Эта страница использует содержимое оригинального произведения Косинов Н. В., Гарбарук В. И., Поляков Д.В. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФЕНОМЕН ВАКУУМА - 3 ИЛИ ЧТО ЛЕЖИТ В ОСНОВЕ МИРОЗДАНИЯ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ВАКУУМА. в соответствии с принципом добросовестного использования. Не преследуя коммерческие цели, а только в исследовательских и учебных целях. Если Вы автор этой книги и размещение здесь данного переработанного материала нарушает Ваши авторские права сообщите нам это здесь Нарушение авторских прав - статья будет немедленно удалена.
Сама модификация и форма предоставления информации принадлежат
© Сергей Яковлев, 2008
Использование этой информации в коммерческих целях запрещенно. Но Вы можете копировать и перерабатывать данную статью в научных и образовательных целях, с последующим предоставлением результата на тех же правах. Для подробной информации см. Авторское право.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФЕНОМЕН ВАКУУМА[]
Научные и философские проблемы вакуума[]
Физический вакуум является особым видом материи, претендующим на первооснову мира. Физический вакуум стал предметом изучения физики благодаря усилиям известных ученых: П. Дирака, Р. Фейнмана, Дж. Уилера, У. Лэмба, де Ситтера, Г. Казимира, Г. И. Наана, Я. Б. Зельдовича, А. М. Мостепаненко В. М. Мостепаненко и др. Понимание физического вакуума как не пустого пространства сформировалось в квантовой теории поля. Теоретические исследования указывают на реальность существования в физическом вакууме энергии нулевых колебаний [3]. Поэтому внимание исследователей привлекают новые физические эффекты и феномены в надежде на то, что они позволят подступиться к океану вакуумной энергии. Достижению реальных результатов, в плане практического использования энергии физического вакуума, мешает непонимание его природы. Загадка природы физического вакуума остается одной из нерешенных проблем фундаментальной физики.
Ученые считают физический вакуум особым состоянием материи, претендующим на первооснову мира. В ряде философских концепций в качестве основы мира рассматривается категория "ничто". Ничто не считается пустотой, а рассматривается как "содержательная пустота". При этом подразумевается, что "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. Таким образом, "ничто" причисляется к ключевым категориям и отвергается принцип ex nigilo nigil fit (из “ничто” ничего не возникает). Философы древнего Востока утверждали, что наиболее фундаментальная реальность мира не может иметь никаких конкретных характеристик и, тем самым, напоминает небытие [4]. Очень похожими признаками современные ученые наделяют физический вакуум [4]. При этом, физический вакуум, будучи относительным небытием и "содержательной пустотой", является вовсе не самым бедным, а наоборот, самым содержательным, самым "богатым" видом физической реальности [4]. Считается, что физический вакуум, являясь потенциальным бытием, способен порождать все множество объектов и явлений наблюдаемого мира. Таким образом, физический вакуум претендует на статус онтологического базиса материи. Несмотря на то, что актуально физический вакуум не состоит из каких-либо частиц или полей, 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 теориях, но и в Природе и "ничто" и "нечто". Последнее существует как проявленное бытие – в виде наблюдаемого вещественно-полевого мира, а "ничто" существует как не проявленное бытие – в виде физического вакуума. В этом смысле, не проявленное бытие следует рассматривать как самостоятельную физическую сущность, обладающую наибольшей фундаментальностью.
Проявление свойств физического вакуума в экспериментах[]
Физический вакуум непосредственно не наблюдается, но проявление его свойств регистрируется в экспериментах. В физике известен ряд вакуумных эффектов. К ним относятся: рождение электронно-позитронной пары, эффект Лэмба-Ризерфорда, эффект Казимира, эффект Унру. 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 фотона на физический вакуум в поле ядра возникают вещественные частицы – электрон и позитрон.
В 1965 году В.Л. Гинзбург и С.И. Сыроватский указали на то, что ускоренный протон нестабилен и должен распадаться на нейтрон, позитрон и нейтрино. В ускоренной системе должен присутствовать тепловой фон различных частиц. Наличие этого фона известно как эффект Унру и связано с различным состоянием вакуума в покоящейся и ускоренной системах отсчета [10].
Эффект Казимира состоит в возникновении силы, сближающей две пластины, находящиеся в вакууме. Эффект Казимира указывает на возможность извлечения механической энергии из вакуума.
Перечисленные физические эффекты указывают на то, что вакуум не является пустотой, а выступает в качестве реального физического объекта.
Модели физического вакуума[]
В современной физике предпринимаются попытки представить физический вакуум различными моделями. Многие ученые, начиная с П. Дирака, пытались найти модельные представления, адекватные физическому вакууму. В настоящее время известны: вакуум Дирака, вакуум Уилера, вакуум де Ситтера, вакуум квантовой теории поля, вакуум Тэрнера-Вилчека и др.
Вакуум Дирака является одной из первых моделей. В ней физический вакуум представлен "морем" заряженных частиц, находящихся в самом низком энергетическом состоянии. На рис.2 показана модель электронно-позитронного физического вакуума - “море Дирака”. 3D модель процессов в море Дирака показана здесь.
Вакуум Уилера состоит из геометрических ячеек планковских размеров. Согласно Уилеру все свойства реального мира и сам реальный мир есть не что иное, как проявление геометрии пространства.
Вакуум де Ситтера представлен совокупностью частиц с целочисленным спином, находящихся в низшем энергетическом состоянии. 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:
Причина появления такого экзотического уравнения состояния связана с представлением вакуума многокомпонентной средой, в которой для компенсации сопротивления среды движущимся частицам введено понятие отрицательного давления.
Вакуум квантовой теории поля содержит в виртуальном состоянии всевозможные частицы. Эти частицы лишь на короткое время могут появляться в реальном мире и снова переходят в виртуальное состояние. На рис.4 показана модель вакуума квантовой теории поля. 3D модель процесса возникновения и исчезновения виртуальных частиц показана здесь.
Вакуум Тэрнера-Вилчека представлен двумя проявлениями – "истинным" вакуумом и "ложным" вакуумом. То, что в физике считается самым низким энергетическим состоянием, есть "ложный" вакуум, а истинно нулевое состояние находится ниже по энергетической лестнице. При этом считается, что "ложный" вакуум может переходить в состояние "истинного" вакуума.
Вакуум Герловина представлен несколькими проявлениями [11]. И.Л. Герловин разработал специфический вариант "Единой теории поля". Он назвал свой вариант данной теории – "Теория фундаментального поля". Теория фундаментального поля основана на физико-математической модели "расслоенных пространств". Физический вакуум, согласно теории фундаментального поля представляет собой смесь нескольких видов вакуума в соответствии с видом образующих их "голых" элементарных частиц. Каждый вид вакуума состоит из не проявляющих себя в "лабораторном" подпространстве элементарных частиц вакуума, каждая из которых состоит из фермион-антифермионной пары "голых" элементарных частиц. В теории фундаментального поля существует девять видов вакуума. Заметно проявляют себя в физическом мире только два вида вакуума, имеющие наибольшую плотность – протон-антипротонный вакуум и электрон-позитронный вакуум. По мнению Герловина основные свойства "лабораторного" физического вакуума, например, диэлектрическая проницаемость, определяются свойствами протон-антипротонного вакуума [11].
В [9] представлена фитонная модель вакуума. Предполагается, что невозмущенный вакуум состоит из вложенных друг в друга фитонов, имеющих противоположные спины. По мнению авторов этой модели в среднем такая среда нейтральна, обладает нулевой энергией и нулевым спином.
В [21] вакуум представлен квантовой жидкостью. Квантовая жидкость как модель физического вакуума состоит из фотонных частиц (ф – частиц). В этой модели фотонные частицы расположены в определенном порядке, наподобие кристаллической решетки.
В [22] вакуум представлен сверхтекучей жидкостью, состоящей из фермион-антифермионных пар с ненулевой массой покоя.
Существующие модели физического вакуума весьма противоречивы. Как отмечается в [5] большинство предложенных концепций и модельных представлений физического вакуума несостоятельны как в теоретическом, так и в экспериментальном планах. Это относится и к "морю Дирака", и к модели "расслоенных пространств", и к другим моделям. 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. Обилие различных модельных представлений вакуума указывает на то, что до сих пор отсутствует модель, адекватная реальному физическому вакууму.
Проблемы создания теории физического вакуума[]
Современная физика стоит на пороге перехода от концептуальных представлений о физическом вакууме к теории физического вакуума. Создание непротиворечивой теории физического вакуума требует прорывных идей, далеко выходящих за рамки традиционных подходов.
Реальность такова, что в рамках квантовой физики, породившей саму концепцию физического вакуума, теория вакуума не во всем удовлетворительна. Для построения теории физического вакуума важно получить ответ на вопрос: "какие константы относятся к физическому вакууму?". Предлагаются пять первичных суперконстант, от которых происходят фундаментальные физические и космологические константы. Эти константы могут быть отнесены к физическому вакууму.
В настоящее время преобладает концепция, в рамках которой считается, что вещество происходит из физического вакуума и свойства вещества проистекают из свойств физического вакуума. Такой концепции придерживались П. Дирак, Ф.Хойл, Я.Б.Зельдович, Э.Трайон и др. Я.Б. Зельдович исследовал даже более амбициозную задачу – происхождение всей Вселенной из вакуума [3]. 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 в равном количестве с веществом должно было появиться из физического вакуума.
Есть все основания считать, что создание теории физического вакуума позволит не только расширить знания об устройстве мира, но и прикоснуться к тайне его происхождения.
Тенденция в физических теориях[]
Современные физические теории, в попытках найти фундаментальные физические объекты, 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. Фундаментальные струны понимаются как 1-мерные объекты. Они бесконечно тонкие, а длина их порядка 10-33 см. Считается, что у физических объектов, имеющих меньшую размерность, больше оснований претендовать на фундаментальный статус.
Фундаментальные объекты в теории суперструн имеют планковские размеры. Тем не менее, пока нет убедительных доводов, что "планкеоны" или "суперструны" составляют основу мира. Нет оснований считать, что не существует объектов, имеющих размеры меньше планковских. В этом контексте следует заметить, что планковские естественные единицы не являются единственными. В физике известны константы Джорджа Стони [17, 26], образованные комбинацией констант G, c, e. Они имеют меньшие значения по сравнению с планковскими единицами, и вполне могут выступать конкурентами планковским единицам. Единицы Планка и единицы Стони исследовались в [25], где предложены новые системы естественных единиц, относящиеся к глубинным уровням организации материи в микромире ниже планковского уровня. Новые системы естественных единиц образованы гравитационной константой G, зарядом электрона e, скоростью света c, постоянной Ридберга R∞, постоянной Хаббла H0.
Критика концепции дискретного вакуума[]
Некоторые считают, что идеи о том, что какие-либо дискретные частицы могут составлять основу физического вакуума, вступают в противоречие с фундаментальными принципами физики, например, с 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.
Но такое не понимание концепций дискретного вакуума связанно с тем, что такие ученные применяют дискретность к сложно составным понятиям, а затем удивляются почему получилось несоответствие с реальностью.
Несмотря на то, что П. Дирак считал, что физический вакуум порождает дискретное вещество, некоторые предлагают другую концепцию:
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 гипотетических частиц. Вновь и вновь будет возникать задача выяснения происхождения дискретных частиц и, соответственно, поиска более фундаментальной сущности.
Применение такой словесной эквилибристики не должно нас вводить в заблуждение. Конечно, нужно отрываться от стереотипного понимания, но не доводя это до абсурда, когда четкие термины размываются не ясным содержанием. И конечно, же для моделей дискретного физического вакуума связь с теорией эфира очень отдаленная и скорее просто историческая. А поиск более фундаментальной сущности как раз зависит от того на сколько детальна проработана теория физического вакуума, а не от того, что эта теория базируется на дискретности величин. Ведь любую непрерывную величину можно всегда представить с должной точностью дискретными числами, весь вопрос в выборе маштаба. Поэтому вопрос не в том дискретна или непрерывна модель, а в том на сколько она описывает те взаимодейсвия которые происходят в природе. Наоборот, используя дискретную модель мы можем с достаточной точность рассчитать, промоделировать и ясно себе представить, то какие взаимодействия происходят в физическом вакууме.
Весь путь развития физики показал, что никакая частица не может претендовать на фундаментальность и выступать в качестве основы мироздания. Дискретность свойственна веществу. Вещество не имеет первичного статуса, оно происходит из физического вакуума, поэтому оно принципиально не может выступать в качестве фундаментальной основы мира.
А тут не нужно путать, то какую малость частиц с развитием техники обнаруживали ученные, с принципиальной картиной мироздания. Уже само то, что признается, что дискретность свойственна веществу, позволяет говорить о том, что на другой стороне у нас есть только иследование не-вещества, некой субстанции которую мы не можем наблюдать. И такое понимание о физическом вакууме не вносит ни какой ясности.
Физический вакуум - принципиально ненаблюдаемая среда - это прямое следствие его непрерывности. Наблюдаемыми являются только вторичные проявления физического вакуума – поле и вещество. Для континуального физического объекта нельзя указать никаких других свойств, кроме свойства непрерывности. К континуальному объекту неприменимы никакие меры, это антипод всему дискретному.
Здесь можно лишь сказать, что такое представление о непрерывном физическом вакууме превращает науку в религию.
Даже сейчас еще можно услышать следующие заявления о критериях фундаментальности:
В связи с тем, что физический вакуум претендует на фундаментальный статус, он должен обладать наибольшей общностью и ему не должны быть присущи частные признаки, характерные для множества наблюдаемых объектов и явлений. На фундаментальный статус может претендовать такая сущность, которая лишена каких-либо признаков, мер, структуры и которую принципиально нельзя моделировать, поскольку любое моделирование предусматривает использование дискретных объектов и наделение моделируемого объекта конкретными признаками и мерами. Не быть составным – это означает не содержать в себе ничего, кроме самого себя, т.е. быть целостным объектом. Относительно второго условия идеальным должно быть требование - совсем не иметь признаков. Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений – это означает не обладать признаками частных, конкретных объектов, поскольку любая конкретизация сужает общность. Быть потенциально всем, а актуально ничем – это означает оставаться ненаблюдаемым и одновременно быть основой всему сущему. Не иметь никаких мер – это означает быть континуальным объектом.
Здесь стоит только заметить, что такие возрения непременно скатываются к религии, и провозглошению бессконечного Бога. И за всей этой полемикой скрывается псевдонаучные возрения о континуальном вакууме, где объект исследования не может быть наблюдаемым, т.е. ни как себя не проявляет, а представление о его структуре заменяется размытыми понятиями о непрерывности. А говорить о какой-либо эксперементальности вообще не приходится, т.к. признается, что для этого необходимо использовать дискретные модели. Поэтому получаем, что как раз только дискретные модели вакуума могут претендовать на статус научности. Поэтому аргументы аналогичные приведенным в предыдущем разделе не могут считаться объективными и строго научными.