов материи. Благодаря работам Г. Вейля, В. Фока, Ф. Лондона впоследствии удалось описать электромагнетизм в терминах калибровочной инвариантности с абелевой группой. В дальнейшем были созданы и неабелевы калибровочные поля, описывающие преобразования симметрии, связанной с вращением в изотопическом пространстве. Далее в 1979 году была создана единая теория электромагнитных и слабых взаимодействий. А сейчас активно разрабатываются теории Великого объединения, объединяющие сильное и слабое электрическое взаимодействие, а также теории Суперобъединения, включающей единую систему сильного и электрослабого, а также гравитационного поля.

В теории Суперобъединения делается попытка впервые органично соединить понятия "вещества" и "поля". До появления так называемых суперсимметричных теорий бозоны (кванты полей) и фермионы (частицы вещества) рассматривались как частицы, имеющие различную природу. В калибровочных теориях это различие до сих пор снять не удалось. Калибровочный принцип дает возможность свести действие поля к расслоению пространства, к проявлению его сложной топологии, а все взаимодействия и физические процессы представить как движение по псевдогеодезическим траекториям расслоенного пространства. Это попытка геометризации физики. Бозонные поля являются калибровочными полями, непосредственно и однозначно связанными с определенной группой симметрии теории, а фермионные поля вводятся в теорию достаточно произвольно. В теории Суперобъединения преобразования суперсимметрии способны переводить бозонные состояния в фермионные и наоборот, а сами бозоны и фермионы объединяются в единые мультиплеты. Характерно, что подобная попытка в суперсимметричных теориях приводит к сведению внутренних симметрий к внешним, пространственным симметриям. Дело в том, что преобразования, связывающие бозон с фермионом, примененные повторно, сдвигают частицу в другую точку пространства-времени, т.е. из суперпреобразований получаются преобразования Пуанкаре. С другой стороны локальная симметрия относительно преобразования Пуанкаре приводит к общей теории относительности. Таким образом, обеспечивается связь между локальной суперсимметрией и квантовой теорией гравитации, которые рассматриваются как теории, имеющие общее содержание.

В программе Калуци-Клейна использована идея о возможности существования пространства-времени с измерениями, большими четырех. В этих моделях в микромасштабе пространство имеет большую размерность, чем в макромасштабе, поскольку дополнительные размерности оказываются периодическими координатами, период которых исчезающе мал. Расширенное пятимерное пространство-время может рассматриваться как общее ковариантное четырехмерное многообразие с локальной инвариантностью в этом же пространстве-времени. Идея - это геометризация внутренних симметрий. Пятое измерение в этой теории компактифицируется и проявляется в виде электромагнитного поля со своей симметрией, и поэтому оно уже не проявляется как пространственное измерение. Сама по себе последовательная геометризация всех внутренних симметрий была бы невозможна по следующей причине: из метрики могут быть получены только бозонные поля, в то время как окружающее нас вещество состоит из фермионов. Но, как отмечалось выше, в теории Суперобъединения ферми- и бозе-частицы рассматриваются как равноправные, объединенные в единые мультиплеты. И именно в суперсимметричных теориях идея Калуци-Клейна особенно привлекательна.

В последнее время основные надежды на построение единой теории всех взаимодействий стали возлагаться на теорию суперструн. В этой теории точечные частицы заменяются суперструнами в многомерном пространстве. С помощью струн стараются охарактеризовать концентрацию поля в некоторой тонкой одномерной области - струне, что не достижимо для других теорий. Характерная особенность струны - наличие многих степеней свободы, чего нет у такого теоретического объекта, как материальная точка. Суперструна, в отличие от струны - объект, дополненный по идее Калуци-Клейна определенным числом степеней свободы, большим четырех. В настоящее время в теориях Суперобъединения рассматриваются суперструны с десятью и более степенями свободы, шесть из которых должны компактифицироваться во внутренние симметрии.

Из всего вышесказанного можно заключить, что единая теория, по всей видимости, может быть построена на фундаменте геометризации физики. Это по-новому ставит философскую проблему об отношении материи и пространства-времени, потому что на первый взгляд геометризация физики приводит к отделению понятия пространства-времени от материи. Поэтому представляется важным выявление роли физического вакуума как материального объекта в формировании геометрии известного нам физического мира.

