Новые представления о физическом вакууме

 

Фундаментальные бозоны, сущность которых была раскрыта выше, представляют собой возбуждения силовых полей. Совокупность полей в основном (невозбужденном) состоянии образует по современным представлениям физический вакуум. В прежних картинах мира вакуум рассматривался просто как пустота, как состояние ультраразреженного газа, в котором столкновения между молекулами относительно редки.В современной физической картине мира – это не пустота в обычном понимании, а основное состояние физических полей.Физический вакуум как бы наполнен виртуальными частицами. Понятие «виртуальная частица»тесно связано с соотношением неопределенностей для энергии и времени. Она принципиально отличается от обычной частицы, которую можно наблюдать в эксперименте.

Виртуальные частицы появляются сами по себе и тут же исчезают, считается, что они не требуют затрат энергии. В физике нередко встречаются реально существующие частицы, временно ничем себя не проявляющие. Например, атом в основном состоянии не испускает излучения. При отсутствии внешнего воздействия он останется ненаблюдаемым. Говорят, что виртуальные частицы также ненаблюдаемы. Но они ненаблюдаемы до тех пор, пока на них определенным образом не подействовать. Когда же они сталкиваются с реальными частицами, имеющими соответствующую энергию, то происходит рождение новых реальных частиц, т.е. виртуальные частицы превращаются в реальные.

Теория физического вакуума в настоящее время находится в состоянии становления. Теоретики квантовой физики считают, что физический вакуум представляет собой состояние физического пространства с низким энергетическим уровнем. Это пространство насыщено флуктуациями различных видов полей: электрических, магнитных и гравитационных. В этом пространстве рождаются и уничтожаются виртуальные частицы. В этом смысле физический вакуум обладает определенной энергией, соответствующей энергии основного состояния, которая постоянно перераспределяется между виртуальными частицами. Но воспользоваться энергией вакуума не представляется возможным, потому что здесь имеет место самое низкое энергетическое состояние полей, соответствующее самой минимальной энергии. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей – тогда будут наблюдаться обычные частицы. С точки зрения возможности воздействия на физический вакуум внешним источником энергии обычный электрон представляется как бы окруженным облаком виртуальных фотонов. Обычный фотон существует вместе с виртуальными электрон-позитронными парами. Точно так же каждый нуклон окружен облаками мезонов, которые существуют очень недолго.

При некоторых обстоятельствах виртуальные мезоны могут превратиться в реальные нуклоны. Виртуальные частицы спонтанно возникают из пустоты и снова в ней растворяются, даже если рядом нет других частиц, которые могут участвовать в сильных взаимодействиях. Это также свидетельствует о неразрывномединстве вещества и пустого пространства. Вакуум содержит бесчисленное множество беспорядочно возникающих и исчезающих частиц. Связь между виртуальными частицами и вакуумом имеет динамическую природу.В его динамизме, пульсациях берут начало бесконечные ритмы рождений и разрушений, стабильности и изменений.

Как показывают эксперименты, виртуальные частицы в вакууме вполне реально воздействуют на реальные объекты, например на элементарные частицы. Физики знают, что отдельные виртуальные частицы вакуума невозможно обнаружить, но их суммарное воздействие на обычные частицы экспериментально доказано. Все это соответствует принципу наблюдаемости.

Открытие динамической сущностивакуума является одним из важнейших достижений современной физики. Физический вакуум принимает непосредственное участие в формировании качественных и количественных свойств физических объектов. Такие свойства микрообъектов, как спин, масса, заряд, барионное число, лептонное число, странность, проявляются именно при взаимодействии с вакуумом. Поэтому любой физический объект во времени может рассматриваться как событие, элемент космической эволюции Вселенной, а вакуум считаться мировым материальным фоном.

Современная физика показывает, что на уровне микромира материальные тела не имеют собственной сущности, они неразрывно связаны со своим окружением: их свойства могут восприниматься только как результат их взаимодействия с окружающим миром. Неразрывное единство мироздания проявляется не только в мире бесконечно малого, но и в миресверхбольшого.Такой взгляд на окружающий мир получает признание в современной физике и космологии.

В отличие от предыдущих картин мира современная естественно- научная картина рассматривает мир на существенно более высоком, более фундаментальном уровне. Атомистическая концепция присутствовала во всех прежних картинах мира, но только в XX в. удалось создать теорию атома, позволившую объяснить периодическую систему элементов, образование химической связи и т.д. Современные достижения науки объяснили мир микроявлений, исследовали необычные свойства микрообъектов и радикальным образом воздействовали на устоявшиеся представления, которые формировались веками, заставили кардинально изменить вид современной естественно-научной картины мира.

В прежних картинах мира преувеличивалась роль механических движений, все сводилось к законам механики, а затем – к законам электромагнетизма. Современная физическая картина мира была усовершенствована в результате достижений современных наук: квантовой физики и механики, астрофизики, физики атомного ядра и элементарных частиц. В ее основе лежат взаимопревращения частиц, вероятностный характер процессов и их результатов, многообразие явлений. Основанная на вероятностных законах, современная картина мира динамична; она значительно точнее, чем прежние картины, отражает единство и противоречивость действительности.

Ранее вещество, поле и вакуум рассматривались раздельно. В современной картине мира вещество, как и поле, состоит из элементарных частиц, которые взаимодействуют друг с другом,взаимопревращаются.Вакуум рассматривается в качестве одной из разновидностей материи, состоящей из виртуальных частиц, взаимодействующих друг с другом и с обычными частицами. Здесь исчезает граница между веществом, полем и вакуумом. На фундаментальном уровне все границы в природе оказываются условными.

В современной картине мира физика тесно объединяется с другими естественными науками. Она фактически сливается с химией и выступает в тесном союзе с биологией, поэтому эту картину мира называют естественно-научной. Для нее характерно размывание границ, стирание граней. Здесь пространство и время выступают как единый пространственно-временной континуум, масса и энергия взаимосвязаны между собой, волновое и корпускулярное движение объединяются и образуют единый объект, для вещества и поля свойственно взаимное превращение. Исчезают границы между традиционными разделами внутри самой физики, и такие далекие дисциплины, как физика элементарных частиц и астрофизика, оказываются настолько связанными, что это может свидетельствовать о единстве мира, о новом качественном и количественном развитии в космологии.

Окружающий нас мир состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых подчиняется общим закономерностям. Он начинает свою историю, в общих чертах известную современной науке, от Большого взрыва. Науке известны отдельные даты эволюции Вселенной от Большого взрыва до наших дней. Научные достижения раскрывают механизм этой эволюции. Краткая хронология наиболее важных событий приведена в табл. 4.1.

Таблица 4.1