Какие физические свойства используются в процессе получения вакуума

Для нас сейчас физический вакуум -— это то, что остается в пространстве, когда из него удаляют весь воздух и все до последней элементарные частицы. В результате получается не пустота, а своеобразная материя — Прародитель всего во Вселенной, рождающий элементарные частицы, из которых потом формируются атомы и молекулы.

А. Е. Акимов (11,с.24)

Так как в понятие вакуума вкладывается всепроникающая среда, находящаяся между частицами, то вакуум занимает все межчастичное пространство; следовательно, эту среду можно определить как бесчастичную форму материи, плотность которой изменяется соответственно действующим на вакуум силам. Плотность вакуума имеет весьма малое значение по сравнению с привычными для нас значениями плотности вещества: например, плотность вакуума, находящегося между молекулами газа при давлении в одну атмосферу составляет 10-15 г/см3, а плотность дистиллированной воды при тех же условиях — 1 г/см3 (20, с. 60).

Гравитация, присущая любым массам, присуща и массе вакуума. На основании этого постулата сила взаимодействия тела с любой частью вакуума будет определяться законом всемирного тяготения. То есть тела притягивают к себе вакуум подобно тому, как Земля притягивает находящиеся на ней тела. Поэтому при движении какого-либо тела вместе с ним будет двигаться (увлекаться) и окружающий его вакуум. Разумеется, это увлечение будет только в том случае, если на этот вакуум не действует большая сила (от гравитационного воздействия других тел), удерживающая вакуум от этого увлечения. Однако вакуум не просто увлекается за движущимся телом, а “выполняет роль подлинного управителя всякого движения. В образном представлении, вакуум, словно бульдог, вцепляется в любой макрообъект с тем большим усилием, чем массивнее его жертва. Вцепившись, он уже никогда не отпускает ее, сопровождая во всех странствиях по космическому пространству. Физически это означает, что вакуум и контролируемый им объект представляют собой замкнутую систему” (21, с, 27).

Уникальные опыты Физо и Майкельсона показали, что в природе нет абсолютно неподвижного вакуума. Вакуум, обладая массой, всегда увлекается тем телом, гравитационные силы которого преобладают, В указанных опытах таким телом является Земля, увлекающая околоземной вакуум (в опыте Майкельсона) и не позволяющая движущемуся на Земле телу увлекать вакуум, находящийся между частицами тела (в опыте Физо).

В современной интерпретации физический вакуум представляется сложным квантовым динамическим объектом, который проявляет себя через флуктуации. Физический вакуум рассматривают как материальную среду, изотропно (равномерно) заполняющую все пространство (и свободное пространство и вещество), имеющую квантовую структуру, ненаблюдаемую в невозмущенном состоянии (33. с. 4).

Для лучшего понимания физического вакуума было признано целесообразным рассматривать его как электронно-позитронную модель Дирака в ее несколько измененной интерпретации.

Представим физический вакуум как материальную среду, состоящую из элементов, образуемых парами частиц и античастиц (по Дираку — электронно-позитронная пара).

Если частицу и античастицу вложить друг в друга, то такая система будет истинно электронейтральной. А так как обе частицы обладают спином, то система “частица—античастица” должна представлять пару вложенных друг в друга частиц с противоположно направленными спинами. Вследствие истинной электронейтральности и противоположности спинов такая система не будет обладать и магнитным моментом (33, с. 5). Систему из частиц и античастиц в указанном выше виде, обладающую указанными свойствами, называют фитоном. Плотная упаковка фитонов и образует среду, называемую физическим вакуумом. Однако следует помнить, что эта модель весьма упрощена, и было бы наивно усматривать в построенной модели истинную структуру физического вакуума (рис. 1, а, б).

Рассмотрим наиболее важные в практическом отношении случаи возмущения физического вакуума разными внешними источниками (86. с, 940).

1. Пусть источником возмущения является заряд q (рис. 1, в). Действие заряда будет выражено в зарядовой поляризации физического вакуума, и это его состояние проявляется как электромагнитное поле (Е-поле). Именно на это указывал ранее в своих работах академик АН СССР Я. Б. Зельдович.