В рамках современной физики, физический вакуум - основное, т.е. энергетически низшее, квантовое состояние поля, в котором отсутствуют свободные частицы. При этом отсутствие свободных частиц не означает отсутствия так называемых виртуальных частиц (процессы рождения которых в нем постоянно происходят) и полей (это противоречило бы принципу неопределенности). В современной физике сильных взаимодействий основным объектом теоретических и экспериментальных исследований являются вакуумные конденсаты - области уже перестроенного вакуума с ненулевой энергией. В квантовой хромодинамике это кварк-глюонные конденсаты, которые являются носителями около половины энергии адронов. В адронах состояние вакуумных конденсатов стабилизируется хромодинамическими полями валентных кварков, несущих квантовые числа адронов. Кроме того, существует еще и самополяризованный вакуумный конденсат. Он представляет собой область пространства, в котором отсутствуют кванты фундаментальных полей, но их энергия (полей) не равна нулю. Самополяризованный вакуум - пример того, как расслоенное пространство-время является носителем энергии. Область пространства-времени с самополяризованным вакуумным глюонным конденсатом в эксперименте должна проявляться как мезон с нулевыми квантовыми числами (глюоний). Такая интерпретация мезонов для физики имеет принципиальное значение, так как в этом случае мы имеем дело с частицей чисто "геометрического" происхождения. Глюоний может распадаться на другие частицы - кварки и лептоны, т.е. мы имеем дело с процессом взаимопревращения вакуумных конденсатов в кванты поля или, иначе говоря, с перекачкой энергии из вакуумного конденсата в вещество.

Из этого обзора видно, что современные достижения и идеи физики могут привести к неверной философской трактовке соотношения материи и пространства-времени. Мнение, что геометризация физики сводится к геометрии пространства-времени, является ошибочным. В теории Суперобъединения делается попытка всю материю представить в виде конкретного объекта - единого самодействующего суперполя. Сами по себе геометризованные теории в естествознании являются лишь формами описания реальных процессов. Для того чтобы из формальной геометризованной теории суперполя получить теорию реальных процессов, его необходимо проквантовать. Процедура квантования предполагает необходимость макрообстановки. Роль такой макрообстановки берет на себя пространство-время с классической неквантовой геометрией. Чтобы получить его пространство-время, надо вычленить макроскопическую составляющую суперполя, т.е. составляющую, которую с большой точностью можно было бы считать классической. Но разделение суперполя на классическую и квантовую составляющие является операцией приближенной и имеет смысл не всегда. Таким образом, существует граница, за которой стандартные определения пространства-времени и материи теряют смысл. Пространство-время и материя за ней сводятся в общую категорию суперполя, не имеющей операционного определения (пока). Пока нам неизвестно, по каким законам эволюционирует суперполе, потому что у нас нет классических объектов типа пространства-времени, с помощью которых мы могли бы описать проявления суперполя, а другим аппаратом мы пока не обладаем. По всей видимости, многомерное суперполе есть элемент еще более общей целостности, и является результатом компактификации бесконечномерного многообразия. Суперполе, таким образом, может быть лишь элементом другой целостности. Дальнейшая эволюция суперполя как целого приводит к возникновению различных видов материи, различных форм ее движения, существующих в четырехмерном пространстве-времени.

Вопрос о вакууме встает в рамках вычлененного целого - суперполя. Исходный вид нашей Вселенной, как считают физики, вакуумный. И при описании истории эволюции нашей Вселенной рассматривается конкретный физический вакуум. Способ существования этого конкретного физического вакуума есть конкретное четырехмерное пространство-время, организующее его. В таком смысле вакуум может быть выражен через категорию содержания, а пространство-время - через категорию формы как внутренней организации вакуума. В этом контексте рассмотрение по отдельности исходного вида материи - вакуума и пространства-времени нашей Вселенной является ошибкой, так как является отрывом формы от содержания. Таким образом, мы подходим к вопросу об исходной абстракции в построении теории физического мира. Ниже приведены основные признаки, которые предъявляются к исходной абстракции. Исходная абстракция должна:

Быть элементом, элементарной структурой объекта;

Быть всеобщей;

Выражать сущность предмета в неразвитом виде;

Быть предельной и непосредственной абстракцией;

Выражать специфику исследуемого предмета;

Совпадать с тем, что было исторически первым в реальном развитии предмета.

Современные знания о физическом вакууме позволяют сделать вывод о том, что он удовлетворяет всем вышеперечисленным признакам исходной абстракции. Физический вакуум является элементом, частицей любого физического процесса. Причем эта частица несет в себе все элементы всеобщего, пронизывает все стороны исследуемого предмета. В любой физический процесс вакуум входит как часть, причем как конретно-всеобщая часть целостности. В этом смысле он является и частицей и всеобщей характеристикой процесса (удовлетворяет первым двум пунктам определения).

Абстракция должна выражать сущность предмета в неразвитом виде. Физический вакуум принимает непосредственно участие в формировании и качественных, и количественных свойств физических объектов. Такие свойства, как спин, заряд, масса, проявляются именно во взаимодействии с определенным вакуумным конденсатом вследствие перестройки физического вакуума в результате спонтанного нарушения симметрии в точках релятивистских фазовых переходов.

Говорить о заряде или массе какой-либо элементарной частицы вне связи ее с вполне определенным состоянием физического вакуума не представляется возможным. Следовательно, физический вакуум содержит в себе в неразвитом виде противоречия предмета, а значит и по четвертому пункту отвечает требованиям исходной абстракции.

Согласно пятому пункту, физический вакуум, как абстракция, должен выражать специфику явлений. Но согласно вышесказанному, специфика того, или иного физического явления оказывается обусловленной определенным состоянием вакуумного конденсата, входящего как часть в данную конкретную физическую целостность. В современной космологии и астрофизике также сформировалось мнение, что специфика макросвойств Вселенной определяется свойствами физического вакуума. Глобальной гипотезой в космологии является рассмотрение эволюции Вселенной из вакуумного состояния единого суперполя. Это идея квантового рождения Вселенной из физического вакуума. Вакуум здесь является "резервуаром" и излучения, и вещества, и частиц.

В теориях касающихся эволюции Вселенной, содержится одна общая черта - стадии экспоненциального раздувания Вселенной, когда весь мир был представлен только таким объектом, как физический вакуум, находящийся в нестабильном состоянии. Инфляционные теории предсказывают наличие основной структуры Вселенной, что является следствием различных типов нарушения симметрий в разных мини-Вселенных. В разных мини-Вселенных могла осуществляться компактификация исходного единого Н-мерного пространства Калуци-Клейна различными способами.

Однако условия, необходимые для существования жизни нашего типа, могут осуществляться лишь в четырехмерном пространстве-времени. Таким образом, теория предсказывает множество локальных однородных и изотропных Вселенных с различными размерностями пространства и с различными состояниями вакуума, что еще раз указывает на то, что пространство-время есть лишь способ существования вполне определенного вакуума.

Исходная абстракция должна быть предельной и непосредственной, т. е. не опосредоваться другим. Исходная абстракция сама есть отношение. В связи с эти следует заметить, что имеет место "оборачивание" физического вакуума: в своем самодвижении, порождая моменты самого себя, физический вакуум сам же оборачивается частью этого момента.

Всевозможные вакуумные конденсаты играют роль макроусловий, по отношению к которым проявляются свойства микрообъектов. Следствием оборачивания вакуума при его самодвижении является физическая неразложимость мира, выражаемая в том, что в основании каждой определенности, каждого физического состояния лежит конкретный вакуумный конденсат.

Последним признаком, предъявляемым к исходной абстракции является требование совпадения ее в общем и целом (в онтологическом аспекте) с тем, что было исторически первым в реальном развитие предмета. Иными словами, онтологический аспект сводится к вопросу о вакуумной стадии космологического расширения Вселенной в окрестностях Большого взрыва. Существующая теория предполагает существование такой стадии.

В то же время имеется и экспериментальный аспект вопроса, ибо именно на вакуумной стадии происходит целый ряд физических процессов, итогом которых является формирование макросвойств Вселенной в целом. Следствия этих процессов можно наблюдать экспериментально. Можно сказать, что онтологический аспект проблемы находится в стадии конкретного теоретического и экспериментального исследования.

