Р.Ровинский

Развивающаяся Вселенная


Universe 2.1 Universe 2.21 Contents Home Page

 

2.2 Большой взрыв и начало процесса усложнения Вселенной

Рождение Вселенной из предшествовавшего неустойчивого состояния исходной субстанции состоялось в результате скачкообразного перехода в новое динамическое состояние, сделавшее возможным процесс развития, который мы пытаемся осмыслить сегодня. В основе же неустойчивости исходного "самого простого" состояния обнаруживается влияние физического вакуума. Когда-то вакуумом называли абсолютную пустоту. Еще древнегреческий философ Демокрит утверждал, что Мир состоит из атомов и пустоты. По его представлениям пустота – это "существующее ничто", абсолютно однородное пространство, разделяющее тела, а внутри сложных тел отделяющее атомы друг от друга. Современная физика сохранила этот термин, полностью изменив его содержание. Квантовая механика рассматривает "пустоту" в качестве материального фона, обладающего своеобразными свойствами, пока еще не слишком хорошо изученными. Этот фон назван физическим вакуумом, он является одним из фундаментальных представлений науки, без которого невозможно понять ни микромир, ни космологические процессы.

Знакомство с квантовой теорией вакуума может поставить в тупик человека, воспитанного в представлениях классической физики. Начать хотя бы с определения: вакуумом называется пространство, в котором отсутствуют реальные частицы, и выполняется условие минимума плотности энергии в данном объеме. Казалось бы, раз нет реальных частиц, то пространство пусто и в нем не может содержаться плотность энергии, даже минимальная. Это подсказывает наш "здравый смысл" и весь опыт классической физики. Но квантовая теория поля, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, опровергает и то, и другое. Применительно к теории поля принцип Гейзенберга утверждает, что невозможно одновременно точно определить напряженность поля и число частиц. Раз число частиц в вакууме точно известно (оно равно нулю), то напряженность поля не может стать равной нулю, иначе оба параметра окажутся точно известными, а принцип неопределенности – нарушенным. Напряженность квантового поля в вакууме проявляется в форме флуктуационных колебаний, совершающихся около нулевого значения с амплитудой, определяемой допуском принципа неопределенности. Соответствующая этим колебаниям энергия и будет минимально возможной.

Но в соответствии с признанным дуализмом волновых и корпускулярных свойств вещества, колебания полей обязаны порождать частицы. Возникает противоречие с определением вакуума как среды, в которой отсутствуют реальные частицы, чем создается еще один парадокс микромира. Теория разрешает и это противоречие: флуктуирующее квантовое поле рождает пары частица-античастица, но на столь короткие времена, что обнаружить их экспериментально невозможно. Такие частицы-невидимки названы виртуальными, время их существования определяет все тот же принцип неопределенности, но в иной формулировке: время существования виртуальных частиц настолько мало, что не успевает нарушиться закон сохранения энергии-вещества. Появление и исчезновение виртуальных частиц остается без последствий. Косвенно наличие виртуальных частиц (или того, что скрывается за этим понятием) обнаруживается в процессах взаимодействия вакуума с веществом, в чем убеждаются экспериментаторы, проводящие исследования на ускорителях. Такова модель сосуществования вакуума с веществом, созданная современной теорией.

Итак, "пустой" вакуум оказывается наполненным флуктуирующими полями и виртуальными частицами, он обладает минимальной энергией, ниже которой спуститься принципиально невозможно. Но этим его свойства не исчерпываются. В его взаимодействиях с веществом обнаруживается ряд принципиально важных особенностей. Во-первых, воздействие на вакуум достаточно большой порции энергии порождает поток вещественных частиц. Говорят, что виртуальные частицы под таким воздействием становятся реальными. Следовательно, между вакуумом и веществом нет непреодолимой преграды, возможны переходы. Во-вторых, в отношении макромира вакуум ведет себя крайне инертно, любое макротело или излучение проходят через вакуум огромные расстояния, не изменяя ни своей энергии, ни любого регистрируемого физического параметра. В-третьих, вакуум активно участвует в процессах, протекающих на различных известных науке уровнях вещества в микромире. Участие выражается, в частности, в том, что во взаимодействии вакуума с реальными частицами вещества последние наделяются важнейшими свойствами (например, массой) и способностью определенным образом взаимодействовать с другими частицами. В-четвертых, во взаимодействиях с веществом микромира проявляются свойства вакуума, трактуемые как наличие у него внутренней структуры, перестраиваемой при соответствующих изменениях условий. В зависимости от внутреннего состояния вакуум предстает в той или иной своей модификации, а изменение модификации подобно фазовому переходу.

Под фазовыми переходами вакуума подразумеваются скачкообразные изменения его свойств (плотности энергии, характера взаимодействия с веществом), совершаемые по достижении критического состояния. Такие изменения состояния вакуума тут же находят отклик в формах существования вещества, в процессах взаимодействия между полями и соответствующими микрочастицами. При этом вещество неотделимо от вакуума и в таком двуединстве вакуум, по-видимому, играет роль базовой формы материи.

Сегодня сложилось понимание того, что вакуум – это материальная среда, неразрывно связанная с вещественным миром и определяющая его облик и путь развития. Наука пока только подходит к пониманию характера и всей глубины взаимодействия вакуума с вещественной Вселенной. Частично о том, как современная наука представляет характер такой взаимосвязи, поговорим несколько позже. Заметим только, что распространенная в конце XIX века теория эфира, заполняющего все "пустое" пространство, возрождается на новом уровне и с другим содержанием. Как известно, идею эфира пришлось отвергнуть, так как ему приписывались чисто механические свойства (например, упругость), что опроверг эксперимент. Вакуум не обладает такими свойствами и поэтому никак не влияет на динамику и физические параметры макротел, движущихся в "пустом" пространстве.

Но этим не исчерпываются фундаментальные свойства вакуума, ко всему сказанному добавляется еще одно, за что он получил название антигравитирующего вакуума. В самом конце ХХ века, в 1998 году, астрономы сделали открытие, которое, в случае его окончательного подтверждения, приведет к существенным изменениям наших космологических представлений.

Universe 2.1 Universe 2.21 Contents Home Page


Ваши отзывы, мнения и предложения могут быть отправлены автору по адресу:
remrovinsky@yahoo.com

1