Концепция вакуума в современной физике реферат

Обновлено: 05.07.2024

Торсионные поля. Экспериментальные подтверждения существования.

Выполнил: Калистратова Алина Александровна, Э9-11Б

Проверил: Левин Виктор Петрович

Физический вакуум. Торсионные поля и инерционные поля.……..………….…..3
Экспериментальные доказательства существования физического вакуума и торсионных полей…………………………………………………. ………………..5
Торсионные технологии. Применение торсионных полей………………………..7
1. Торсионные методы передачи информации……………………………………. 7
2. Торсионные методы в металлургии………………………………………………8
3. Вакуумно-торсионная энергетика………………………………………………..9
4. Торсионные движители…………………………………………………………..10
1. Физический вакуум. Торсионные поля и инерционные поля.
В современной научно-технической литературе в основном рассматриваются четыре фазовых состояния вещества: твердое тело, жидкости, газы, а также элементарные частицы и различные поля. Однако Всеобщий принцип относительности, а также многочисленные расхождения результатов экспериментов с представлениями современных теорий фундаментальных физических взаимодействий (см. далее) указывают на несовершенство современных представлений. Согласно Шипову Г.И [1], возможно выделить семь уровней реальности (Рис.1), в которые включены четыре ранее упомянутых состояния.

где – физический базис (система отсчёта); – торсионное поле, порождающее кручение псевдоевклидовой геометрии; – тензор Римана, описывающий кривизну псевдоевклидовой геометрии.
1. Виртуальные торсионные поля способны переносить информацию, но не переносить энергию;
2. Информация передаётся со скоростью, превышающей скорость света;
3. Такие торсионные поля способны распространяться как в прошлое, так и в будущее.
Существует ряд вопросов, на которые до сих пор нет точного ответа: реальны ли силы инерции?; что является их источником?; являются ли они внешними или внутренними?

Силы инерции наблюдаются в ускоренных системах отсчёта, поэтому И. Ньютон, Л.Эйлер, А.Эйнштейн и многие другие учёные и исследователи обозначали эти силы как реальные. Из многочисленных опытов также следует, что при ускоренном движении возникает поле сил инерции, которое может стать предметом изучения. Следовательно, и существование торсионных полей может быть подтверждено как теоретически, так и экспериментально.

Рис.2. Эксперимент Н.А.Козырева по наблюдению сверхсветовых сигналов
Возможное исследование и обоснование данного явления можно провести, основываясь на теории физического вакуума, так как среди всех известных физических полей только первичные (виртуальные) торсионные поля могут быть причиной эффекта появления фантома звезды. Торсионные поля обладают свойствами, необходимыми для анализа природы явления: для них не существует понятия скорости, поскольку они есть (если это так) всегда и в любой точке пространства; они не обладают энергией, но переносят информацию [1].

Рис. 3. Воздействие торсионного поля на кристаллы KCl

Образцы: а – контрольный; б – облучённый торсионным полем.

Торсионное излучение, имеющее высокую проникающую способность, оказывают воздействие и на материальные среды, вступая во взаимодействие с их спиновой структурой. По предположению, в результате помещения среды в торсионное поле спины атомов должны выстроиться в соответствии с направлением поля. Данная гипотеза подтвердилась экспериментально в результате облечения кристаллов KCl (рис.3). Первоначальный, контрольный образец с различными кристаллами, расположенными в хаотическом порядке, расположили так, чтобы под воздействие торсионного поля попадала средняя часть чашки. На рис. 3,б видно, что там, где на вещество воздействовало торсионное поле, кристаллы стали более однородными и более мелкими, образовав при этом сплошную зону покрытия.

Воздействие торсионных полей на материальные среды также можно проследить на опыте с расплавами в печи Таммана. Особенностью данной установки является цилиндр, в который помещён расплавляемый металл. Он изготовлен из малоуглеродистой ферромагнитной стали, весь корпус заземлён а торцы закрыты водоохлаждаемыми крышками. Благодаря такой оболочке расплавляемый металл полностью изолирован из внешнего воздействия электростатических и электромагнитных полей.