2. Пусть источником возмущения является масса m (рис, 1, г). Возмущение физического вакуума массой т будет выражаться в симметричных колебаниях элементов фитонов вдоль оси на центр объекта возмущения, как это условно изображено на рисунке. Такое состояние физического вакуума характеризуется как спиновая продольная поляризация и интерпретируется как гравитационное поле (G-поле). Такая идея была высказана еще А. Д. Сахаровым (87, с. 70). По его мнению, гравитация вообще не является отдельной действующей силой, а возникает в результате изменений квантово-флуктуационной энергии вакуума, когда имеется какая-либо материя, подобно тому, как это происходило с образованием сил в опыте Г. Казимира. А. Д. Сахаров считал, что присутствие материи в море частиц с абсолютно нулевой энергией вызывает появление несбалансированных сил, движущих материю, называемых гравитацией (86,с.940).

3. Пусть источником возмущения является классический спин (рис. 1, д). Спины фитонов, которые совпадают с ориентацией спина источника, сохраняют свою ориентацию. Спины фитонов, которые противоположны спину источника, под действием этого источника испытывают инверсию. В результате физический вакуум перейдет в состояние поперечной спиновой поляризации. Это состояние интерпретируется как спиновое поле (S-поле), то есть поле, порождаемое классическим спином. Такое поле называют еще торсионным полем (31, с. 31).

В соответствии с изложенным можно считать, что единая среда — физический вакуум может находиться в разных поляризационных состояниях, EQS-состояниях. Причем физический вакуум в фазовом состоянии, соответствующем электромагнитному полю, обычно рассматривается как сверхтекучая жидкость. В фазовом состоянии спиновой поляризации физический вакуум ведет себя как твердое тело.

Указанные соображения примиряют две взаимоисключающие точки зрения — точку зрения конца XIX века и начала XX века, когда эфир рассматривали как твердое тело, и представление современной физики о физическом вакууме как о сверхтекучей жидкости. Правильны обе точки зрения, но каждая для своего фазового состояния (33, с. 13).

РИС. 1 Диаграмма поляризационных состояний физического вакуума

Все три поля: гравитационное, электромагнитное и спиновое — являются универсальными. Эти поля проявляются себя и на микро-, и на макроуровнях. Здесь уместно вспомнить слова академика АН СССР Я. И. Померанчука; Вся физика — это физика вакуума”, или академика ЭАН Г. И. Наана: “Вакуум есть все, и все есть вакуум” (63,с.14).

В результате знакомства с теорией физического вакуума становится ясно, что современная природа не нуждается в “объединениях”. В природе есть только физический вакуум и его поляризационные состояния, а “объединения” лишь отражают степень нашего понимания взаимосвязи полей (31, с. 32).

Следует отметить еще один чрезвычайно важный факт, касающийся физического вакуума как источника энергии.

Традиционная точка зрения сводилась к утверждению, что, так как физический вакуум является системой с минимальной энергией, то никакую энергию из такой системы извлечь нельзя. При этом, однако, не учитывалось, что физический вакуум — это динамическая система, обладающая интенсивными флуктуациями, которые и могут быть источником энергии. Возможность эффективного взаимодействия спинирующих (вращающихся) объектов с физическим вакуумом позволяет с новых позиций рассмотреть возможность создания торсионных источников энергии.

Согласно Дж, Уиллеру, планковская плотность энергии физического вакуума составляет 1095 г/см3, в то время как плотность энергии ядерного вещества равна 1014 г/см3. Известны и другие оценки энергии вакуумных флуктуации, но все они существенно больше оценки Дж. Уиллера (31, с. 34). Следовательно, можно сделать следующие многообещающие выводы:

• энергия вакуумных флуктуации весьма велика в сравнении с любым другим видом энергии;

• через торсионные возмущения возможно высвободить энергию вакуумных флуктуации.

Российские ученые полагают, что в физическом вакууме “упрятаны” скрытая материя и скрытая энергия, равные чуть ли не половине тех, что реализованы в виде Вселенной (113, с. 7).

Мысль о том, что Великая пустота, Великое Ничто, или вакуум (от лат. vacuum — пустота), есть источник окружающего нас мира, уходит вглубь веков. Согласно представлениям мыслителей Древнего Востока, все материальные объекты возникают из пустоты. В самой Великой пустоте постоянно совершаются акты творения реальных объектов. В древнеиндийских Ведах пустота отождествляется с пространством.

Проблема существования пустоты ставилась и в античной натурфилософии, в которой обсуждался вопрос о том, пусто мировое пространство или оно заполнено некой материальной средой, чем-то отличающейся от пустоты.

Согласно философской концепции великого древнегреческого философа Демокрита, все вещества состоят из частиц, между которыми находится пустота. Но согласно философской концепции другого, не менее знаменитого, древнегреческого философа Аристотеля, в мире нет ни малейшего места, где бы не было «ничего». Эта среда, пронизывающая все пространство Вселенной, получила название эфира.

