Физическая картина мира в аспекте классической, неклассической и постнеклассической рациональности

4. Концепция вакуума в картине мира современной физики

4.1 Становление парадигмы физического вакуума в структуре cовременной физической картины мира

Природой вакуума ученые интересовались с древнейших времен, и представления о нем менялись исторически. В античности, согласно Демокриту и Эпикуру, движение было невозможно без абсолютной пустоты. Они утверждали, что пустое пространство и материя - два единственных начала мироздания. См.: Михайлова Э.Н., Чанышев А.Н. Ионийская философия, - М.: Изд-во МГУ, 1966. - С. 181. Пустое пространство имеет определенное место, если оно окружено материей. Но и материя имеет определенное место, если она ограничена пустотой. Миры возникают из атомов, несущихся в «великой пустоте». Проблема пустоты в XVI - XVIII вв. переросла в проблему непрерывности в строении материи. Идеи непрерывности в строении материи широко пропагандировал французский ученый Рене Декарт См.: Декарт Р. Избранные произведения. - М.: Госкомиздат, 1950. - С. 712.. Он отрицал существование пустого пространства, для него основной атрибут материи - протяженность и пространство - не что иное как само физическое тело, рассматриваемое с точки зрения его протяженности. Поскольку протяженные тела непрерывно заполняют пространство, то нигде не остается пустых промежутков. Картезианская физика считает, что все мировое пространство непрерывно заполнено особым веществом - эфиром, находящимся в состоянии постоянного вихреобразного движения.

Проблема пустоты к XIX веку переросла в проблему светоносного эфира. Постановка проблемы эфира была инициирована экспериментальным обнаружением электромагнитных волн, и этот факт требовал теоретической интерпретации. Сама гипотеза об эфире стояла на двух «китах»: один из них - остатки механистического мировоззрения, второй - интуитивное неприятие материалистами идеи первоначальной пустоты.

В результате синтеза двух вышеуказанных факторов эфир стал мыслиться как непрерывная механическая среда, заполняющая все пространство; возмущения этой среды и рассматривались как электромагнитное поле. Прямым следствием механических представлений об эфире был тезис о существовании выделенной системы отсчета, относительно которой мировой эфир покоится. Эксперимент (опыт Майкельсона - Морли) не подтвердил это предположение, что и привело к крушению концепции эфира. В том виде, который приобрела эта концепция в конце 19-го века, она уже никогда не возродится, поскольку была отвергнута экспериментально. Но с отказом от абсолютной среды - эфира - физика вернулась к понятию абсолютной пустоты. Правда, после формулировки Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности абсолютно пустое многообразие, "сцена", на которой развивались физические события, уже не представляла собой трехмерное пространство + одномерное время, ее сменил новый объект - непрерывный 4-мерный континуум, единое пространство-время. Электромагнитные волны теперь рассматривались как поле, заданное на этом многообразии. В теории появилось принципиально немеханическое понятие «поле».

Отнюдь не сразу стало понятно, что представляет собой поле как физический объект. Первоначальная его интерпретация была чисто феноменологической. Утверждалось, что поле является особой, делокализованной («размазанной» в пространстве-времени) формой существования материи. Материальность поля проявляется в том, что оно способно обмениваться энергией и импульсом с другой, более привычной, локализованной формой материи - частицами, занимающими определенное место в пространстве в каждый момент времени. Сегодня мы понимаем, что подобная интерпретация поля очень упрощена и соответствует лишь самому первому этапу его изучения как физического объекта. Альберт Эйнштейн выдвинул ключевую идею, суть которой в том, что поле, заданное на пространственно-временном многообразии, в действительности является характеристикой самого пространства-времени, т. е. поле представляет собой не внешний по отношению к пространству-времени объект, а его внутреннее свойство. Иными словами, поле задает топологию и геометрию пространства-времени. Впервые эта идея была воплощена Эйнштейном в теории гравитации, где было показано, что гравитационное поле есть мера искривленности пространства-времени, а все физические (негравитационные) поля участвуют в процессе его искривления и в реакции на это искривление.

На этом этапе теоретические представления о природе гравитационного взаимодействия были сформулированы в терминах искажения геометрии пространства-времени в виде деформаций пространства-времени одними квантами материальных полей и реакций на эти деформации других квантов полей материи. Гравитационное взаимодействие присуще всем физическим полям, то есть оно универсально. Однако с электромагнитными, слабыми и сильными взаимодействиями связаны не искривления 4-мерного пространственно-временного континуума, а искажения геометрии другого типа, а именно - расслоения пространства-времени. Причем этим трем типам взаимодействий соответствуют различные типы расслоений.

На нынешнем уровне теоретических и экспериментальных знаний о микромире можно утверждать, что физический вакуум имеет сложное устройство, определяемое слоистой структурой пространства-времени. Элементы же материи, частицы, рассматриваются как возбуждение вакуума. Сами по себе вакуумные флуктуации нестабильны, однако могут быть стабилизированы при взаимодействии с кварковыми конфигурациями. Именно так образуются реальные барионы и мезоны. Все это означает, что вакуум теперь можно считать системой, порождающей материю.

В принципе, состояние наших знаний, основанное на разделении фундаментальных объектов физики на два типа - поле материи и силовые поля, переносящие взаимодействия, вызывает некое неудовлетворение. Хотелось бы иметь последовательную геометрическую интерпретацию не только силовых полей, но и полей вещества, вложенных, как это представляется сегодня, в расслоенное пространство-время. Впервые эту программу геометризации физики сформулировал А. Эйнштейн. В рамках геометрической теории должен использоваться единый подход к описанию частиц и взаимодействий, т. е. материальных и силовых показателей. Оба типа полей в такой теории рассматриваются как характеристики геометрии пространства-времени. Реализация программы полной унификации частиц и взаимодействий потребовала существенных изменений наших представлений о геометрии пространства-времени. Из самой постановки задачи следует, что в унифицированной теории геометрические пространства-времена должны описываться не только в терминах векторных полей, аналогичных электромагнитному и глюонному, но и в терминах так называемых спинорных полей, кванты которых удовлетворяют принципу Паули. Эта задача, в принципе, решена. Пространство-время, геометрия которого определяется векторными и спинорными полями, получило название суперпространства, а симметрия, объединяющая различные типы полей в единое суперполе, названа суперсимметрией.

Возникновение квантовой теории коренным образом изменило представление о вакууме. Квантовая теория поля является ядром всей современной физики, представляет собой общий подход ко всем известным типам взаимодействий. Одним из важнейших результатов ее является представление о вакууме, но уже не пустом, а насыщенном всевозможными флуктуациями всевозможных полей. Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние квантованного поля, энергия которого равна нулю только в среднем. Так что вакуум - это «нечто» по имени «ничто».

По представлениям современной науки, реальный (физический) вакуум - это не пустота или «отсутствие всякого присутствия». Отказ от представлений о вакууме как о пустоте является концептуальной парадигмой современной физики. «Но если выясняется, что господствует не эта часть Вселенной, а пока неизвестная науке субстанция невещественной природы, предстоит капитально пересмотреть сегодняшние космологические представления о нашем мире, что приведет к изменению космологической парадигмы, утвердившейся на основании открытой в первой четверти ХХ в.». Ровинский Р.Е. Загадка темной энергии // Вопросы философии. 2004. № 12. - С. 108.

В настоящее время установленным экспериментальным фактом можно считать утверждение о том, что вакуум - среда с очень сложной структурой, которая изменялась в ходе эволюции Вселенной и которую можно перестраивать путем изменений состояний материи, взаимодействующей с вакуумом, конкретно - путем концентрации энергии в малых областях пространства. Такая концентрация энергии изменяет не только ситуацию в системе частиц, но и саму структуру пространства. Это утверждение отражает тот факт, что вакуум является характеристикой самого пространства-времени.

Если частица наблюдается в течение времени t, то, согласно квантовой механике, о ее энергии можно говорить лишь с точностью , удовлетворяющей условию t > ћ. Это условие и называется соотношением неопределенностей между энергией и временем. Если время t достаточно мало, то в вакууме на короткое время могут рождаться электрон-позитронные пары. Для этого неопределенность энергии должна быть не меньше собственной энергии электрон-позитронной пары, т. е. 2 mc ². Таким образом, любой «точечный заряд» как бы окружен областью «виртуальных» электрон-позитронных пар («поляризация вакуума»). Это означает, что классическая картина «точечного заряда» на таких расстояниях уже неприменима.

Вакуум представляет собой сложный физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованных порций энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей некоторой энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами. Представление о вакууме как о непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц, как отмечалось выше, вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого времени t энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвращении «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков энергии.

Такие всплески назвали виртуальными частицами. Индивидуально они никак не проявляют себя, но как системный ансамбль вполне заметно влияют на различные свойства материи (магнитный момент электрона, спектральные характеристики атомов и др.). Квантовый вакуум отличается от «ничего» тем, что имеет универсальные постоянные, которые могут служить аналогом всеединства, которое называлось в философии Гегеля Абсолютной идеей («мир идей») и «пустотой» у буддистов. По современным представлениям «вся» Вселенная должна была помещаться в объеме V_П=10^-99 см³, можно считать, что пространство в ранней Вселенной фактически отсутствовало. См.: Гивишвили Г.В. Темная энергия и «сверхсильный» антропный процесс // Вопросы философии. 2008. № 5. - С. 78. Таким образом, этот вакуумный виртуальный «туман» - совершенно реальный феномен. Внешние воздействия меняют характер вакуумных флуктуаций, и сами могут меняться под их влиянием. Например, в лэмбовском сдвиге спектральных линий атомов, эффектах Хоукинга и Казимира. См.: Верешков Г.М., Минасян Л.А., Саченко В.П. Физический вакуум как исходная абстракция // Философские науки. 1990. № 7. - С. 20-29. В 1947 году было установлено расщепление уровней энергии атомов водорода под действием флуктуации вакуума. Это явление, известное как расщепление Лэмба - Резерфорда, вызвано рождением и аннигиляцией в вакууме виртуальных электрон-позитронных пар (поляризация вакуума).

Экспериментально факт существования этой вакуумной подсистемы был обнаружен при измерении Лэмбом и Резерфордом сдвига энергетических уровней в спектре атома водорода (обусловленного взаимодействием с нулевыми колебаниями), детально эта подсистема была исследована при измерении аномальных магнитных моментов электронов и мюонов. После этого открытия стало ясно, что физический вакуум уже не является «абсолютным ничто», пустотой, а представляет собой систему нулевых колебаний квантованных полей. Частицы движутся не в пустоте, а над неким «фоном», в котором непрестанно возникают и гаснут полевые флуктуации. При этом сами свойства частиц определяются их взаимодействием с этим фоном - физическим вакуумом. Это приводит к искажениям кулоновского потенциала ядра и эффективного воздействия ядра на электрон.

Второе явление известно как эффект Хоукинга и относится к излучению «черных дыр». См.: Шипов Г.И. Теория физического вакуума - М.: Наука, 1997. - 238 с. Под действием мощного гравитационного поля этих звезд деформируются квантовые флуктуации вакуума вокруг них и вызывают излучение с их поверхности. Таким образом, «черные дыры» постепенно испаряются за счет такого излучения. Поскольку гравитационное поле эквивалентно ускоренной системе отсчета, то аналогичное излучение будет регистрировать ускоренно движущийся наблюдатель (эффект Унру). Значит, вакуум следует понимать как поле в одном из его состояний, то есть как некоторую материальную систему. В вакуумном состоянии электромагнитное поле представляет собой море виртуальных пар частиц, рождающихся с энергией Е и живущих согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга в течение времени t.

Релятивистская квантовая теория поля, которая началась работами П. Дирака, В. Паули, В. Гейзенберга в конце двадцатых годов нашего столетия, была продолжена в трудах Р. Фейнмана, С. Томонаги, Дж. Швингера и других ученых, давая все более полное представление о физической неразложимости мира, о несведении его к отдельным элементам. Здесь принцип целостности находит свое выражение в рассмотрении взаимодействия микрообъектов с определенным состоянием физического вакуума. Именно в этом взаимодействии все элементарные частицы обнаруживают свои свойства. Вакуум рассматривается как объект физического мира, выражающий как раз момент его физической неразложимости. См.: Гриб А.А. Проблема неинвариантности вакуума в квантовой теории поля. - М.: Наука, 1978. - С. 295.

В квантовой электродинамике при изучении свойств вакуума в качестве лакмусовой бумажки обычно используют зависимость от расстояния электрического потенциала, создаваемого неподвижным зарядом. В пустом пространстве потенциал описывается хорошо известным законом Кулона. Квантовый вакуум обладает слабыми диэлектрическими свойствами и в небольшой степени изменяет этот закон. Количественно это изменение определяется постоянной тонкой структуры: = е ² / (c) 1/ 137,036. Изменение кулоновского потенциала происходит за счет того, что фотон, испущенный пробным зарядом, может превратиться в виртуальную электрон-позитронную пару, которая образует эффективный диполь, производящий эффект экранировки. Этот процесс включает два элементарных акта взаимодействия, и потому его вклад содержит малый множитель . Таким образом, исходный заряд оказывается окруженным морем виртуальных диполей, что приводит к зависимости заряда Q и создаваемого им потенциала от r.

При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей - тогда в вакууме будут наблюдаться и обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум поляризуется внешним полем, и поле может порождать из вакуума пары различных частиц, причем легче всего рождаются самые легкие, т. е. электрон-позитронные пары. Такие пары интенсивно порождаются в поле с напряженностью Е₀ 10 ¹⁶ В/см. Пары достаточно быстро, хотя и не в катастрофическом темпе, могут рождаться и в более слабых полях. Поэтому достижение полей, например с Е₀ 10 ¹⁴ В/см, уже позволило бы, вероятно, наблюдать рождение пар в вакууме.

Вакуум поляризуется не только сильным электрическим полем, но и магнитным полем, причем характерное значение напряженности магнитного поля Н₀ такое же, как и для электрического поля Е₀ . В магнитном поле с напряженностью более Н₀ вакуум ведет себя подобно нелинейной анизотропной среде и сильно влияет на распространение электромагнитных волн.

Имеются различные подходы ученых для объяснения природы вакуума. Рассмотрим некоторые из них.

Вакуум Эйнштейна. Многолетними поисками А. Эйнштейн после дискуссии с немецким математиком Д. Гильбертом находит в 1915 году знаменитые уравнения Эйнштейна, которые описывают гравитационные поля через кривизну пространства событий. Согласно этим уравнениям, массивное тело искривляет пространство-время вокруг себя. В его теории имеется две реальности: пространство-время и материя. Материя выступает на фоне пространства-времени, искривляя его. Если материю убрать, то пространство становится плоским (псевдоевклидовым). Таким образом, пространство-время наделяется упругими свойствами, которые проявляются через искривление его геометрии.

Картина мира, соответствующая общей теории относительности, содержит всего две автономные реальности - вещество и поле. Законы тяготения - это структурные законы, описывающие гравитационное поле между материальными объектами. Между материей и полем в общей теории относительности нет качественного различия: вещество находится там, где концентрация поля максимальна, поле - там, где она мала. Эйнштейн полагал, что в перспективе всю теорию удастся свести к единственной реальности - полю. Представим себе область трехмерного пространства, заполненного прозрачной однородной резиной. Пропуская луч света по различным направлениям внутри резины, мы увидим, что он распространяется всегда по прямой линии. Это модель плоского пространства или «абсолютного вакуума». Поместим внутрь резины шарик из какого-либо твердого материала. В результате вблизи поверхности шарика возникнут неоднородности из-за вытеснения шариком части объема резины. Если теперь пропустить луч света вблизи поверхности шарика, то он будет распространяться по некоторой кривой из-за неоднородной плотности вблизи поверхности. В данном случае неоднородный кусок прозрачной резины моделирует искривленное пространство или возбужденный вакуум.

Можно теперь утверждать, что, согласно теории Эйнштейна, физический вакуум - это пустое (без материи) пространство-время, обладающее упругими свойствами. Эти свойства проявляются тогда, когда в пустое пространство помещается некая масса. Более того, в теории имеются так называемые вакуумные уравнения Эйнштейна, которые описывают гравитационные поля вне материи, т. е. в чистом виде упругие свойства пустого пространства-времени. Вакуумные уравнения Эйнштейна являются чисто геометрическими и не содержат никаких физических констант. Так и должно быть, поскольку вакуум не может характеризоваться чем-либо конкретным. Если вакуум наделить какими-нибудь конкретными физическими константами, то это будет уже что-то рожденное из вакуума.