В первом опыте медь не подвергалась действию со стороны торсионных полей. После получения слитков из переплавленного металла была рассмотрена их внутренняя структура, которая отличалась зернистостью и крупной фрагментацией. Во втором опыте рядом с цилиндром был установлен торсионный генератор. Торсионные поля, обладая высокой проникающей способностью, облучали металл во время его плавления, из-за чего структура итогового слитка оказалась более однородной, с менее выраженной зернистостью. Кроме того, в результате эксперимента выяснилось, что по сравнению с контрольным образцом прочность и пластичность металла, подвергшегося торсионному воздействию, увеличились.
1. Торсионные технологии. Применение торсионных полей.
Несмотря на то, что изучение торсионных полей началось сравнительно недавно и продолжает развиваться в достаточно медленных темпах из-за сложности восприятия и, в основном, интуитивного изучения данной тематики, поля физического вакуума начали находить применение в различных отраслях.

Уникальные свойства торсионных полей позволяют реализовывать торсионную связь. Наиболее важными из них являются следующие свойства:

1) Прохождение через некоторые физические среды без взаимодействий с ними (или с малыми потерями). Это позволяет осуществлять передачу информации через подводные, подземные каналы и т.д.

2) Возможно, что скорость распространения торсионных волн может превышать скорость света вплоть до бесконечности.

3) Точная зависимость интенсивности полей от пройденного расстояния в данное время не установлена. Эксперименты показывают, что данная зависимость отсутствует.

Впервые в мире передача информации в виде двоичных сигналов была проведена в г. Москва в 1986 году. В ходе эксперимента сначала сигнал передавался в плотно застроенной части города на расстояние 20 километров, после чего дистанция между передатчиком и приёмником была сокращена до минимума (отсутствие поглощающих сред). Принятые торсионные сигналы в обоих случаях не отличались по интенсивности. В результате проведённых практических испытаний была продемонстрирована дистанционная передача информации по торсионному каналу, а также передача торсионных сигналов через поглощающие среды без ослабления при малых мощностях передатчика [1]. Успешный эксперимент показал возможность дальнейшего развития торсионных методов и средств передачи информации.

Рис. 5. Микроструктура литой меди (увел. 100).

Образцы: a – до облучения; б – после облучения торсионным излучением.
На рисунке 5,б представлена структура образца меди обработанного торсионным полем. На первый взгляд поверхность выглядит рыхлой, однако при дальнейшем увеличении никакие примесные элементы не наблюдаются, внутри зерён прослеживается мелкодисперсная фрагментация. Медь, обработанная торсионным излучением, обладает высокой технологической пластичностью, это позволяет в дальнейшем катать медь без промежуточных отжигов, необходимых для удаления наклёпа. Опытным путём доказано, что торсионное воздействие повышает пластические и прочностные характеристики металла. Впоследствии это сокращает расходы на дополнительные способы обработки материалов и увеличивает прочность конструкций, для которых обработанным металл будет являться исходным сырьём.

Энергетическая установка, которая представляет из себя вечный двигатель второго рода, вполне возможна в теории физического вакуума, что связано с наличием отрицательных энергий в вакууме. Кроме того, современная теоретическая физика не отрицает наличие большой энергии, заключённой в вакууме (энергии флуктуации). Установка, которая будет помещена в среду физического вакуума и которая сможет черпать из него энергию, будет иметь КПД, во много раз превышающий показатель в 100%.

В настоящее время уже существуют установки, представляющие из себя пример открытых систем, взаимодействующих с физическим вакуумом. Общим для всех реально действующих установок является наличие в них вращающихся элементов, что указывает на их связь с торсионными полями и вращательной относительностью [1].
3.4. Торсионные движители

На основе торсионного поля и сил инерции начинают создаваться транспортные средства, основой которых является вращение каких-либо сред: твёрдых тел, газов и т.д. Вращение сред является источником управляемых сил инерции, действующих на центр масс установки. При этом скорость и направление движение напрямую зависит от параметров вращения среды.

Рис.6. Пример инерциода Толчина.
Впервые устройства, в основе которых лежат торсионные движители, были предложены В.Н.Толчиным в 30-ых годах XX века. Именно он ввёл термин инерциоид для описания созданных установок. Теоретическое обоснование движения таких установок в современной физике найти не удалось. Возможно, именно теория физического вакуума и торсионные поля являются единственным обоснованием работы данных транспортных средств.

