Реферат на тему вакуум

Обновлено: 04.07.2024

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

Работа состоит из 1 файл

КСЕ.docx

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

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.

Содержание

Введение ………………………………………………………………..…. 3
Феномен физического вакуума …………………………………………. 6
Физический вакуум как исходный пункт теории строения Вселенной . 7
Свойства физического вакуума ……………………………………………14
Новое понимание сущности физического вакуума……………………. 18
Заключение ………………………………………………………………. 21
Список использованной литературы ……………………………………. 22

Работа содержит 1 файл

КСЕ выкуум.doc

Феномен физического вакуума …………………………………………. 6

Физический вакуум как исходный пункт теории строения Вселенной . 7

Свойства физического вакуума ……………………………………………14

Новое понимание сущности физического вакуума……………………. 18

Список использованной литературы ……………………………………. 22

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.

Феномен физического вакуума

где h – постоянная Планка, а ΔE – неопределенность в энергетических уровнях частиц.

Физический вакуум как исходный пункт теории

строения Вселенной

Новейшее развитие физики элементарных частиц привело к возникновению и становлению ряда новых концепций. Важнейшими из них являются следующие, тесно связанные концепции:

-- идея геометрической интерпретации взаимодействий и квантов физических полей;

-- представление об особых состояниях физического вакуума - поляризованных вакуумных конденсатов.

Геометрическая интерпретация частиц и взаимодействий реализована в так называемых калибровочных и суперкалибровочных теориях. В 1972 г. Ф. Клейном была выдвинута "Эрлангенская программа", в которой выражалась идея систематического применения групп симметрий к изучению геометрических объектов. С открытием теории относительности теоретико-групповой подход проникает и в физику. Известно, что в общей теории относительности гравитационное поле рассматривается как проявление искривления четырехмерного пространства-времени, изменения его геометрии вследствие действия всевозможных видов материи. Благодаря работам Г. Вейля, В. Фока, Ф. Лондона впоследствии удалось описать электромагнетизм в терминах калибровочной инвариантности с абелевой группой. В дальнейшем были созданы и неабелевы калибровочные поля, описывающие преобразования симметрии, связанной с вращением в изотопическом пространстве. Далее в 1979 году была создана единая теория электромагнитных и слабых взаимодействий. А сейчас активно разрабатываются теории Великого объединения, объединяющие сильное и слабое электрическое взаимодействие, а также теории Суперобъединения, включающей единую систему сильного и электрослабого, а также гравитационного поля.

В последнее время основные надежды на построение единой теории всех взаимодействий стали возлагаться на теорию суперструн. В этой теории точечные частицы заменяются суперструнами в многомерном пространстве. С помощью струн стараются охарактеризовать концентрацию поля в некоторой тонкой одномерной области - струне, что не достижимо для других теорий. Характерная особенность струны - наличие многих степеней свободы, чего нет у такого теоретического объекта, как материальная точка. Суперструна, в отличие от струны - объект, дополненный по идее Калуци-Клейна определенным числом степеней свободы, большим четырех. В настоящее время в теориях Суперобъединения рассматриваются суперструны с десятью и более степенями свободы, шесть из которых должны компактифицироваться во внутренние симметрии.

Из всего вышесказанного можно заключить, что единая теория, по всей видимости, может быть построена на фундаменте геометризации физики. Это по-новому ставит философскую проблему об отношении материи и пространства-времени, потому что на первый взгляд геометризация физики приводит к отделению понятия пространства-времени от материи. Поэтому представляется важным выявление роли физического вакуума как материального объекта в формировании геометрии известного нам физического мира.

В рамках современной физики, физический вакуум - основное, т.е. энергетически низшее, квантовое состояние поля, в котором отсутствуют свободные частицы. При этом отсутствие свободных частиц не означает отсутствия так называемых виртуальных частиц (процессы рождения которых в нем постоянно происходят) и полей (это противоречило бы принципу неопределенности). В современной физике сильных взаимодействий основным объектом теоретических и экспериментальных исследований являются вакуумные конденсаты - области уже перестроенного вакуума с ненулевой энергией. В квантовой хромодинамике это кварк-глюонные конденсаты, которые являются носителями около половины энергии адронов. В адронах состояние вакуумных конденсатов стабилизируется хромодинамическими полями валентных кварков, несущих квантовые числа адронов. Кроме того, существует еще и самополяризованный вакуумный конденсат. Он представляет собой область пространства, в котором отсутствуют кванты фундаментальных полей, но их энергия (полей) не равна нулю. Самополяризованный вакуум - пример того, как расслоенное пространство-время является носителем энергии. Область пространства-времени с самополяризованным вакуумным глюонным конденсатом в эксперименте должна проявляться как мезон с нулевыми квантовыми числами (глюоний). Такая интерпретация мезонов для физики имеет принципиальное значение, так как в этом случае мы имеем дело с частицей чисто "геометрического" происхождения. Глюоний может распадаться на другие частицы - кварки и лептоны, т.е. мы имеем дело с процессом взаимопревращения вакуумных конденсатов в кванты поля или, иначе говоря, с перекачкой энергии из вакуумного конденсата в вещество.

Из этого обзора видно, что современные достижения и идеи физики могут привести к неверной философской трактовке соотношения материи и пространства-времени. Мнение, что геометризация физики сводится к геометрии пространства-времени, является ошибочным. В теории Суперобъединения делается попытка всю материю представить в виде конкретного объекта - единого самодействующего суперполя. Сами по себе геометризованные теории в естествознании являются лишь формами описания реальных процессов. Для того чтобы из формальной геометризованной теории суперполя получить теорию реальных процессов, его необходимо проквантовать. Процедура квантования предполагает необходимость макрообстановки. Роль такой макрообстановки берет на себя пространство-время с классической неквантовой геометрией. Чтобы получить его пространство-время, надо вычленить макроскопическую составляющую суперполя, т.е. составляющую, которую с большой точностью можно было бы считать классической. Но разделение суперполя на классическую и квантовую составляющие является операцией приближенной и имеет смысл не всегда. Таким образом, существует граница, за которой стандартные определения пространства-времени и материи теряют смысл. Пространство-время и материя за ней сводятся в общую категорию суперполя, не имеющей операционного определения (пока). Пока нам неизвестно, по каким законам эволюционирует суперполе, потому что у нас нет классических объектов типа пространства-времени, с помощью которых мы могли бы описать проявления суперполя, а другим аппаратом мы пока не обладаем. По всей видимости, многомерное суперполе есть элемент еще более общей целостности, и является результатом компактификации бесконечномерного многообразия. Суперполе, таким образом, может быть лишь элементом другой целостности. Дальнейшая эволюция суперполя как целого приводит к возникновению различных видов материи, различных форм ее движения, существующих в четырехмерном пространстве-времени.

Вопрос о вакууме встает в рамках вычлененного целого - суперполя. Исходный вид нашей Вселенной, как считают физики, вакуумный. И при описании истории эволюции нашей Вселенной рассматривается конкретный физический вакуум. Способ существования этого конкретного физического вакуума есть конкретное четырехмерное пространство-время, организующее его. В таком смысле вакуум может быть выражен через категорию содержания, а пространство-время - через категорию формы как внутренней организации вакуума. В этом контексте рассмотрение по отдельности исходного вида материи - вакуума и пространства-времени нашей Вселенной является ошибкой, так как является отрывом формы от содержания. Таким образом, мы подходим к вопросу об исходной абстракции в построении теории физического мира. Ниже приведены основные признаки, которые предъявляются к исходной абстракции. Исходная абстракция должна:

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.

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.

Читайте также: