Проблема физического вакуума в современной физике и космологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблема физического вакуума в современной физике и космологии

Ланцев И. А.

Истоки проблемы. Идея целостности и единства мира (космоса) была сформулирована в античной философии природы ("физике"). Основой всякого бытия считалась первичная материя, которая не определена (принципиально) ни одной из категорий, задающих реальные (конкретные) состояния сущего, поскольку образует потенциальную предпосылку существования, которую нельзя отождествлять с бытием и даже считать простой составной частью конкретного бытия. В потенции могут сосуществовать не только различные, но и взаимоисключающие вещи и состояния (Аристотель). Конкретные существующие вещи суть соединения первичной материи и образа, формы и "эйдоса". Объективную реальность из потенциального бытия образует форма. Аристотелем был введено понятие эфира, заполняющего все мировое пространство, из которого состоят небесные тела. Эфиру присущи свойства неизменности и совершенства. Анаксимандр первоначалом всего сущего считал "апейрон" - некое бесконечное и неопределенное начало. Все состоит из апейрона и из него возникает, поскольку он сам из себя все производит. Части изменяются, целое же остается неизменным. В античной атомистике полагалось, что "начала Вселенной суть атомы и пустота" (Левкипп, Демокрит). Левкипп признавал бесчисленные постоянно движущиеся элементы - атомы, имеющие бесконечное множество форм, видел в вещах постоянное возникновение и изменение. Считая суть атомов плотной и полной, Левкипп полагал, что они есть сущее, движущееся в пустоте, которую он называл несущим, утверждая, что она является не меньшим, чем сущее. Атомы характеризуются величиной, формой, порядком и положением. Атомы являются причиной вещей, которые возникают и исчезают в результате их соединения и разъединения.

Современные представления о "пустоте" (физическом вакууме). Идея "физического вакуума" в современной науке возникла при попытке осознать, из чего состоит, и откуда произошел окружающий Мир. Вакуум (по современным понятиям) не пустота в буквальном смысле, а то, что остается, если убрать из пространства все частицы и кванты любых физических полей. В современной физике физическим вакуумом (ФВ) называют наинизшее состояние физических полей, в котором отсутствуют реальные частицы. Согласно квантовой физике пустота-вакуум - с одной стороны особая материальная среда, один из видов материи, с другой - Мир как целое. В квантовой физике частицы не являются вещественными объектами, а носителями взаимодействия целого. Каждый объект и Вселенная в целом - целостная квантовомеханическая система, имеющая единство происхождения и, следовательно, самосогласованный нелокальный потенциал взаимодействия. Онтология квантовой механики основана на потенциальных, не проявленных формах, содержащихся в единой, первоначально однородной субстанции ФВ. Вакуум-хаос - неупорядоченная первопотенция мира, безначальное, всеобъемлющее и порождающее начало. Это один из самых основных, самый сложный из всех объектов, с которыми до сих пор приходилось иметь дело науке, где он может выполнять роль исходной абстракции.

Современная физика рассматривает существование трех видов материи: вещества (количественно определяемого массой), излучения поля физического (количественно определяемого энергией), физического вакуума ("пустоты"). Физический вакуум - это тонкоматериальная среда, низкоэнергетические флуктуирующие поля, с ними связаны виртуальные ("возможные") частицы, которые из-за квантовых эффектов на короткое время, задаваемое соотношением неопределенностей, появляются, чтобы затем поглотится ФВ. ФВ можно представить себе как особую материальную среду, обладающую специфическими свойствами. ФВ, как и обычная среда, является носителем энергии и характеризуется давлением. ФВ так же, как и обычные материальные среды, имеет внутреннюю микроструктуру, что обеспечивает возможность его перестройки. Существуют возбуждения вакуумной среды, которые классифицируются как и возбуждения волнового и солитонного типа обычной распределенной материи. Таким образом, физическая картина мира, оперирующая понятиями вещество, физические поля (электромагнитное, гравитационное и т. д.), сменяется "физико-вакуумной" картиной, которая исходит из представлений, что вакуум -- универсален (он - "первоматерия"). Все сущее, в т. ч. вещество и поля, не более, как "легкая рябь" на его поверхности. "Первоматерия" определяет фундаментальные свойства "вторичных" объектов. Все физические поля и константы фундаментальных взаимодействий обязаны своим происхождением одному фундаментальному взаимодействию, являющемуся проявлением единой созидающей среды, из которой возникают поля и частицы. Вещественные образования, обладающие массой покоя - "элементарные" частицы возникают в результате фазового перехода из физического вакуума и представляют собой возбужденные состояния полей. Хаотическое проявление ФВ в вещественном слое выглядит в виде виртуальных пар частиц - античастиц (например, электрон-позитронных). Характерная черта квантово-полевых представлений о вакууме - учет его сложной структуры, многообразных форм активности, имеющих, однако, потенциальную природу и требующих для своего проявления вмешательства энергетического фактора, поскольку потенциально (виртуально) ФВ содержит всевозможные частицы и поля, которые могут возникнуть из него при наличии соответствующих условий. Флуктуации ФВ детерминируют известные виды физической реальности. В качестве основных форм материи рассматриваются: частицы вещества -- кварки и лептоны и их объединения в адроны, ядра атомов, молекулы и т.д.; кванты полей -- калибровочные бозоны как переносчики различных типов физических взаимодействий; скалярные бозоны, представляющие собой коллективные возбуждения среды, заполняющие всю Вселенную, -- хиггсовые вакуумные конденсаты.

ФВ как наиболее универсальный и фундаментальный вид реальности служит источником существования неисчерпаемого многообразия самых различных физических явлений, в том числе взаимно исключающих друг друга. Г. Наан пишет: "Грубую модель вакуума можно представить себе как бесконечно большой запас энергии одного знака, компенсируемый таким же запасом энергии другого знака". Когда же из вакуума образуются другие формы материи, составляющие Вселенную, противоположности, существующие в вакууме, разделяются. Г. Наан считает, что "материальный фон" физического мира может быть живым, действующим, то есть представляет собой самостоятельную Вселенную, подчиненную своим законам эволюции. Вследствие наибольшей общности, ФВ может претендовать на статус онтологической основы всего многообразия объектов и явлений в мире. В этом смысле, "пустота" - самая содержательная и онтологически наиболее фундаментальная сущность. Такое понимание ФВ позволяет признать реальность существования его не только в теории, но и в Природе. Проявленное бытие существует в виде наблюдаемого вещественно-полевого мира, не проявленное бытие - в виде ФВ, который можно рассматривать как самостоятельную физическую сущность, подлежащую изучению. пустота физический вакуум материя

Феноменология ФВ. В настоящее время экспериментальное и теоретическое изучение свойств вакуума находится в начальной стадии, но эта задача представляет исключительный интерес для всей физики в целом, включая физику элементарных частиц и космологию. В фейнмановском представлении взаимодействий ФВ обнаруживает себя через малые радиационные вакуумные поправки к известным электромагнитным взаимодействиям. Физическая реальность квантовых объектов проявляется как реальность квантовых процессов. Вакуум проявляет себя во взаимодействии с веществом. ФВ обнаруживает свои свойства через физические феномены, прямо или косвенно измеряемые (лэмбовский сдвиг в спектрах атомов, эффект Казимира, фликкер-шум и др.). Вакуум обнаруживает себя в явлениях виртуальности в физике высоких энергий и ядерной физике, туннельного перехода, сверхпроводимости и других эффектах вблизи абсолютного нуля температуры. Астрономические наблюдения далеких вспышек сверхновых звезд указывают на присутствие во Вселенной "космического" вакуума, плотность энергии которого по-видимому превышает плотность всех других форм космической энергии вместе взятых. Космический вакуум, создавая поле антигравитации, вызывает ускорение космологического расширения, обнаруженное в наблюдениях. Экзотические свойства материи в сверхплотной вращающейся "черной дыры" можно связать с проявлением объемного вакуумного эффекта. Такое решение парадокса поля Керра-Ньюмена перекидывает мост между макро- и микромиром, позволяя предположить, что объемный вакуумный эффект играет важную роль в структуре "элементарных" частиц, обеспечивая механизм, удерживающий частицу от расползания (объемный эффект Казимира-Буринского). Таким образом, прослеживается связь между полем Керра-Ньюмена и суперструнными моделями "элементарных" частиц, которые наряду с преонными рассматриваются как наиболее перспективные для описания структуры материи. Исходное суперсимметричное состояние нашей Вселенной (Единое суперполе) как целое в своем самодвижении расчленяется на две противоположности -- макроскопическую составляющую (классические макроусловия -- всевозможные хиггсовые вакуумные конденсаты) и микросоставляющую (кванты полей, которые рассматриваются как возбуждения вакуумных конденсатов). Важную роль играют представления о спонтанном нарушении симметрии исходного вакуума, свидетельствующие о способности вакуума изменять свое состояние, что, в свою очередь, говорит об изменении макроусловий.

С современной точки зрения ФВ самое симметричное состояние материи. Случайно образовавшаяся из ФВ часть менее симметричной фазы материи с меньшей симметрией и более низкой энергией неизбежно должна увеличиваться. Высвобождающаяся энергия используется в процессах рождения частиц. Не исключено, что Вселенная возникла в результате рождения частиц из ФВ при поляризации его гравитационным полем, которое порождается этими же частицами ("самосогласованная модель Вселенной"), при полном соблюдении фундаментальных законов сохранения.

Антропный фактор. Физический вакуум представляет собой сложную иерархическую систему, способную к динамической эволюции. Вся видимая Вселенная и темная материя находятся в ненаблюдаемом, непрерывном ФВ. Поэтому обозначенный субстрат генетически предшествует физическим полям и веществу, он порождает их. Тогда вся Вселенная подчиняется пока еще не известным науке законам "вакуума". Даже самые малые изменения фундаментальных физических констант, формируемых ФВ, ведут к такому изменению теоретически мыслимых свойств Вселенной, что возникновение в ней жизни становится вообще невозможным. Этот факт послужил основой антропного принципа космологии, сформулированного в трудах А. Дирака, Г. М. Идлиса, Б. Картера, Р. Дике, А. Уиллера. Вселенная является глобальной средой обитания человека, ее параметры - это условия существования человека. Антропный принцип (АП) является наилучшим выражением взаимосвязи человека и Вселенной. Слабый АП ставит человека в зависимость от Вселенной, сильный, напротив, Вселенную - от человека. Человек, как часть мира, подчинен его законам, он зависит от всей окружающей его живой и неживой природы. АП установил связь крупномасштабных параметров Вселенной, фундаментальных констант микромира и свойств биосферы. Физика вакуума дает возможность понять механизм действия АП, устанавливающего связь жизни и разума с параметрами элементарных частиц. Существование Вселенной в ее нынешнем виде зависит -- и, весьма критически образом, -- от конкретных значений масс элементарных частиц и от величин констант фундаментальных взаимодействий. Их значения отражают свойства ФВ, и, более того, формируются ими. ФВ способен так реагировать на изменение условий во Вселенной, чтобы путем локальных изменений собственной структуры сохранять глобальную устойчивость Вселенной и обеспечивать свою эволюцию путем образования новых систем как в нем самом, так и в веществе. Материя Вселенной эволюционирует в результате согласования многочисленных параметров большого числа вакуумных подсистем. Тонкая подстройка на уровне ФВ приводит к направленности эволюционного процесса: к появлению живых систем, затем разума. То есть, ФВ можно рассматривать как "первооснову" Мира, обладающую "творческим" потенциалом организации и самоорганизации вещества. Таким образом, самоорганизацию можно представлять как свойство физического вакуума в его взаимодействии с меняющимися структурами вещества. ФВ - это среда со сложной структурой, которая изменялась в ходе эволюции Вселенной, перестраиваясь в ходе эволюции путем изменений состояния различных видов материи, взаимодействующих с ФВ, т. е. путем концентрации энергии в малых областях пространства. Поскольку на вакуумных структурах может записываться и храниться информация о каждом физическом процессе, то вакуум способен6 выполнять функции "наблюдателя-участника". Именно такие процессы, происходящие на уровне вакуума, способны привести к размножению вселенных. Очевидно, что и этот эффект определяется наличием у вакуума свойства самоорганизации.

Современные проблемы. Эксперименты по исследованию внутренней структуры нуклонов показали, что энергия движущихся кварков составляет менее половины массы нуклона, поставив т. о. задачу о природе массы материи. Можно считать, что все частицы материи -- u и d кварки и электроны, из которых состоит наш мир, приобретают свои массы за счет взаимодействия с вакуумными конденсатами. Субатомные частицы и вещество Вселенной - порождение ФВ, формирующего микроструктуру материи кварк-глюонной плазмы - симметричного, унифицированного "сырья" Вселенной после Большого взрыва. ФВ в виде "кваркового мешка" присутствует в модели нуклона , в процессе "раздувания" в теории "расширяющейся Вселенной", в теории "Сверхвеликого объединения" всех типов взаимодействий и т. д.

Принцип субстанциональной целостности мира как главный онтологический и гносеологический принцип утверждает, что мир - целое, все части которого порождения единой субстанции. Обнаруживается особая важность понятия физического вакуума, его правильной интерпретации для понимания физической реальности. Становится актуальной задача "выведения" и интерпретации важнейших физических понятий (а может быть, и некоторых понятий других наук) в рамках физико-вакуумной модели мира. Такая смена научных картин мира ведет к коренным изменениям нормативных структур исследования, философских оснований науки.

В поисках "первоначала" современная философия физики пришла к выводу о единстве, взаимообусловленности и замкнутости друг на друга микромира и мегамира. В физике вакуума возможно последовательное рассмотрение проблем фундаментальной физики и космологии. Процессы познания микро - и макромира имеют целью самосогласованное описание структуры и эволюции Вселенной и сходятся в свойствах ФВ. Змея, пожирающая свой хвост, символизирует круг проблем, к которому приходит современная физика в своем развитии. Фундаментальная взаимосвязь оснований космологии и физики микромира открывает принципиальную возможность исследовать эти основания в комплексном сочетании косвенных космологических, астрофизических и микрофизических эффектов. Понятие физического вакуума становится все более содержательным, его теоретическая применимость для объяснения огромного числа физических явлений и понимания физических абстракций постоянно растет. Понятие физический вакуум прочно вошло в фундаментальные физические теории. Проблема ФВ как субстрата становится предметом изучения современной физики и философии и требует дальнейшего развития и обобщения.

Размещено на Allbest.ru