Торсионные движители отличаются от обычных транспортных средств тем, что у них отсутствует внешняя опора. Это делает возможным беспрепятственное перемещение в любой среде с максимальным КПД достигающим 80-90% [1]. Более того, уже сейчас современные теоретические разработки указывают на возможность преодолевать не только расстояния, но и время путём изменения топологических свойств пространства-времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время теме физического вакуума посвящено множество научных трудов, в целях изучения свойств торсионных полей было проведено множество опытов и экспериментов. Несомненно, они составляют базу для дальнейших исследований, однако современная физика всё ещё знает достаточно мало о природе физического вакуума. Но уже сейчас широкое применение и уникальные особенности, свойственные торсионным полям, являются причиной будущих изысканий исследователей.

Современные представления о "пустоте" (физическом вакууме). Основные виды существования материи в современной физике. Экспериментальное и теоретическое изучение свойств вакуума. Интерпретация физических понятий в рамках физико-вакуумной модели мира.

Рубрика Физика и энергетика

Вид статья

Язык русский

Дата добавления 13.08.2013

Размер файла 19,8 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Проблема физического вакуума в современной физике и космологии

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.

Понятие вакуум в истории философии и науки обычно употреблялось для обозначения пустоты, "пустого" пространства, т.е. "чистой" протяженности, абсолютно противопоставляемой телесным, вещественным образованиям. Последние рассматривались как чистые вкрапления в вакуум. Такой взгляд на природу вакуума был свойственен древнегреческой науке, основоположниками которой являлись Левкипп, Демокрит, Аристотель. Атомы и пустота - две объективные реальности, фигурировавшие в атомистике Демокрита. Пустота так же объективна, как и атомы. Только наличие пустоты делает возможным движение. Эта концепция вакуума получила развитие в работах Эпикура, Лукреция, Бруно, Галилея и др. Наиболее развернутую аргументацию в пользу вакуума дал Локк.

Концепция вакуума была наиболее полно раскрыта с естественнонаучной стороны в учении Ньютона об "абсолютном пространстве", понимаемом как пустое вместилище для материальных объектов. Но уже в 17 веке все громче раздаются голоса философов и физиков, отрицающих существование вакуума, так как неразрешимым оказался вопрос о природе взаимодействия между атомами. По Демокриту, атомы взаимодействуют друг с другом только путем непосредственного механического контакта. Но это вело к внутренней противоречивости теории, так как устойчивый характер тел мог быть объяснен только непрерывностью материи, т.е. отрицанием существования пустоты, исходного пункта теории. Попытка Галилея обойти это противоречие, рассматривая малые пустоты внутри тел как связующие силы, не могла привести к успеху в рамках узкомеханистической трактовки взаимодействия. С развитием науки, в дальнейшем эти рамки были сломаны, - был предложен тезис о том, что взаимодействие может передаваться не только механическим путем, но и электрическими, магнитными и гравитационными силами. Однако это не решило проблемы вакуума. Боролись две концепции взаимодействия: "дальнодействия" и "близкодействия". Первая основывалась на возможности бесконечно большой скорости распространения сил через пустоту. Вторая требовала наличия некоторой промежуточной, непрерывной среды. Первая признавала вакуум, вторая его отрицала. Первая метафизически противопоставляла вещество и "пустое" пространство, вносила в науку элементы мистики и иррационализма, вторая же исходила из того, что материя не может действовать там, где ее нет. Опровергая существование вакуума, Декарт писал: ". что касается пустого пространства в том смысле, в каком философы понимают это слово, то есть такого пространства, где нет никакой субстанции, то очевидно, что в мире нет пространства, которое было бы таковым, потому что протяжение пространства как внутреннего места не отличается от протяжения тела".