Вакуум Дирака. В 1928 г. английский физик П. Дирак, рассматривая уравнение Шрёдингера, обратил внимание на его нерелятивистский характер. См.: Дирак П.А. Принципы квантовой механики - М., 1979. - С. 275. При этом квантовая механика описывает объекты микромира, и хотя к 1928 г. их было известно только три: электрон, протон и фотон (даже нейтрон был экспериментально обнаружен только в 1932 г.), было ясно, что движутся они со скоростями, весьма близкими к скорости света или равными ей, и более адекватное описание их поведения требует применения специальной теории относительности. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов квантовой механики и теории относительности Эйнштейна, и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно решение давало известный электрон с положительной энергией, другое - неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и соответствующих им античастицах, о мирах и антимирах. К этому же времени была разработана квантовая электродинамика. Суть ее состоит в том, что поле более не рассматривается как континуалистская непрерывная среда. Дирак применил к теории электромагнитного поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значения поля.

Обнаружение античастиц углубило представление о поле. Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля - фотонов. Следовательно, в этой области пространства должна быть пустота. Ведь специальная теория относительности «изгнала» из теории эфир, можно сказать, что победила точка зрения о вакууме, о пустоте. Но пуст ли вакуум - вот вопрос, который вновь возник в связи с открытием Дирака. Сейчас хорошо известны эффекты, доказывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Даже если мы измеряем заряд электрона, то, как оказалось, голый заряд электрона равняется бесконечности. Мы же измеряем заряд электрона в «шубе» окружающих его виртуальных частиц.

Ничто, пустота, из которой родились Вселенная, - это не тот вакуум, который в 1644 г. был открыт учениками Галилея Э. Торричелли и В. Вивиани. Это был совсем другой пласт реальности - физический, или квантовый, вакуум, открытый в 1928 г. П.А. М. Дираком. Ему удалось обобщить уравнения квантовой механики на случай скоростей, близких к скорости света. Из его теории следовало, что электрон, как и все остальные элементарные частицы, может обладать не только положительной, но и отрицательной энергией. Понять физический смысл этого предсказания теории было непросто. Чтобы разобраться в этом вопросе, Дирак воспользовался тем обстоятельством, что помимо массы и заряда электрон обладает и третьей столь же фундаментальной характеристикой - спином. Спин, что по-английски означает «кручение», «волчок», - это квантовое число, равное собственному моменту количества движения частицы. Для электрона спин может иметь только одно из двух значений: S = 1/2 .

Для подобных частиц с полуцелым спином известен принцип запрета, сформулированный В. Паули: в квантовой системе на одном энергетическом уровне могут находиться лишь две частицы с противоположно направленными спинами. Дирак воспользовался этим правилом и предположил, что в области отрицательной энергии заняты все уровни, а потому находящиеся на них электроны представляют собой квантовый вакуум. Этот феномен получил название «вакуумного моря» Дирака. Однако если на это «море» направить мощный импульс гамма-излучения, то получивший его электрон приобретет положительную энергию и перейдет в реальный мир. В «море» остается «дырка», во всем похожая на электрон, только заряд у нее будет положительным - это следствие закона сохранения заряда.

Уравнения, которые открыл Дирак, показывают, что в природе существуют частицы с положительной энергией - электроны и античастицы -позитроны, энергия которых отрицательна. Они рождаются парами электрон-позитрон из физического вакуума. Сам же вакуум представляет собой некоторое латентное (скрытое) состояние электронов и позитронов. В 1932 г. К. Андерсон, исследуя космические лучи, обнаружил позитрон. Андерсон получил за свое открытие Нобелевскую премию, а Дирак - подтверждение своей теории о квантовом вакууме.

Таким образом, вакуум, согласно Дираку, - это среда с бесконечно большим отрицательным зарядом и отрицательной энергией, где все уровни с отрицательной энергией полностью заполнены электронами, ауровни с положительными энергиями остаются свободными. Заполнение энергетического уровня с положительной энергией воспринимается как появление электрона, а освобождение уровня с отрицательной энергией как появление античастицы, т. е. позитрона. Массы электрона и позитрона одинаковые, а заряды противоположные. Фотон с энергией Е > 2 mc ² способен возбудить вакуум и выбить из него реальный электрон с положительной энергией. Это соответствует рождению пары частица - античастица. Переход электрона из состояния, где энергия положительная, в состояние с отрицательной энергией соответствует аннигиляции пары, т. е. исчезновению электрона и позитрона и появлению, или рождению, фотона.

Вспомним еще раз об эфире и заметим, что сейчас физика вновь использует в своем обиходе одно из свойств, приписываемых эфиру, - представление о том, что пустоты как таковой в природе не существует. Пространство, свободное от материи, способной к макроскопическим перемещениям, тем не менее, пустотой не является. Теперь в качестве такой все заполняющей и все порождающей среды мы принимаем спонтанно (самопроизвольно) деформируемые вакуумные структуры. Любопытно в этой связи отметить, что уравнения фундаментальной физики, не дополненные процедурой квантования движений, формально математически содержат решения, которые, с точностью до нулевых колебаний, можно было бы сопоставить с абсолютной пустотой. Однако это решение неустойчиво, т. е. мир не может существовать в таком режиме, когда отдельные его области по своим свойствам близки к абсолютной пустоте. Если же в уравнениях учесть принцип квантования движений микрообъектов, оказывается, что уравнения просто не имеют решений, соответствующих абсолютной пустоте. Спонтанная деформация геометрических структур - неизбежное следствие экспериментально проверенных фундаментальных законов природы.

Наиболее интригующим следствием этих исследований является вывод о том, что физический вакуум представляет собой не пустоту с некоторыми фиксированными неизменными свойствами, а сложную, целостную, иерархическую систему, способную к динамической эволюции. Проведенные к настоящему времени исследования физической природы вакуумных подсистем показывают, что само их существование и внутренняя структура обусловлены спонтанными деформациями геометрических характеристик искривленного и расслоенного пространства-времени. Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий кварков и лептонов, воплощающая новейшие представления о вакууме и элементарных частицах в строгой математической форме, является общепризнанным достижением естествознания 20-го века.

Впервые в истории науки мы имеем теорию, объясняющую большинство известных экспериментальных фактов в физике микромира, полученных на ускорителях элементарных частиц. Парадокс, однако, состоит в том, что внутренняя логика Стандартной Модели сама неизбежно указывает на собственную неполноту, на существование еще более общей теории, основанной на еще более глубоких представлениях о физическом вакууме как о сложно структурированной динамической системе. «При этом физический вакуум является базовым состоянием материи в нашем мире, он служил первоисточником в процессах, приведших к возникновению Вселенной, и он же определял последующие преобразования вещества в ходе развития, наделяя частицы не только массой, но и способностью к определенным взаимодействиям между собой.

Наука выделяет несколько уровней в иерархии нашего мира. Это Микромир, Макромир (зона нашего существования) и Мегамир, т. е. Вселенная и, возможно, не только она. Каждый последующий уровень иерархии опирается на нижележащие уровни. К этой иерархии уровней снизу следует добавить еще один основополагающий уровень, который назван физическим вакуумом. Пока что научные знания о природе вакуума далеки от полноты. Известно, что вакуум может существовать в нескольких своих модификациях, различающихся, прежде всего, содержанием плотности энергии в очень широком интервале величин. Между модификациями, в зависимости от условий существования, возможны фазовые переходы». Ровинский Р.Е. Загадка темной энергии // Вопросы философии. 2004. № 12. - С. 105.

Поиски законов динамической эволюции вакуума приводят к формированию и становлению теоретических парадигм, имеющих не только общенаучный, но и ярко выраженный философский характер. Основаниями для этого прогноза являются многочисленные теоретические и экспериментальные указания на то, что физический вакуум как сложная система обладает, по крайней мере, свойством самоорганизации. Результаты современной физики и космологии показывают, что физический вакуум способен так реагировать на изменения условий во Вселенной, чтобы путем локальных изменений собственной структуры сохранять глобальную устойчивость в масштабах Вселенной и тем самым обеспечивать свою дальнейшую эволюцию путем образования новых структур как в нем самом, так и в веществе. Не исключено, что понятие самоорганизации как характеристики эволюционного процесса в действительности является недостаточным для описания сложнейших явлений, происходящих во Вселенной.

Во-первых, очевидно различие между основными объектами исследований физики 20-го и 21-го веков. В 20-м веке задача состояла в изучении структуры вещества, существующего и эволюционирующего в пространстве-времени с фиксированной геометрией на фоне «пустоты» (вакуума) с простыми заданными свойствами. Приоритетом же фундаментальной физики 21-го века будет изучение динамических законов структуры самого физического вакуума.

Во-вторых, даже имеющиеся знания о физическом вакууме позволяют предположить, что как объект исследований физический вакуум по своей сложности и многообразию свойств может не уступать субъекту исследований - человеку.

Таким образом, в среднем физический вакуум не имеет ни массы, ни заряда, ни каких-либо других физических характеристик. Однако в малых пространственных областях вакуума (порядка 10 -³³ см) значения физических характеристик могут стать отличными от нуля - на малых расстояниях вакуум спонтанно флуктуирует. В вакууме постоянно происходят процессы рождения и уничтожения частиц и античастиц разного сорта. Образно говоря, в малых пространственно-временных областях вакуум похож на «кипящий бульон», состоящий из элементарных частиц. Поэтому в квантовой теории возникло представление о физическом вакууме как о «квантовой жидкости», находящейся в вечном движении. Такая жидкость описывается уравнениями квантовой гидродинамики и, естественно, обладает упругими свойствами. «Важнейшей характеристикой физической системы является уравнение состояния, связывающее давление Р и плотность энергии, - Е = f (Р). В обычных системах обе эти величины положительны, и с возрастанием энергии давление увеличивается. Это означает, что система старается вытолкнуть из занимаемого объема новые частицы. Вакуум же характеризуется отрицательным давлением и необычным состоянием Е = f (-Р), виртуальные частицы, составляющие вакуум, стараются втянуть в него другие частицы, увеличивая тем самым плотность энергии. Если бы в вакууме не действовали внутренние силы, то он либо поглотил бы все реальные частицы, так что в мире не было бы другого состояния, кроме вакуумного, или распался бы. Однако между частицами, составляющими вакуум, как полагают, существует взаимодействие, создающее значительный потенциальный барьер, который разделяет реальный и виртуальный миры. См.: Зуллиев А.М., Пацхверова Л.С. Физическая картина мира. - Махачкала, 2006. - С. 210.

Рассмотрим энергетические свойства квантового вакуума. Из соотношения неопределенности и закона сохранения массы-энергии можно рассчитать промежуток времени, соответствующий массе электрона: t=10-²¹ с. Смысл этих расчетов, с точки зрения классической механики, кажется безумным: в течение столь малых промежутков времени энергия вакуума испытывает достаточно большие колебания, чтобы за это время из него рождались электроны и все прочие элементарные частицы.

Эксперименты по рождению частиц из физического вакуума показывают, что их массы, заряды, спины или какие-либо другие физические характеристики относительны, появляются и исчезают в процессах рождения из вакуума или ухода в вакуум. В теории физического вакуума эти характеристики определяются через риманову кривизну пространства. Имеется гипотеза о том, что пространство-время может иметь внутреннюю дискретную микроскопическую структуру, поля расслоений, описывающие дефекты в этой структуре. Эти структуры задают состояние физического вакуума. Их называют вакуумными конденсатами. На нынешнем уровне знаний о природе можно сказать определенно - свойства материи целиком определяются свойствами этих вакуумных структур. Именно поэтому изучение физики вакуума и представляется приоритетной задачей физики XXI в.

Сегодня можно утверждать, что, во-первых, формирование конкретных свойств элементарных частиц и их взаимодействий, например протона, нейтрона, электрона и нейтрино, предопределяется состоянием различных вакуумных субструктур и взаимосвязями между ними, а во-вторых, свойства наблюдаемого макромира - геометрические свойства Вселенной в целом, ее крупномасштабная структура, химический состав Вселенной, условия возникновения в ней биологических объектов определяются свойствами частиц. Отсюда следует, что относительно небольшие изменения в структуре вакуума могут привести к радикальному изменению свойств мира. Параметры вакуумных структур жестко зафиксированы для видимой Вселенной. В этом смысле можно говорить, что вакуумные структуры самоорганизуются единственным образом, который только и позволяет существовать во Вселенной макроскопическим структурам. Так от размышлений о природе пустоты приходим к постановке проблемы о самоорганизации вакуума. Поэтому для краткой формулировки ситуации в фундаментальной физике на рубеже XX и XXI вв., важными являются следующие ключевые слова - вакуум и самоорганизация. Заметим, что формирование категории вакуума как объекта со сложной иерархической внутренней структурой есть результат синтеза геометрической и квантовой парадигм физики XX в., а самоорганизация проявляется как внутреннее свойство физического вакуума, которое физикам и предстоит исследовать в XXI веке. Сложные структуры квантового вакуума - та первооснова, которая определяет фундаментальные свойства нашего мира в целом.

Особое значение имеет проблема рождения пар частиц из вакуума вблизи сингулярностей в космологических решениях, описывающих эволюцию Вселенной. Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают вселенные с разным набором фундаментальных постоянных. См.: Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная // Успехи физических наук. 1984. Т. 144.

Вакуум по отношению к слабому взаимодействию ведет себя как сверхпроводник. Поэтому возникает вопрос, какова должна быть структура вакуума в этом случае. Из всего, что известно о сверхпроводниках, вытекает, что в вакууме должна быть некая подсистема, которая находится в состоянии Бозе-конденсата. Это означает, что имеется большое число частиц с целочисленным спином, находящихся в одном - единственном состоянии. Бозе-конденсат обладает свойством сопротивляться изъятию из него отдельных частиц и даже, наоборот, стремится втянуть в занятую им область других партнеров. Именно это свойство и приводит к сверхпроводимости. «В обычных сверхпроводниках Бозе-конденсатом являются куперовские пары электронов. В теории же электрослабого взаимодействия приходится вводить специальное поле, называемое полем Хиггса, кванты которого являются скалярными частицами и подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна. Обладая только "слабым" зарядом, частицы Хиггса не влияют на электрические свойства вакуума и вносят коррективы только в слабое взаимодействие». См.: Мостепаненко А.М., Мостепаненко В.М. Концепция вакуума в физике и философии // Природа. 1985. № 3. - С. 88-95.

Недостаточно только ввести поле Хиггса, надо еще заставить его конденсироваться. Речь идет о появлении постоянного в пространстве и во времени классического поля. Чтобы это было выгодно, необходимо, чтобы зависимость потенциальной энергии от потенциала имела минимум. Фазовый переход в сверхпроводящее состояние может происходить при понижении температуры. Переход может быть первого рода - скачком и второго рода - плавно. При температуре, большей критической, вакуум перестает быть сверхпроводником, конденсат разрушается, промежуточный бозон становится, как и фотон, безмассовым. Значит, сверхпроводящие свойства вакуума объясняются наличием в нем специального поля (ц-поля Хиггса), кванты которого образуют конденсат, обладающий сверхпроводящими свойствами. Они имеют "слабый заряд" и являются электрически нейтральными. Конденсат появляется только при уменьшении температуры. При температуре выше критической конденсат испаряется, и вакуум перестает быть сверхпроводящим. Слабое взаимодействие, подобно электромагнитному взаимодействию, становится дально-действующим. Нейтрино приобретает массу и взаимодействует с веществом, промежуточные бозоны, наоборот, теряют массу.

Разрушение сверхпроводящего состояния происходит при повышении температуры и плотности. Для этого промежуточному бозону, например, надо сообщить энергию, эквивалентную массе этой частицы (10¹⁵ К, 100 ГэВ). Такие температуры и энергии в настоящее время создать невозможно. Названные условия могли возникнуть непосредственно после «Большого Взрыва» в инфляционный период развития Вселенной.

Возникает вопрос, при каких условиях могут происходить такие превращения. Допустим, в некоторой области пространства имеется потенциальная яма, созданная сильным электрическим или каким-либо другим полем. Чтобы виртуальная частица стала реальной, её энергия должна быть не меньше, чем "энергия покоя" частицы, равная тс² , где т и с соответственно масса частицы и скорость света в вакууме. Если глубина ямы превышает тс² , энергия, которую приобретает частица, падая в яму, может превратить частицу из виртуальной, какой она была на краю ямы, в реальную. При этом в яме будут рождаться и накапливаться частицы, пока они не создадут такое дополнительное поле, что глубина ямы станет равной тс² и дальнейшее рождение частиц станет невозможным. Прежний вакуум при этом перестраивается, становится неустойчивым к образованию соответствующих частиц, и в вакууме появляется поле этих частиц.

