Вакуум и его роль в эволюции Вселенной

 

Итак, очевидно, что исходное состояние перед «началом» не является точкой в математическом смысле. Оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений сегодняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состояние было неустойчивым, породившим взрыв – скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее. В нем было нарушено все, что нам привычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого при последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок. Первоначальный хаос оказался неустойчивым, что и послужило исходным толчком для всего дальнейшего развития Вселенной.

Еще Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты – абсолютно однородного пространства, разделяющего атомы и тела, в которые те соединяются. Современная наука на новом уровне интерпретирует идеи Демокрита. Его представление об атомах трансформировалось в физику микромира, но демокритовское представление о пустоте как о среде, разделяющей частицы, изменилось кардинально. Эта среда не является абсолютной пустотой, она вполне материальна и обладает весьма своеобразными свойствами, пока еще малоизученными. По традиции эта среда, неотделимая от вещества, продолжает называться пустотой, вакуумом.

Вакуум – это пространство, в котором отсутствуют реальные частицы и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме.

Казалось бы, раз нет реальных частиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергия, даже минимальная. Но это представление пришло из классической физики. Квантовая же теория, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает его. Мы помним, что принцип неопределенности утверждает невозможность точного одновременного определения напряженности поля и числа частиц. Раз число частиц равно нулю, то напряженность поля равняться нулю не может, иначе оба параметра будут известны и принцип неопределенности будет нарушен. Поэтому напряженность поля в вакууме представляет собой флуктуационные колебания около нулевого значения. Соответствующая этим колебаниям энергия будет минимально возможной.

В соответствии со свойством корпускулярно-волнового дуализма колебания полей обязаны порождать частицы. И здесь мы сталкиваемся еще с одним парадоксом микромира. Квантовые эффекты могут на очень короткое время приостанавливать действие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при этом частицы будут короткоживущими, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не менее, частицы могут фактически возникнуть из ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть, и эту скоротечную деятельность невозможно предотвратить. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность виртуальных частиц, аналогичных переносчикам взаимодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов.

Таким образом, «пустой» вакуум оказывается заполненным виртуальными частицами. Он не безжизнен и безлик, а полон энергии. А то, что мы называем частицами, – всего лишь редкие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности целого моря активности.

Современные теории предполагают, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Вакуум может быть возбужденным и может находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями. При этом разным энергетическим уровням вакуума соответствуют разности отрицательных давлений, так как для квантового вакуума характерно наличие сил отталкивания.