Отрицание вакуума в работах Декарта и Гюйгенса послужило отправной точкой для создания физической гипотезы эфира, продержавшейся в науке до начала 20-го века. Развитие в конце 19-го века теории о поле и появление в начале 20-го века теории относительности окончательно "похоронило" теорию "дальнодействия". Была разрушена и теория эфира, так как было отвергнуто существование абсолютной системы отсчета. Но крушение гипотезы существования эфира не означало возврата к прежним представлениям о наличии пустого пространства: сохранились и получили дальнейшее развитие представления о физических полях. Проблема, поставленная еще в античные времена, решена практически современной наукой. Вакуумной пустоты не существует. Наличие "чистой" протяженности, "пустого" пространства противоречит основным положениям естествознания. Пространство не есть особая сущность, обладающая бытием наряду с материей. Как материя не может быть лишена своих пространственных свойств, так и пространство не может быть "пустым", оторванным от материи. Этот вывод находит свое подтверждение и в квантовой теории поля.

Открытие У.Лэмбом сдвига уровней атомных электронов и дальнейшие работы в этом направлении привели к пониманию природы вакуума как особого состояния поля. Это состояние характеризуется наименьшей энергией поля, наличием нулевых колебаний поля. Нулевые колебания поля проявляются в виде экспериментально обнаруженных эффектов. Следовательно, вакуум в квантовой электродинамике обладает рядом физических свойств и не может рассматриваться как метафизическая пустота. Более того, свойства вакуума определяют свойства окружающей нас материи, а сам по себе физический вакуум является исходной абстракцией для физики.

Эволюция взглядов на проблему физического вакуума

С древнейших времен, со времени появления физики и философии как научной дисциплины умы ученых беспокоила одна и та же проблема - что есть вакуум. И, несмотря на то, что к настоящему моменту многие загадки строения Вселенной решены, до сих пор остается нерешенной загадка вакуума - что он из себя представляет. В переводе с латыни вакуум - пустота, но стоит ли называть пустотой то, что таковой не является?

Греческая наука первой ввела четыре первоэлемента, образующих мир - вода, земля, огонь и воздух. Каждая вещь на свете для них была сложена из частиц одной или сразу нескольких этих стихий. Дальше перед философами возник вопрос: может ли существовать место, где нет ничего - ни земли, ни воды, ни воздуха, ни огня? Существует ли подлинная пустота?

Левкипп и Демокрит, жившие в 5 в. до н. э. пришли к выводу: все в мире состоит из атомов и разделяющей их пустоты. Пустота по мнению Демокрита позволяла двигаться, развиваться и совершать любые изменения, поскольку атомы неделимы. Таким образом, Демокрит первым отвел вакууму ту роль, которую он играет в современной науке. Он же поставил проблему сущего и небытия. Признавая сущее (атомы) и небытие (вакуум), он говорил, что и то, и другое является материей и причиной существования вещей на равных правах. Пустота, по мнению Демокрита также являлась материей, причем разница в весе вещей определялась разным количеством пустоты, содержащейся в них.

Аристотель, считал, что пустоту можно представить, но она не существует. В противном случае считал он, становится возможной бесконечная скорость, а ее в принципе существовать не может. Следовательно, пустоты не существует. Кроме того, в пустоте не было бы никаких различий: ни верха, ни низа, ни правого, ни левого - все в ней находилось бы в полном покое. В пустоте все направления окажутся равноправными, она никак не влияет на помещенное в нее тело. Таким образом, движение тела в ней не определяется ничем, а этого быть не может. Далее понятие вакуума было заменено понятием эфира. Эфиром является некая божественная субстанция - нематериальная, неделимая, вечная, свободная от присущих элементам природы противоположностей и поэтому качественно неизменная. Эфир - всеобъемлющий и поддерживающий элемент мироздания.

Как видно, древняя научная мысль отличалась определенным примитивизмом, однако она обладала и некоторыми преимуществами. В частности, ученые древности не были скованы рамками экспериментов и расчетов, поэтому они стремились к пониманию мира в большей степени, чем к его преобразованию. Но во взглядах Аристотеля уже появляются первые попытки понять строение материи, которая нас окружает. Он определяет некоторые ее свойства, исходя из качественных предположений.

Теоретическая борьба с пустотой продолжалась и в средние века. ". Я утвердился во мнении, - подвел итог своим опытам Блэз Паскаль, - которое всегда разделял, а именно, что пустота не есть что-либо невозможное, что природа вовсе не избегает пустоты с такой боязнью, как это многим кажется". Опровергнув опыты Торричелли с получением пустоты "искусственно", он определил место пустоты в механике. Появление барометра, а затем и воздушного насоса является практическим результатом этого. Первым же, кто определил место пустоты в классической механике, был Ньютон. По Ньютону, небесные тела погружены в абсолютную пустоту. И она всюду одинакова, в ней отсутствуют различия. Фактически Ньютон для обоснования своей механики привлек то, что Аристотелю не позволяло признать возможность пустоты. Таким образом, существование пустоты было уже доказано экспериментально, и даже положено в основу самой влиятельной в то время физико-философской системы. Но, несмотря на это, борьба с этой идеей разгорелась с новой силой. И одним из тех, кто решительно не был согласен с идеей существования пустоты, был Рене Декарт.

Предсказав открытие пустоты, он заявил, что это не настоящая пустота: " Мы считаем сосуд пустым, когда в нем нет воды, но на самом деле в таком сосуде остается воздух. Если из "пустого" сосуда убрать и воздух, в нем опять что-то должно остаться, но это "что-то" мы просто не почувствуем. ". Декарт пытался оттолкнуться от понятия пустоты, введенного ранее, дал ей имя эфир, которое использовалось еще древнегреческими философами. Он понимал, что называть вакуум пустотой неправильно, ибо он не является пустотой, в прямом смысле этого слова. Пустоты абсолютной, по Декарту, не может быть, поскольку протяженность есть атрибут, непременный признак и даже сущность материи; а раз так, то всюду где есть протяженность - то есть само пространство - должна существовать и материя. Именно поэтому он упорно отталкивался от понятия пустоты.

Материя бывает, как утверждал Декарт, трех родов, состоит из трех видов частиц: земли, воздуха и огня. Частицы эти "разной тонкости" и двигаются по-разному. Поскольку абсолютная пустота невозможна, то всякое движение любых частиц приводит на их место другие, и вся материя находится в непрерывном движении. Из этого Декарт делает вывод, что все физические тела - результат вихревых движений в несжимаемом и нерасширяющемся эфире. Эта гипотеза, красивая и эффектная, оказала огромное влияние на развитие науки. Идея представить тела (и частицы), как некие вихри, сгущения в более тонкой материальной среде оказалась очень жизнеспособной. А то, что элементарные частицы следует рассматривать как возбуждения вакуума, - признанная научная истина. Но, тем не менее, такая модификация эфира, ушла с физической сцены, ибо была слишком "философской", и пыталась объяснить сразу все в мире, наметив строение мироздания.

Отношение к эфиру Ньютона заслуживает отдельного упоминания. Ньютон то утверждал, что эфир не существует, то наоборот боролся за признание этого понятия. Эфир был незримой сущностью, одной из тех сущностей, против которых категорически и весьма последовательно возражал великий английский физик. Он исследовал не виды сил и их свойства, а их величины и математические соотношения между ними. Его всегда интересовало то, что можно определить при опыте и измерить числом. Знаменитое "Гипотез не измышляю!" означало решительный отказ от домыслов, не подтвержденных объективными опытами. И в отношении к эфиру Ньютон не проявлял такой последовательности. Происходило это вот почему. Ньютон не только верил в бога, - вездесущего и всемогущего, но и не мог представить его себе иначе, чем в виде особой субстанции, пронизывающей все пространство и регулирующей все силы взаимодействия между телами, а тем самым - все движения тел, все, что происходит в мире. То есть бог - эфир. С точки зрения церкви - это ересь, а с точки зрения принципиальной позиции Ньютона - домысел. Поэтому Ньютон не смеет писать об этом убеждении, а только изредка высказывает его в беседах. Но авторитет Ньютона прибавил значимости понятию эфира. Современники и потомки обратили больше внимания на высказывания физика, которые утверждали о существовании эфира, чем на те, что отрицали его существование.

Под понятием "эфир" в ту пору подводилось все, что, как мы знаем теперь, вызывается гравитационными и электромагнитными силами. Но поскольку другие фундаментальные силы мира до возникновения атомной физики практически не изучались, то с помощью эфира брались объяснить любое явление и любой процесс. Слишком многое возлагалось на эту загадочную материю, что даже реальное вещество не в состоянии было оправдать такие надежды и не разочаровать исследователей.

Надо заметить и еще об одной роли эфира в физике. Эфир пытались использовать, чтобы объяснить идеи мирового единства, для связи между частями Вселенной. Эфир в течение столетий служил для многих физиков средством в борьбе против возможности дальнодействия - против той идеи, что сила может передаваться от одного тела к другому через пустоту. Еще Галилей твердо знал, что энергия от одного тела к другому переходит при непосредственном их соприкосновении. На этом принципе основаны законы механики Ньютона. Между тем сила тяготения, оказывалось, действует вроде бы через пустое космическое пространство. Значит, оно не должно быть пустым, значит, его сплошь заполняют некие частицы, передающие силы от одних небесных тел к другим или даже сами своими движениями обеспечивающие действие закона всемирного тяготения.

В 19-м веке идея эфира стала на время теоретической основой для активно развивающейся области электромагнетизма. Электричество стали рассматривать, как некую жидкость, которую можно было отождествить лишь с эфиром. При этом всячески подчеркивалось, что электрическая жидкость - одна-единственная. Уже в ту пору крупнейшие физики не могли примириться с возвращением к множеству невесомых жидкостей, хотя в науке вопрос о том, что эфиров несколько, поднимался не раз. К концу 19-го века эфир, можно сказать, стал общепризнан, - о том, что он есть, не спорили. Другой вопрос, что никто не знал, что он себя представляет. Джеймс Клерк Максвелл с помощью механической модели эфира объяснял электромагнитные воздействия. Магнитное поле согласно построениям Максвелла возникает потому, что его создают крошечные эфирные вихри, нечто вроде тоненьких вращающихся цилиндров. Чтобы цилиндры не соприкасались между собой и не мешали друг другу вертеться, между ними были помещены мельчайшие шарики (наподобие смазки). И цилиндры, и шарики были эфирные, но шарики при этом играли роль частиц электричества. Модель была сложной, но демонстрировала и объясняла привычным механическим языком множество характерных электромагнитных явлений. Считается, что Максвелл вывел свои знаменитые уравнения, опираясь на гипотезу об эфире. В дальнейшем, обнаружив, что свет - разновидность электромагнитных волн, Максвелл отождествил "светоносный" и "электрический" эфир, которые одно время существовали параллельно.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
на тему: Физический вакуум

Материальное квантовое поле

Современная теория поля придерживается материалистических взглядов на природу физического вакуума, рассматривая его как невозбужденное состояние полевой материи, что позволяет с единой точки зрения представить природу различных полевых процессов. Физический вакуум, представляя полевую форму материи, может оказывать давление на вещественную материю, что наблюдается экспериментально в эффекте Казимира. Таким образом, то, что физический вакуум представляет одну из форм материи - это экспериментальный факт.

Физическая энциклопедия. ФИЗИКА.

Т.е. физический вакуум - это полевой вид материи, находящейся в невозбужденном состоянии. "Вакуумное состояние поля" правильнее называть "скалярным состоянием поля", так как нет зависимости от поворота системы координат, в отличие от электрических, магнитных и гравитационных потоков индукции, которые представляют векторные состояния поля.

Стивен Вайнберг. (Нобелевская премия по физике за 1979 год)

Физическая энциклопедия. ДИРАКА УРАВНЕНИЕ.

Т.е. энергия вакуумного состояния поля условно принята за минимальный нулевой уровень энергии, так как могут быть уровни как с положительной, так и с отрицательной энергией относительно нулевого состояния. Таким образом, нулевое значение энергии вакуума - это условность, так же как, например, нулевая линия на шкале Цельсия.

Физическая энциклопедия. ДЫРОК ТЕОРИЯ ДИРАКА.

Физическая энциклопедия. МАТЕРИЯ И ДВИЖЕНИЕ.

Физическая энциклопедия. ЭФИР.

Среда не может быть чуть-чуть материальной, она либо материальна, либо нет. Если вакуум обладает хотя бы одним физическим свойством, то он уже является материальной средой, представляя физический вакуум.

Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.1. С.11.

Академик А.Мигдал.

Физическая энциклопедия. НУЛЕВЫЕ КОЛЕБАНИЯ.

Таким образом, в природе не существует пустоты, а физический вакуум представляет материальную полевую среду, где даже в основном вакуумном состоянии наблюдаются нулевые колебания (флуктуации) поля. Все виды материи имеют флуктуации, так как на любом уровне, как микро, так и макро, не существует материи без движения.

Энциклопедия элементарной физики. ВАКУУМ.

Таким образом, в физике сложился дуализм - с одной стороны, для некоторых теорий нет необходимости в физическом вакууме, с другой стороны, экспериментально установлено и на сегодня уже общепризнано, что вакуум не является пустотой, представляя материальную среду, обладающую физическими свойствами.

С современной точки зрения вакуум обладает свойствами материальной среды, являясь состоянием поля с наименьшей энергией. Согласно квантовым представлениям, в вакууме могут образовываться состояния (возмущения) с положительными или отрицательными уровнями энергии относительно нулевого состояния. Материальный физический вакуум является универсальной средой, которая "прозрачна" для любых электромагнитных волн (поперечных, продольных, стоячих), т.е. и для частиц вещества - возбужденных состояний поля. Согласно электродинамике, электрическое смещение - это относительное смещение положительных и отрицательных электрических зарядов в электрически нейтральной среде Кл/м 2 . В вакууме, как в диэлектрике, аналогично токам поляризации может течь ток смещения - возникать электрическое смещение, т.е. вакуум обладает таким физическим свойством, как диэлектрическая проницаемость (в диэлектриках могут распространяться поперечные волны поляризационного смещения, при этом не имеет значения состояние диэлектрика - твердое, жидкое или газообразное). Так как могут распространяться поперечные возмущения (волны), кванты поля, совершая колебания как гармонические осцилляторы (отклоняясь от положения равновесия), находятся в связанном состоянии, т.е. кванты поля, представляя элементарные электрические заряды, при возмущениях поля смещаются (ток смещения) в зависимости от ориентации возмущений в продольном или поперечном направлении. Хотя на сегодня известны многие свойства квантового поля и можно условно представить его строение, вопрос о его физической природе остается открытым. В первом приближении квантовое поле можно представить как пространство, заполненное квантами заряда, т.е. все уровни физического вакуума заполнены квантами одного знака (теория дырок Дирака). Такое полевое пространство из зарядов одного знака можно рассматривать как упругую полевую среду, так как заряды находятся в связанном между собой состоянии, т.е. смещение кванта заряда приводит к смещению окружающих его зарядов, представляя отклонение от положения равновесия, которое как возмущение поля может распространяться в полевом пространстве. Кванты заряда всегда движутся (нет материи без движения), т.е. с квантами связано также магнитное поле (поток). Таким образом, квант поля представляет как электрический, так и магнитный квант - электромагнитный осциллятор. Например, Максвелл в разработанной им теории электромагнитного поля сравнивал электродинамический вакуум с жидкостью, условно представляя его состоящим из "молекулярных" (дискретных) связанных электрических зарядов (в то время еще не было терминов "кванты", "осцилляторы поля", а "молекулярность" означала "дискретность"), которые могут смещаться от положения равновесия, создавая ток смещения (вихревое электрическое поле). Токи при этом всегда замкнуты, так как заряды находятся в связанном состоянии. Такого представления было достаточно, чтобы предсказать электромагнитные волны. В дальнейшем, после того, как было установлено, что все электрические заряды (токи) дискретны, соответственно, и свойства электромагнитных волн также стали дискретными из-за дискретности токов смещения связанных электрических зарядов, которые при распространении волн совершают колебания как гармонические осцилляторы. Дискретность электромагнитных волн обнаружена экспериментально, что подтверждает правильность теории электромагнитного поля Максвелла о "молекулярной" (корпускулярной) природе электродинамического вакуума, т.е. о квантовой (дискретной) природе поля. Поэтому теорию электромагнитного поля Максвелла с современной точки зрения можно считать квантовой, а введенный им электрический ток смещения - квантовым током, т.е. любой ток всегда связан с движением (смещением) квантов поля - элементарных электрических зарядов. Надо наконец признать, что Максвелл предсказал не только электромагнитные волны, но и по сути предвидел квантовую ("молекулярную") природу электродинамического вакуума, т.е. заложил основы материалистической квантовой теории поля. Максвелл в своей теории на много лет опередил время. Представить, что вакуум на самом деле является диэлектриком, где связанные заряды представляют поле осцилляторов и, соответственно, все частицы могут быть только в виде волн, это очень необычно, даже сейчас, когда экспериментально установлено, что все частицы обладают волновыми свойствами, т.е. являются волнами квантового поля.

Физическая энциклопедия. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА.

Таким образом, экспериментально установлено, что частицы имеют волновую природу.

После того, как выяснилось, что все частицы представляют возбужденные (волновые) состояния поля, стало понятно, почему частицы могут беспрепятственно двигаться (распространяться) в полевом пространстве (физическом вакууме). Т.е. все частицы, аналогично фотону, перемещаются в полевом пространстве как волновые образования.

Физическая энциклопедия. ПОЛЯ ФИЗИЧЕСКИЕ.

Квантовая механика. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. 1972. С.267.

ОТФ. Квантовая механика. И.В.Савельев. 1996. Т.2. С.343.

Т.е. квантовое электромагнитное поле можно представить в виде поля осцилляторов.

Физический энциклопедический словарь. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ.

Т.е. с точки зрения квантовой теории частицы - это квантованные волновые образования, возбужденные состояния квантового поля. Кванты поля (заряда) находятся в связанном состоянии, представляя электромагнитные осцилляторы поля. Таким образом, поле, находящееся в возбужденном состоянии, представляет наблюдаемые элементарные частицы, а невозбужденное поле осцилляторов является ненаблюдаемым вакуумным состоянием квантового поля, несмотря на бесконечное число квантов заряда, которыми заполнен физический вакуум.

Физическая энциклопедия. ДЫРОК ТЕОРИЯ ДИРАКА.

Например, если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию для смещения кванта поля (заряда), то произойдет его возбуждение - в вакууме образуются две разноименные области возмущения поля: (вакуум + квант) и (вакуум - квант), где поток электрического смещения между разноименными областями равен элементарному электрическому заряду. Таким образом, в вакууме возникает наблюдаемый поток электрического смещения поля в один квант заряда - квантовое возмущение поля, т.е. скалярное квантовое поле переходит в векторное - возникает квантовый поток напряженности.

Физический энциклопедический словарь. СКАЛЯРНОЕ ПОЛЕ.

Стивен Вайнберг. (Нобелевская премия по физике за 1979 год)

Энергия поля - это энергия напряженности поля, т.е. там, где есть поток напряженности, энергия поля не равна нулю. Энергия поля, распространяющаяся в виде вихревых потоков напряженности, представляет электромагнитные волны. Так как частицы - это возбужденные состояния поля, можно предположить, что любая форма энергии (массы) в конечном итоге является энергией поля.

Физический энциклопедический словарь. МАССА.

Т.е. масса элементарной частицы определяется энергией возбужденного состояния поля, которое с ней связано. Невозбужденное (вакуумное) состояние поля представляет неовеществленную форму материи.

Квантовая (дискретная) природа электродинамического вакуума как квантового поля проявляется в дискретности электромагнитных волн.

Физический вакуум (электродинамический вакуум) - это скалярное квантовое электромагнитное поле (электродинамическое поле), т.е. там, где нет возмущений, поле находится в нулевом вакуумном (скалярном) состоянии. При смещении квантов поля возникает электрический поток напряженности поля. Магнитная индукция возникает как релятивистский эффект в результате движения электрического потока (заряда) B =  ₀ [vD] . Ядерные силы - резонансные процессы, связанные с партонной структурой адронов, резонанс, усиливая электромагнитное взаимодействие, делает его сильным, но зависимым от ориентации спина. Гравитация - результат вакуумных флуктуаций поля, флуктуационные колебания подталкивают тела к сближению.

Физическая энциклопедия. МАГНЕТИЗМ.

Физическая энциклопедия. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА.

Основы физики. Л.А.Грибов, Н.И.Прокофьев. 1995. С.299.

Субатомная физика. Б.С.Ишханов. 1994. С.25.

Читайте также:

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	13.08.2013
Размер файла	19,8 K