Новое понимание сущности физического вакуума

Современные физические теории демонстрируют тенденцию перехода от частиц - трехмерных объектов, к объектам нового вида, имеющим меньшую размерность. Например, в теории суперструн размерность объектов-суперструн намного меньше размерности пространства-времени. Считается, что у физических объектов, имеющих меньшую размерность, больше оснований претендовать на фундаментальный статус.

В связи с тем, что физический вакуум претендует на фундаментальный статус, даже на онтологический базис материи, он должен обладать наибольшей общностью и ему не должны быть присущи частные признаки, характерные для множества наблюдаемых объектов и явлений.

Известно, что присвоение объекту какого-либо дополнительного признака уменьшает универсальность этого объекта. Таким образом, приходим к выводу, что на онтологический статус может претендовать та сущность, которая лишена каких-либо признаков, мер, структуры и которую принципиально нельзя моделировать, поскольку любое моделирование предусматривает использование дискретных объектов и описание при помощи признаков и мер.

Физическая сущность, претендующая на фундаментальный статус не должна быть составной, поскольку составная сущность имеет вторичный статус по отношению к ее составляющим.

Таким образом, требование фундаментальности и первичности для некой сущности влечет за собой выполнение следующих основных условий:

Не быть составной.

Иметь наименьшее количество признаков, свойств и характеристик.

Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений.

Быть потенциально всем, а актуально ничем.

Не иметь никаких мер.

Не быть составной - это означает не содержать в себе ничего, кроме самой себя. Относительно наименьшего количества признаков, свойств и характеристик идеальным должно быть требование - не иметь их совсем. Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений - это означает не обладать признаками частных объектов, поскольку любая конкретизация сужает общность. Быть потенциально всем, а актуально ничем - это означает оставаться ненаблюдаемым, но в то же время сохранять статус физического объекта. Не иметь никаких мер - это означает быть нульмерным.

Эти пять условий чрезвычайно созвучны с мировоззрением философов древности, в частности, представителей школы Платона. Они считали, что мир возник из фундаментальной сущности - из изначального Хаоса. По их воззрениям Хаос породил все существующие структуры Космоса. При этом Хаосом они считали такое состояние системы, которое остается на конечном этапе по мере некоего условного устранения всех возможностей проявления ее свойств и признаков.

Перечисленным выше пяти требованиям не удовлетворяет ни один дискретный объект вещественного мира и ни один квантовый объект поля. Отсюда следует, что этим требованиям может удовлетворять только непрерывная сущность. Поэтому, физический вакуум, если его считать наиболее фундаментальным состоянием материи, должен быть непрерывным (континуальным). Кроме того, распространяя достижения математики на область физики (континуум-гипотеза Кантора), приходим к выводу о несостоятельности множественной структуры физического вакуума. Это значит, что физический вакуум недопустимо отождествлять с эфиром, с квантованным объектом или считать его состоящим из каких бы то ни было дискретных частиц, даже если эти частицы виртуальные.

В предлагается рассматривать физический вакуум как антипод вещества. Таким образом, вещество и физический вакуум расцениваются как диалектические противоположности. Целостный мир представлен совместно веществом и физическим вакуумом. Такой подход к этим сущностям соответствует физическому принципу дополнительности Н.Бора. В таких отношениях дополнительности следует рассматривать физический вакуум и вещество.

С такого рода физическим объектом - ненаблюдаемым, в котором нельзя указать никаких мер, физика еще не сталкивалась. Предстоит преодолеть этот барьер в физике и признать существование нового вида физической реальности - физического вакуума, обладающего свойством непрерывности. Физический вакуум, наделенный свойством непрерывности, расширяет класс известных физических объектов. Несмотря на то, что физический вакуум является столь парадоксальным объектом, он все увереннее становится предметом изучения физики. В то же время, по причине его непрерывности, традиционный подход, основанный на модельных представлениях, для вакуума неприменим. Поэтому науке предстоит найти принципиально новые методы его изучения. Выяснение природы физического вакуума позволяет по-иному взглянуть на многие физические явления в физике элементарных частиц и в астрофизике. Вся видимая Вселенная и темная материя находятся в ненаблюдаемом, непрерывном физическом вакууме. Физический вакуум генетически предшествует физическим полям и веществу, он порождает их, поэтому вся Вселенная живет по законам физического вакуума, которые науке пока еще не известны.

