Развивающаяся Вселенная

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.