Осуществить потенциальную яму тем легче, чем меньше масса рождающихся частиц. Малую массу имеют электроны, но они подчиняются принципу Паули, поэтому в каждом состоянии может находиться только один электрон. Произойдет лишь небольшая перестройка вакуума. Наименьшую массу среди частиц, которые могут накапливаться в любом количестве, имеют пи-мезоны. В связи с этим наибольший интерес вызывает возникновение неустойчивости к образованию пи-мезонов. Такая неустойчивость может возникнуть при сильных электрических полях. Это возможно при нуклонном состоянии вещества. Там глубина ямы становится больше энергии покоя мезона и возникает неустойчивость вакуума относительно рождения пионов. В этой области пространства возникает пионное поле. Это явление называют пионной конденсацией.

Когда плотность нуклонов превысит некоторое критическое значение, глубина ямы станет больше энергии покоя пиона и при конденсации высвободится энергия. Значение критической плотности известно пока очень грубо, можно только предполагать, что оно не слишком далеко отстоит от плотности атомных ядер.

Таким образом, физика квантово-полевого вакуума интересна и содержательна. Вакуум можно рассматривать как особое состояние материи, а вакуумные эффекты наблюдаются в эксперименте и играют важнейшую роль в квантово-полевой картине мира. Конечно, круг физических явлений, которые определяются структурой вакуума, значительно шире и не сводится к перечисленным фактам. Многие проблемы физики вакуума находятся на стадии интенсивных научных исследований и еще ждут своего решения.

Физический вакуум можно представить себе как определенную материальную среду, обладающую, впрочем, некоторыми совершенно специфическими свойствами. Сравнивая вакуумную "материю" с обычной материальной средой, следует отметить ряд сходств и различий. К сходствам нужно отнести, во-первых, то, что физический вакуум, как и обычная среда, является носителем энергии и характеризуется давлением, во-вторых, то, что вакуум, как и обычные материальные среды, имеет внутреннюю микроскопическую структуру, что обеспечивает возможность его перестройки. Существуют также возбуждения вакуумной среды, которые классифицируются как и возбуждения обычной распределенной материи - волнового и солитонного типа. Волновые возбуждения вакуума понимаются и описываются в теории как частицы.

В то же время имеются и важные отличия, и в первую очередь невозможность связать с вакуумом определенную систему отсчета - в противном случае мы бы просто вернулись к концепции эфира. Недеформированный вакуум выглядит одинаково при взгляде на него из любой системы отсчета, в том числе и из неинерциальной. Исследование объекта с такими инвариантными свойствами требует совершенно определенной методологии, отличной от методологии изучения эфира. Вакуум можно изучать либо через свойства его возбуждений, либо путем его структурной перестройки в макроскопических масштабах. Еще одно отличие физического вакуума от обычной среды - специфическое уравнение состояния р = - , автоматически обеспечивающее постоянство плотности энергии и давления вакуума во всех процессах типа сжатия или нагрева.

Только перестройка внутренней структуры вакуума приводит к изменению этих констант. Их изменение может происходить лишь скачкообразно при смене одной вакуумной субструктуры другой. Постоянная плотность энергии вакуума должна фигурировать в уравнениях Эйнштейна, и она там присутствует в виде Л-члена. Сам Эйнштейн не утверждал, что эта характеристика относится к физическому вакууму, он полагал, что самому пространству-времени присущи постоянные плотность энергия и давление.

Дальнейшее развитие физики показало, что эти понятия - пространство-время и вакуум - тесно связаны, так что идея Эйнштейна была интерпретирована в терминах физического вакуума и физики элементарных частиц. Чему же равна плотность энергии вакуума в современной Вселенной? Этот вопрос, вообще говоря, должен решаться в эксперименте. Долгое время считалось, что значение Л-члена точно равно нулю, и только в последние годы астрономические наблюдения позволили установить, что его величина отлична от нуля и плотность энергии вакуума примерно в 10-20 раз превышает плотность энергии барионной материи. Именно такие представления о величине Л-члена приняты сегодня.

Каким же образом были экспериментально получены данные о величине Л-члена? В связи с этим вопросом напомним, что левая часть уравнений Эйнштейна содержит постоянную Хаббла (характеристику геометрии пространства-времени, по представлениям Эйнштейна), а правая часть - плотность энергии материи и вакуума. Так как скорость расширения Вселенной постепенно замедляется в случае ее заполнения обычным веществом, то нужно проанализировать скорость расширения в различные эпохи эволюции Вселенной, т. е. следует изучать далекие галактики, испустившие световые сигналы очень давно. По свойствам регистрируемого сигнала (его движение сопровождается расширением Вселенной), по степени его искажения можно сделать конкретные выводы о характере распространения сигнала - электромагнитной волны. Такими хорошо известными источниками сигналов являются вспыхивающие сверхновые звезды, т. е. нам точно известно, какое излучение они генерируют». Исследование вспышек сверхновых - это целая большая и активно развивающаяся область современной астрономии.

Актуальность этой области науки в немалой степени обусловлена тем, что, изучая эта вспышки, можно получить информацию о Л-члене. Имеется, впрочем, еще один, чисто теоретический способ определения величины Л-члена: оказывается, что значение Л-члена тесно связано с процессами формирования крупномасштабной структуры Вселенной, поскольку темп гравитационной неустойчивости определяется составом Вселенной и скоростью ее расширения. Теоретически установлено, что наиболее разумная картина образования крупномасштабной структуры имеет место тогда, когда формирование этой структуры сопровождается расширением пространства-времени Вселенной такого типа, когда вполне определенную роль играет и плотность энергии вакуума. Анализируя такой тип расширения, можно получить оценки величины Л-члена. Полученные количественные результаты согласуются с наблюдательными астрономическими данными по вспышкам сверхновых, что и позволяет уверено сделать вывод о неравенстве Л-члена нулю. На первый взгляд, может показаться, что численное значение Л-члена не очень велико, однако это не так, поскольку Вселенная очень разрежена и средняя плотность вещества в ней примерно 10^-29 г/см³, а плотность энергии 10^-8 эрг/см³.

В наблюдаемой Вселенной доминирует физический вакуум; по плотности энергии он превосходит все обычные формы космической материи вместе взятые. Вакуум создает космическую антигравитацию, которая управляет динамикой космологического расширения в современную эпоху. Из-за этого космологическое расширение ускоряется, а 4-мерное пространство-время мира становится статическим. Это не теории или гипотезы, которые еще предстоит проверить на опыте, а прямое следствие надежных наблюдательных данных См.: Riess A.G. et. al. // Astronomy. J. 116. 1009. 1998^, См.: Perlmutter S. et. аl. // Astrophysics. J. 517565. 1999. Открытие сделано на основании изучения далеких вспышек сверхновых звезд.

Физический вакуум является носителем всех потенциальных свойств Вселенной, имеет сложную квантово-топологическую структуру и представляет собой совокупность структур в искривлениях и расслоениях пространства и времени, что вполне очевидно из анализа лабораторных экспериментов, астрофизических наблюдений и их теоретического осмысления. Именно на уровне вакуума происходят процессы превращения «ничего» в макроскопическую Вселенную.

В структуре вакуума происходящие на их уровне процессы обусловливают как сам факт рождения Вселенной, так и ее свойства. Вакуум эволюционирует и существует в режиме самоорганизации. Самоорганизация проявляется как внутреннее свойство физического вакуума. Сложные структуры физического вакуума являются первоосновой, определяющей фундаментальные свойства нашего мира в целом. Этот режим определяет как глобальные свойства Вселенной в целом, так и локальные характеристики вещества. Важно, что локальные и глобальные свойства Вселенной согласованы друг с другом на высочайшем уровне точности так, чтобы в ней была возможность появления человека разумного. Уже на уровне существующих знаний мы можем уверенно утверждать, что факт самоорганизации вакуумных подсистем установлен.

Роль этого факта в создании условий для возникновения жизни прослеживается явно, однако природу этой самоорганизации мы, конечно, пока установить не можем. Это станет возможным только в полной теории вакуума, которая будет оперировать полным набором полей, например на уровне суперструн. Эти задачи и будут стоять перед фундаментальной физикой в XXI веке. Однако уже сегодня есть понимание того, что вакуум - очень сложная система с многочисленными функциональными связями, причем количественные характеристики подсистем и функциональных связей зажаты в очень узких рамках, что возможно в режиме самоорганизации. Именно режим самоорганизации такой сложной системы, как физический вакуум, обеспечивает существование такой сложной, эволюционирующей биологической системы, как человек.

4.2 Спонтанное нарушение симметрии вакуума и инфляционные сценарии развития Вселенной в современной космологии

Мы живем в расширяющейся Метагалактике. Это явление имеет свои особенности. Расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик, т. е. систем, элементами которых служат галактики. Другая особенность расширения Метагалактики заключается в том, что не существует центра, от которого «разбегаются» галактики. На факте расширения Метагалактики основана современная теория происхождения и эволюции нашей Вселенной.

В теории разрабатываются различные варианты сценария эволюции Вселенной. Хотя они существенно отличаются друг от друга, но наиболее перспективные из них имеют одну важную особенность, которая заключается в наличии представлений о существовании инфляционной стадии эволюции Вселенной - стадии экспоненциального раздувания Вселенной. В рамках инфляционных теорий удается решить ряд космологических проблем, а также предсказать наличие «островной» структуры Вселенной, что является следствием различных типов нарушения симметрии в разных мини-вселенных. С этой точки зрения, и сама жизнь оказывается результатом вполне конкретной цепочки определенным образом спонтанно нарушенных симметрий исходного вакуума См.: Верешков Г.М., Минасян Л.А., Саченко В.П. Физический вакуум как исходная абстракция // Философские науки. 1990. № 7. - С. 20-29..

Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума вошла в физику элементарных частиц из физики твердого тела. Эта идея привела к созданию единой теории электромагнитного и слабого взаимодействий. Теория слабого взаимодействия была создана не сама по себе, а оказалась вписанной в единую электрослабую теорию. В настоящее время теория электрослабого взаимодействия подтверждена экспериментально. Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума означает отход от общепринятого представления о вакууме как о состоянии, в котором среднее значение энергии всех физических полей равно нулю. Здесь признается возможность существования состояний с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей, возникает представление о существовании вакуумных конденсатов - состояний с отличным от нуля вакуумным средним. «Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости. Платой за неустойчивое состояние системы является асимметричность вакуума». Гриб А.А., Дамаскинский В.В., Максимов В.М. Проблема нарушения симметрии и инвариантности вакуума в квантовой теории поля // Успехи физических наук. 1970. Т. 102. Вып. 4. - С. 587-620.

Таким образом, в физику с использованием калибровочного принципа вкупе с идеей спонтанного нарушения симметрии вакуума в качестве основного методологического принципа входит принцип рассмотрения физических явлений и процессов сквозь призму диалектики симметрии и асимметрии. Ибо здесь ясно просматривается диалектическое тождество этих противоположностей, когда симметрия содержит в себе в виде возможности асимметрию, а асимметрия зиждется на симметрии.