Физический вакуум

 Пока эфир  был теоретическим построением,  он мог выдержать любые натиски  скептиков. Но, когда его наделили  конкретными свойствами, ситуация изменилась; эфир должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения; эфир оказывался средой, по которой идут световые волны; эфир являлся источником проявления электромагнитных сил. Для этого он должен был обладать слишком противоречивыми свойствами. Однако физика конца 19-го века обладала неоспоримым преимуществом, ее утверждения могли быть проверены расчетами и экспериментом. Чтобы объяснить, как такие взаимоисключающие факты уживались в природе одной материи, теорию эфира приходилось все время дополнять, и эти дополнения выглядели все более искусственными.   

 Закат гипотезы  существования эфира начался  с определения его скорости. В  ходе опытов Майкельсона в  1881 году, было выяснено, что скорость  эфира равна нулю относительно  лабораторной системы отсчета. Однако результаты его опытов многие физики того времени не принимали в расчет. Слишком удобна была гипотеза существования эфира, а другого заменителя для нее не существовало. И большинство физиков того времени не приняло в расчет опыты Майкельсона по определению скорости эфира, хотя восхищалось точностью измерений скорости света в различных средах. Тем не менее, два ученых - Дж. Ф. Фитцджеральд и Г. Лоренц, поняв серьезность эксперимента для гипотезы существования эфира, решили ее "спасти". Они предположили, что предметы, двигающиеся против течения эфира, изменяют свои размеры, сокращаются по мере приближения их к скорости света. Гипотеза была блестящей, формулы - точными, однако цели она не достигла, а предположение, выдвинутое двумя учеными независимо, получило признание лишь после поражения гипотезы существования эфира в битве с теорией относительности.   

 Мировое  пространство в теории относительности  само по себе служит материальной  средой, взаимодействующей с тяготеющими  телами, оно само приняло на себя некоторые функции прежнего эфира. Надобность же в эфире как среде, дающей абсолютную систему отсчета, отпала, поскольку получалось, что все системы отсчета относительны.   

 После того, как Максвеллово понятие поля  было распространено и на гравитацию, исчезла сама потребность в эфире Френеля, Лесажа и Кельвина для того, чтобы сделать невозможным дальнодействие: гравитационное поле и прочие физические поля приняли на себя обязанность передачи действия. С появлением теории относительности поле стало первичной физической реальностью, а не следствием какой-то другой реальности. Само свойство упругости, столь важное для эфира, оказалось у всех материальных тел связанно с электромагнитным взаимодействием частиц. Говоря иначе, не упругость эфира давала основу электромагнетизму, а электромагнетизм служил основой упругости вообще.   

 Таким образом,  эфир придумали, потому что  он был нужен. Некая вездесущая  материальная среда, как полагал  Эйнштейн, все же должна существовать  и обладать некими определенными свойствами. Но континуум, наделенный физическими свойствами - это не совсем прежний эфир. У Эйнштейна физическими свойствами наделяется само пространство. Для общей теории относительности этого достаточно, никакая особая материальная среда сверх того в этом пространстве ей не требуется. Однако уже само пространство с новыми для науки физическими свойствами можно было бы, следуя Эйнштейну, назвать эфиром. В современной же физике наравне с теорией относительности используется и квантовая теория поля. Она же, со своей стороны, приходит к наделению вакуума физическими свойствами. Именно вакуума, а не мифического эфира. Академик А.Б. Мигдал пишет по этому поводу: "По существу физики вернулись к понятию эфир, но уже без противоречий. Старое понятие не было взято из архива - оно возникло заново в процессе развития науки".   

Физический  вакуум как исходный пункт теории

строения  Вселенной   

 Поиск единства  естественнонаучного знания предполагает  проблему определения исходного  пункта теории. Данная проблема является особенно важной для современной физики, где используется единый подход для построения теории взаимодействий.   

 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 теории  Суперобъединения делается попытка впервые органично соединить понятия "вещества" и "поля". До появления так называемых суперсимметричных теорий бозоны (кванты полей) и фермионы (частицы вещества) рассматривались как частицы, имеющие различную природу. В калибровочных теориях это различие до сих пор снять не удалось. Калибровочный принцип дает возможность свести действие поля к расслоению пространства, к проявлению его сложной топологии, а все взаимодействия и физические процессы представить как движение по псевдогеодезическим траекториям расслоенного пространства. Это попытка геометризации физики. Бозонные поля являются калибровочными полями, непосредственно и однозначно связанными с определенной группой симметрии теории, а фермионные поля вводятся в теорию достаточно произвольно. В теории Суперобъединения преобразования суперсимметрии способны переводить бозонные состояния в фермионные и наоборот, а сами бозоны и фермионы объединяются в единые мультиплеты. Характерно, что подобная попытка в суперсимметричных теориях приводит к сведению внутренних симметрий к внешним, пространственным симметриям. Дело в том, что преобразования, связывающие бозон с фермионом, примененные повторно, сдвигают частицу в другую точку пространства-времени, т.е. из суперпреобразований получаются преобразования Пуанкаре. С другой стороны локальная симметрия относительно преобразования Пуанкаре приводит к общей теории относительности. Таким образом, обеспечивается связь между локальной суперсимметрией и квантовой теорией гравитации, которые рассматриваются как теории, имеющие общее содержание.   

 В программе  Калуци-Клейна использована идея  о возможности существования  пространства-времени с измерениями,  большими четырех. В этих моделях  в микромасштабе пространство  имеет большую размерность, чем  в макромасштабе, поскольку дополнительные размерности оказываются периодическими координатами, период которых исчезающе мал. Расширенное пятимерное пространство-время может рассматриваться как общее ковариантное четырехмерное многообразие с локальной инвариантностью в этом же пространстве-времени. Идея - это геометризация внутренних симметрий. Пятое измерение в этой теории компактифицируется и проявляется в виде электромагнитного поля со своей симметрией, и поэтому оно уже не проявляется как пространственное измерение. Сама по себе последовательная геометризация всех внутренних симметрий была бы невозможна по следующей причине: из метрики могут быть получены только бозонные поля, в то время как окружающее нас вещество состоит из фермионов. Но, как отмечалось выше, в теории Суперобъединения ферми- и бозе-частицы рассматриваются как равноправные, объединенные в единые мультиплеты. И именно в суперсимметричных теориях идея Калуци-Клейна особенно привлекательна.   

 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: