Физический вакуум

Содержание 

Введение 

Загадка природы физического  вакуума                                         1

Философские проблемы вакуума                                                   2  

Модельные представления  физического вакуума      3

Проблемы создания теории физического вакуума      4

Несостоятельность концепции  дискретного вакуума                  5

Новое понимание сущности физического вакуума                      6

Закон уменьшения энтропии. S-теорема Климонтовича             7

Выводы

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Исследуется проблема природы  физического вакуума. Рассматриваются  требования, при удовлетворении которых  физический вакуум может быть отнесен  к наиболее фундаментальному виду физической реальности. Делается вывод, что физический объект, претендующий на фундаментальный  статус, должен обладать свойством  непрерывности. В этом случае он обладает наибольшей общностью и не имеет  ограничений, свойственных множеству  объектов и явлений, имеющих вторичный  статус. Физический вакуум, обладающий свойством непрерывности, расширяет  класс известных физических объектов. Вещество и вакуум соотносятся между  собой как взаимодополняющие  противоположности, они находятся  в отношениях дополнительности, соответствующих принципу дополнительности Н.Бора. Новый подход к изучению физического вакуума открывает S-теорема Климонтовича. Закон уменьшения энтропии дает ключ к разрешению фундаментальной коллизии непрерывности и дискретности, которая до сих пор не нашла своего решения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 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, 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 истинно 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 настоящее 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.