Понятие эфира вошло в европейскую науку. Великий Ныотон понимал, что закон всемирного тяготения будет иметь смысл, если пространство обладает физической реальностью, т.е. представляет собой среду, обладающую физическими свойствами. Он писал: «Мысль о том… чтобы одно тело могло воздействовать на другое через пустоту на расстоянии, без участия чего-то такого, что переносило бы действие и силу от одного тела к другому, — представляется мне нелепой»1. Вместе с тем Ныотон первым в науке Нового времени выявил связь между геометрией пространства событий и механикой. Им была разработана механика как теория измерения расстояний и моментов времени движущихся относительно инерциальных систем отсчета материальных тел. Полученные в результате измерений данные подвергались обработке, после чего строились сначала уравнения траекторий, а затем и уравнения движения в дифференциальной форме. И. Ныотон писал: «Геометрия основывается на механической практике и есть не что иное, как та часть общей механики, в которой излагается и доказывается искусство точного измерения»[1][2].

Развитие научных идей не носит линейного характера. Все гораздо сложнее и драматичнее. Итак, в зарождающемся научном естествознании было сформулировано представление об эфире как мировой среде с физическими свойствами и представление о пространстве, геометрические свойства которого определяются механикой движения тел. Приоритет был отдан эфиру.

В классической физике не было экспериментальных данных, которые подтверждали бы существование эфира, но и не было данных, которые бы опровергали это. Авторитет Ньютона способствовал тому, что эфир стал рассматриваться в качестве важнейшего понятия физики. Под понятие

«эфир» стали подводить все, что вызывалось гравитационными и электромагнитными силами. Но поскольку другие фундаментальные взаимодействия до возникновения атомной физики практически не изучались, то с помощью эфира пытались объяснять любые явления и любые процессы.

Эфир должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения; эфир оказывался средой, но которой идут световые волны, и нес ответственность за все проявления электромагнитных сил. Развитие физики заставляло наделять эфир все новыми и новыми противоречивыми свойствами.

В начале XX в. А. Эйнштейн обосновал необходимость отказа от понятия эфира как научно несостоятельного. Он ссылался на отрицательный результат опытов по обнаружению скорости движения Земли относительно эфира, проведенных в 1880—1887 гг. М. Майкельсоном. Рассмотрев все предположения относительно эфира со времен Ньютона и до начала XX в., А. Эйнштейн в труде «Эволюция физики» подвел итоги: «Все наши попытки сделать эфир реальным провалились. Он не обнаружил ни своего механического строения, ни абсолютного движения. От всех свойств эфира не осталось ничего… Все попытки открыть свойства эфира привели к трудностям и противоречиям. После стольких неудач наступает момент, когда следует совершенно забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем»1.

Следует отметить, что эксперименты по обнаружению эфира были продолжены в 1921 — 1925 гг. в обсерватории Маунт Вилсон и дали положительные результаты. Но это случилось позже, а тогда, в 1905 г., в специальной теории относительности произошел отказ от понятия «эфир»[3][4].

В общей теории относительности в качестве материальной среды, взаимодействующей с телами, обладающими гравитационными массами, рассматривалось пространство. А. Эйнштейн впервые показал общую глубокую взаимосвязь абстрактного геометрического понятия кривизны пространства с физическими проблемами гравитации. Близкие идеи развивал и английский математик В. Клиффорд (1845—1879), который считал, что «в физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства»1. Согласно Клиффорду, материя представляет собой сгустки пространства, своеобразные холмы кривизны на фоне плоского пространства.

Сам творец общей теории относительности полагал, что некая вездесущая материальная среда все-таки должна существовать и обладать определенными свойствами. После публикации работ по общей теории относительности Эйнштейн неоднократно возвращался к понятию эфира и считал, что «мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами»[5][6].

Однако поскольку в то время считалось, что понятие «эфир» уже принадлежит истории науки, то возврата к нему не было. Утвердилось мнение, что «континуум, наделенный физическими свойствами», является физическим вакуумом.

В современной физике считается, что роль фундаментальной материальной основы мира выполняет физический вакуум, который представляет собой универсальную среду, пронизывающую все пространство. Физический вакуум – это такая непрерывная среда, в которой нет ни частиц вещества, ни поля, и вместе с тем он является физическим объектом, а не лишенным всяких свойств «ничто». Непосредственно физический вакуум не наблюдается, в экспериментах наблюдается лишь проявление его свойств.

Принципиальное значение для решения проблемы вакуума имели работы английского физика, лауреата Нобелевской премии 1933 г. П. Дирака. До их появления считалось, что вакуум есть чистое «ничто», которое, несмотря на любые преобразования измениться не способно. Теория Дирака открыла путь к преобразованиям вакуума, в которых прежнее «ничто» обращалось во множество пар «частица — античастица».

Вакуум у Дирака представляет собой море электронов с отрицательной энергией, образующих однородный фон, который не влияет на протекание в нем электромагнитных процессов. Мы не наблюдаем электронов с отрицательной энергией именно потому, что они образуют сплошной невидимый фон, на котором происходят все мировые события. Наблюдаемыми могут быть только изменения состояния вакуума, его «возмущения».

Когда в море электронов попадает богатый энергией световой квант — фотон, то он вызывает возмущение и электрон с отрицательной энергией может перейти в состояние с положительной энергией, т.е. будет наблюдаться как свободный электрон. Тогда в море отрицательных электронов образуется «дырка» и родится пара — электрон плюс «дырка».

Первоначально предполагалось, что дырками в дира- ковском вакууме являются протоны — единственно известные в то время элементарные частицы с противоположным электрону зарядом. Однако этой гипотезе не суждено было выжить: в эксперименте аннигиляцию электрона с протоном никто никогда не наблюдал.

Вопрос о реальном существовании и физическом смысле «дырок» был решен в 1932 г. американским физиком К. Д. Андерсоном (1905—1991), занимавшимся фотографированием треков (следов) приходящих из космоса частиц в магнитном поле. Он обнаружил в космических лучах след неизвестной ранее частицы, по всем параметрам тождественной электрону, но имеющей заряд противоположного знака. Эта частица была названа позитроном. При сближении с электроном позитрон аннигилирует[7] с ним на два фотона высокой энергии (гамма-кванты), необходимость возникновения которых обусловлена законами сохранения энергии и импульса.

К. Андерсон получил за свое открытие Нобелевскую премию, а П. Дирак — подтверждение своей теории о квантовом вакууме.

Впоследствии оказалось, что почти все элементарные частицы (даже не имеющие электрических зарядов) имеют своих «зеркальных» двойников — античастицы, способные аннигилировать с ними. Исключение составляют лишь немногие истинно нейтральные частицы, например фотоны, которые тождественны своим античастицам.

Огромная заслуга П. Дирака заключалась в том, что он разработал релятивистскую теорию движения электрона, предсказавшую позитрон, аннигиляцию и рождение из вакуума электронно-позитронных пар. Стало ясно, что вакуум обладает сложной структурой, из которой могут рождаться пары: частица + античастица. Эксперименты на ускорителях подтвердили это предположение.

Одной из особенностей вакуума является наличие в нем полей с энергией, равной нулю, и без реальных частиц. Возникает вопрос: как может существовать электромагнитное поле без фотонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитронов и т.д.

Для объяснения нулевых колебаний полей в вакууме было введено понятие виртуальной (возможной) частицы — частицы с очень малым сроком жизни порядка 1СР21—10~24 с. Это и объясняет, почему в вакууме постоянно рождаются и исчезают частицы — кванты соответствующих полей. Отдельные виртуальные частицы нельзя обнаружить в принципе, но их суммарное воздействие на обычные микрочастицы обнаруживается экспериментально. Физики считают, что абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными элементарными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы тоже влияют. Обычные частицы порождают виртуальные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

Дальнейшие исследования квантовой физики были посвящены изучению возможности появления из вакуума реальных частиц, теоретическое обоснование которой дал Э. Шредингер в 1939 г. Квантовая физика доказала, что в вакууме в скрытом виде присутствуют частицы и античастицы, а квант энергии проявляет пару «электрон — позитрон», дает ей наблюдаемое проявление в мире.

Итак, в первой половине XX в. в физике были разработаны два подхода к пониманию нового уровня физической реальности — физического вакуума. Разные по своей природе теории — квантовая теория II. Дирака и общая теория относительности А. Эйнштейна — давали разные представления о нем. В квантовой теории Дирака вакуум, оставаясь нейтральным, представлял собой своего рода «кипящий бульон», состоящий из виртуальных частиц — электронов и позитронов. В теории А. Эйнштейна вакуум рассматривался как пустое четырехмерное пространство, наделенное геометрией Римана.

Для того чтобы объединить два различных представления о вакууме, А. Эйнштейном была выдвинута программа, получившая название единой теории поля. Но найти это поле и создать единую теорию поля А. Эйнштейну так и не удалось.

В настоящее время концепция физического вакуума наиболее полно представлена в трудах академика РАЕН Г. И. Шипова[8].

В 1998 г. Г. И. Шипов (р. 1938) разработал новые фундаментальные уравнения, описывающие структуру физического вакуума. Эти уравнения представляют собой систему нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка, в которую входят геометризированные уравнения Гейзенберга, геометризированные уравнения Эйнштейна и геометризированные уравнения Янга — Миллса. Пространство-время в теории Г. И. Шипова не только искривлено, как в теории Эйнштейна, но и закручено, как в геометрии Римана — Картана.

Французский математик Эли Картан (1869—1951) первым высказал мысль о том, что в природе должны существовать поля, порождаемые вращением. Эти поля получили название полей кручения, или торсионных полей (от фр. torsion — кручение). Для учета кручения пространства Г. И. Шиповым в геометризированные уравнения было введено множество угловых координат, что позволило использовать в теории физического вакуума угловую метрику, определяющую квадрат бесконечно малого поворота четырехмерной системы отсчета.

Добавление вращательных координат, при помощи которых описывается поле кручения, привело к распространению принципа относительности на физические поля: все физические поля, входящие в уравнения вакуума, имеют относительный характер. Принцип всеобщей относительности обобщает как специальный, так н общий принципы относительности Эйнштейна и, кроме того, утверждает относительность всех физических полей.

Найденные решения уравнений Шипова описывают искривленное и закрученное пространство-время, интерпретируемое как вакуумные возбуждения, находящиеся в виртуальном состоянии. Эти решения начинают описывать реальную материю после того, как входящие в него константы (или функции) интегрирования отождествляются с физическими константами. Г. И. Шипов выделяет три различных состояния физического вакуума[9]:

• • абсолютный, который представляет собой безграничное (пустое) однородное и изотропное псевдоевклидово пространство;
• • первично возбужденный, представляющий собой первичную торсионную поляризацию вакуума (первичные поля инерции);
• • возбужденный, представляющий собой материальные объекты, находящиеся в потенциальном (возможном) состоянии.

Чрезвычайно важным является то, что уравнения вакуума и принцип всеобщей относительности после соответствующих упрощений приводят к уравнениям и принципам квантовой теории. Полученная таким образом квантовая теория оказывается детерминированной, хотя вероятностная трактовка поведения квантовых объектов остается неизбежной. Частицы представляют собой предельный случай чисто нолевого образования при стремлении массы (или заряда) этого образования к постоянной величине. В данном предельном случае происходит возникновение корпускулярно-волнового дуализма. Поскольку в квантовой теории не учитывался относительный характер физических нолей, обусловленный вращением, то квантовая теория не была полной. В работах Г. И. Шипова подтвердилась догадка Эйнштейна о том, что более совершенная квантовая теория может быть найдена на пути расширения принципа относительности.

В основном состоянии абсолютный вакуум имеет нулевые средние значения момента импульса и других физических характеристик и в невозмущенном состоянии не наблюдаем. Разные состояния вакуума возникают при его флуктуациях.

Если источником возмущения является заряд q, то его состояние проявляется как электромагнитное поле.

Если источником возмущения является масса ш, то состояние вакуума характеризуется как гравитационное поле, что впервые было высказано А. Д. Сахаровым (1921 — 1989)1.

Если источником возмущения является спин, то состояние вакуума интерпретируется как спиновое, или торсионное, поле.

Факт существования в природе торсионных нолей к настоящему времени подтвержден многочисленными экспериментами. Физические свойства торсионных полей уникальны[10][11]:

• • взаимодействие торсионных квантовых вихрей носит не энергетический, а чисто информационный характер, и, следовательно, на них не распространяется вытекающий из теории относительности запрет на существование сверхсветовых скоростей. Торсионные поля распространяются мгновенно, что подтверждено в экспериментах Н. А. Козырева, М. М. Лаврентьева, А. Ф. Пугача и др.;
• • торсионные поля проходят через некоторые физические среды без взаимодействия с ними;
• • у торсионных полей в отличие от электромагнитных и гравитационных отсутствует зависимость их интенсивности от расстояния.

Поскольку физический вакуум — это динамическая система, обладающая интенсивными флуктуациями, физики полагают, что вакуум является источником материи и энергии, как уже реализованных во Вселенной, так и находящихся в скрытом состоянии. По словам академика Г. И. Наана, «вакуум есть все, и все есть вакуум».