Заключение

Современный этап развития физики достиг уже того уровня, когда можно рассматривать теоретический образ физического вакуума в структуре физического знания. Именно физический вакуум наиболее полно удовлетворяет современным представлениям об исходной физической абстракции и, по мнению многих ученых, имеет полное право претендовать на фундаментальный статус. Этот вопрос сейчас активно изучается, и теоретические выводы вполне соответствуют экспериментальным данным, полученным на данный момент в мировых лабораториях.

Решение вопроса об исходной абстракции - физическом вакууме крайне важно, так как дает возможность определить отправную точку развития всего физического знания. Это позволяет реализовать метод восхождения от абстрактного к конкретному, что позволит в дальнейшем раскрыть и другие тайны мироздания.

Список литературы

1. Р.Подольный. Нечто по имени ничто. М. 1983.

2. Н.В.Косинов. Физический вакуум и гравитация". Физический вакуум и природа. N4, 2000

3. Н.В.Косинов. На пути к вакуумной картине мира. Непоседа. N4(49), 1997.

4. Ю.А.Бауров, О структуре физического пространства и новом виде взаимодействия в природе, Сознание и физическая реальность, Том 1, N 4, 1996, с.28-36

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Загадка природы физического вакуума. Философские проблемы вакуума. Физические феномены. Новое понимание сущности физического вакуума. Макроскопические флуктуации в процессах различной природы. Электроводородный генератор Студенникова.

статья , добавлен 25.12.2003


Исследование основных критериев первичности и фундаментальности для физических объектов. Изучение закона уменьшения энтропии в процессах самоорганизации. Анализ проблем создания теории физического вакуума, несостоятельности концепции дискретного вакуума.

реферат , добавлен 19.05.2012


Понятие вакуума как пространства, лишенного вещества. История изучения вакуума. Технический вакуум, мера степени его разрежения. Понятие физического вакуума в квантовой физике. Ложный вакуум и космическое пространство. Измерение степени вакуума.

реферат , добавлен 16.02.2015


Взгляды ученых на проблему эфира. Возникновение представления об эфирной среде как о мировой среде задолго до Декарта в древнем Китае. Разработка теории физического вакуума. Предположения ученых о том, что физический вакуум способен рождать частицы.

реферат , добавлен 05.12.2008


Способ создания дополнительной подъёмной силы. Проявление свойств физического вакуума в процессах, происходящих в космосе. Исследование явления кавитации. Принцип действия элементарного гравитационного генератора. Рождение света из вакуума в макромире.

статья , добавлен 09.05.2014


Анализ развития идей атомизма в истории науки. Роль элементарных частиц и физического вакуума в строении атома. Суть современной теории атомизма. Анализ квантовой модели атома. Введение понятия "молекула" Пьером Гассенди. Открытие эффекта Комптона.

контрольная работа , добавлен 15.01.2013


Концепция единого поля силового пространственного взаимодействия материальных тел. Перенесение в пространстве вакуумной среды энергии ее возбуждения. Законы Кулона в электромагнетизме и тяготения Мичелла-Кавендиша. Модификационная постоянная Планка.

статья , добавлен 09.04.2012


Состав, принципы работы и назначение растрового электронного микроскопа РЭМН – 2 У4.1. Особенности восстановления рабочего вакуума в колонне растрового микроскопа. Функционирование диффузионного и форвакуумного насосов, датчиков для измерения вакуума.

дипломная работа , добавлен 05.11.2009


Особенности протекания экзотермических и экзоэргических процессов. Понятие материи как сущности мира и того общего, что входит в состав всех объектов природы. Исследование двойственной корпускулярно-волновой сущности микрочастиц. Теория "кипения" вакуума.

контрольная работа , добавлен 08.09.2009


Регуляризация квантового поля Паули–Вилларса. Закон тяготения в искривленном пространстве-времени. Уравнение состояния космического вакуума. Эволюция Вселенной в эпоху после рекомбинации. Космологические термины; уравнения Эйнштейна для Вселенной.