К теории физического вакуума (конспективный обзор)

 

 

А.М. Поляков. Калибровочные поля и струны, 1987.

   У нас нет лучшего средства для описания элементарных частиц, чем квантовая теория поля. Квантовое поле - это ансамбль бесконечного числа взаимодействующих гармонических осцилляторов. Возбуждения этих осцилляторов отождествляются с частицами… Все это очень в духе XIX столетия, когда люди пытались строить механические модели всех явлений. Я не вижу в этом ничего плохого, поскольку любая нетривиальная идея в определенном смысле верна. Мусор прошлого часто оказывается сокровищем настоящего (и наоборот). Поэтому мы будем смело прибегать к различным аналогиям при обсуждении наших основных проблем.

 

 

Оливер Лодж. Мировой эфир. Одесса, 1911.

   Вопрос о строении эфира и о том, как изменяются его части для образования атомов или других составных единиц обыкновенной материи еще не решен… Но вместе с тем не много существует физиков, которые были бы несогласны с мыслью Клерка Максвелла:

   "Какие бы трудности нам не встретились при выработке подходящей идеи о строении эфира, все же нет никаких сомнений в том, что межпланетные и межзвездные пространства не пусты, а заняты материальным веществом или телом - без сомнения, наиболее громадным и, вероятно, наиболее однородным из всех тел, о которых у нас есть какие-либо сведения".

 

 

 

1.0.  Постановка проблемы

 

1.1.   Введение физического вакуума (ФВ) в современную физику

 

Как мы приходим к необходимости изучения Физического Вакуума (ФВ)?

 

ФВ, как некоторая среда, математически соответствующая понятию поля, не является в современной теории искусственным чужеродным телом, хотя на первом этапе развития  Квантовой механики потребность в такой среде не существовала. Она  появилась в результате развития квантовой электродинамики - первой квантовой теории поля, а затем была подтверждена дальнейшим развитием квантовой теории поля (Стандартной Моделью). Понятие ФВ возникло первоначально как чисто теоретическое предположение, связанное с разложением электромагнитного поля (а затем дираковского и других полей) на гармонические составляющие, представляющие собой некоторые ненаблюдаемые (виртуальные) кванты поля (именно поэтому квантовая теория поля до сих пор иногда называется теорией вторичного квантования). Поскольку все предсказания КТП подтвердились с огромной точностью, постепенно было осознанно, что ФВ представляет собой не вспомогательный математический объект, а реальную среду. Сейчас проводятся эксперименты почти непосредственно на ФВ (различного типа эксперименты по проверке эффекта Казимира: эксперименты поперечного и продольного эффекта Казимира, произведенные группой Мохадина, эксперименты Клепнера и т.д.), которые подтверждают существование такой среды.

 

В чем можно видеть пользу в изучении ФВ самого по себе? Поскольку уравнения КТП являются уравнениями движения ФВ, то можно предположить, что знание параметров ФВ поможет выяснить параметры КТП, а также решить многие нерешенные проблемы КТП. Если на основе теории ФВ удастся построить систему знаний, из которой современная теория вытекает как следствие (подобно тому, как из кинетической теории следуют все принципы термодинамики), и которая объясняет все, что современная теория объяснить не может, а также дает возможность вычисления параметров, которые вводятся в современную физику "рукой", это действительно даст значительный толчок развитию физики. Этот уровень материи можно назвать уровнем физического вакуума. Таким образом мы и приходим к необходимости изучения ФВ как самостоятельно существующего объекта природы.

 

Первым, кто ввел осознанно такую среду ("море" Дирака) в физику был, по-видимому, Дирак (см. Мартыненко А.П. Вакуум в современной квантовой теории. СОЖ, т.7, № 5, 2001). Исходя из релятивистского соотношения для энергии и предсказанию существования позитрона на основе квантования этого соотношения Дирак интерпретировал (1928 г.) возможность существования положительной и отрицательной энергии частиц и отрицательных и положительных частиц как следствие существования некоторой универсальной среды - "моря Дирака" (см. также Смолянский С.А. Вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях.  СОЖ, т.7, № 2, 2001)

 

Дальнейшее развитие представления об универсальной квантовой среде было связано с развитием теории вторичного квантования (см. например, Кингисеп А.С. Вторичное квантование. СОЖ, т.7, № 5, 2001, а также учебники по квантовой теории поля). Здесь с универсальной средой оказалось возможным связать компоненты разложения поля на гармонические составляющие, что позволяет описывать рождение и уничтожения частиц из поля (математического воплощения среды, которую стали называть физическим вакуумом). Поскольку источники по этой теме широко доступны, мы не будем больше останавливаться на истории возникновения понятия ФВ.

 

Отметим, что изучение физического вакуума осознается насущнейшей задачей уже со времен Дирака:

"До настоящего времени имеются существенные затруднения с описанием физического вакуума… Дело в том, что при всех условиях состояние физического вакуума есть основное состояние пустоты, т.е. состояние с наименьшей энергией. Основным состоянием вакуума должно быть стационарное состояние, не зависящее от времени. Не может быть стационарного состояния в квантовой механике, оно должно описываться тем или иными соответствующим решением уравнения Шредингера. До сих пор никому не удалось построить такого решения этого уравнения, которое дало бы возможность описать состояние физического вакуума".  Дирак, Поль М. Электроны и вакуум. Изд. Знание, М., 1957.

 

И в настоящее время эта задача, как оказывается, остается одной из основных:

 

"Первая и основная проблема - понять структуру вакуумного состояния… Если подходить к хромодинамике основательно, то нужна хорошая модель вакуума". Андреев И.В. Хромодинамика, как теория сильных взаимодействий. УФН, т.150, вып.2, 1986, стр.300.

 

Но универсальная среда, подобная ФВ, была введена в физику значительно раньше в трудах ученых, посвященных электромагнетизму, и названа эфиром. В этом смысле можно считать эфир первой моделью ФВ. Сравнение той и другой среды, как мы их можем описать на современном уровне знаний, помогает детальнее представить  ее характеристики.

 

1.2.  Электромагнитный эфир теории Максвелла-Лорентца

 

Первый, кто последовательно строил свои рассуждения и исследования в физике на основе существования некоторой основной среды был Фарадей. Но математическое описание этой среды как поля, т.е. как пространства, характеризуемого в каждой точке некоторыми векторами его состояния, принадлежит Максвеллу. Вклад в изучение этой среды внесли многие ученые, о которых мы упомянем в своем месте. Не будем забывать также, что классическое электромагнитное поле  является, фактически, составной частью квантовой электродинамики.

 

Классическая теория поля есть, фактически, теория электромагнитного поля Максвелла. Что представляет собой в общих чертах это поле и как оно было введено? Какая физическая среда соответствует этому полю? Чем отличается это поле от квантового поля и от ФВ?

 

Попытаемся ответить на эти вопросы, рассмотрев кратко историю становления электромагнитной теории поля. (Для того, чтобы не терять времени на переформулировку известных положений, мы воспользуемся почти дословным цитированием статей различных авторов, исследовавших эту тему, публикации которых можно найти в интернете. Для выделения цитируемого материала мы ограничиваем его знаками диеза).

 

# [1] Воспроизведем в общих чертах логику становления классической теории электромагнитного поля.

 

Как известно, главная задача, которую решал Максвелл [см. доп. литературу] в период создания своей теории и которая была выдвинута всем предшествующим ходом развития науки, сводилась к поискам единого способа описания и объяснения различных аспектов электричества и магнетизма.

 

К этому времени отдельные стороны электромагнитных взаимодействий были достаточно хорошо изучены и отражены в целом наборе относительно самостоятельных систем теоретического знания. К ним относились теоретические модели и соответствующие законы электростатики (закон Кулона, закон Фарадея для электростатической индукции), магнитостатики и взаимодействия стационарных токов (закон Био-Савара, закон Кулона для магнитных полюсов, закон Ампера), электромагнитной индукции (законы Фарадея) постоянного тока (законы Ома, Джоуля – Ленца и т.д.). Эти знания играли роль исходного материала, на который опирался Максвелл при создании теории электромагнитного поля.

 

По отношению к основаниям будущей теории электромагнитного поля это были частные теоретические схемы и частные теоретические законы. Основная проблема заключалась в сведении всей этой совокупности законов к некоторым обобщающим выражениям, из которых можно было бы выводить уже имеющиеся знания в качестве следствий.

 

В процессе создания максвелловской электродинамики творческий поиск направляли, с одной стороны, сложившаяся в науке методология, которой должна была удовлетворять создаваемая теория (объяснение различных явлений с помощью небольшого числа фундаментальных законов, организация теории как дедуктивной системы, в которой законы формулируются на языке математики), а с другой стороны, принятая Максвеллом фарадеевская картина физической реальности, которая задавала единую точку зрения на весьма разнородный теоретический материал, подлежащий синтезу и обобщению. Эта картина ставила задачу – объяснить все явления электричества и магнетизма как передачу электрических и магнитных сил от точки к точке в соответствии с принципом близкодействия.

 

Вместе с постановкой основной задачи она очерчивала круг теоретических средств, обеспечивающих решение задачи. Такими средствами послужили аналоговые модели и математические структуры механики сплошных сред. Фарадеевская картина мира обнаруживала сходство между передачей сил в качественно различных типах физических процессов (механических и электромагнитных) и, тем самым, создавала основу для использования соответствующих математических структур из механики сплошных сред в электродинамику. (Показательно, что альтернативное максвелловскому направление исследований, связанное с именами Ампера и Вебера, при поиске обобщающей теории электромагнетизма исходило из иной картины мира. В соответствии с этой картиной, в которой предполагалась мгновенная передача сил по прямой (дальнодействие), использовались иные средства построения теории: аналоговые модели и математические структуры заимствовались из ньютоновской механики материальных точек).

 

Представление о переменных полях Максвелл ввел с помощью известной модели вихря в несжимаемой жидкости. В той модели вихрь представлял магнитную силу в точке, набор же вихрей моделировал магнитную силовую линию. Опираясь на этот аналог Максвелл выявил конструктивное содержание, соответствующее обобщенной теоретической схеме магнитостатики и взаимодействия стационарных токов, а из обобщающего уравнения, полученного на базе “модели вихря”, вывел как частный случай законы Ампера, Кулона и Био-Савара. #

 

# [2] Вместо действия на расстоянии ньютоновской механики, Максвелл предложил среду, характеризуемую поляризацией и напряжением, через которую излучение распространяется из одной локальной области в другую. Вместо силы, распределенной в среде, Максвелл ввел понятие силового поля. Среда была принята в качестве места проявления всех электромагнитных явлений, и Максвелл идентифицировал электромагнитную среду со светоносным эфиром. Таким образом электромагнитное поле Максвелла не существует в вакууме, но является состоянием среды. Среда имела только ток смещения, и никакого тока проводимости или магнитных источников. Электричество по представлению Максвелла было возмущением, в то время как в представлении Уильяма Томсона, с которым Максвелл переписывался в 1830-ых годах, возмущение производилось электричеством.

 

Согласно взглядам Максвелла уравнения движения были определены только в местном масштабе, а векторный потенциал был физической и первичной величиной. Это представление держалось приблизительно до 1873.

 

В дальнейшем Heaviside, Fitzgerald, Lodge, и Hertz свели векторный потенциал к роли математической вспомогательной переменной, приняв условие, которое известно как условие Lorentz'а. Однако, поле A все еще оставалось в качестве места накопления энергии в электротоническом состоянии.

 

Версия Heaviside'а теории Максвелла была развита приблизительно в 1888, и это - то, что известно во всех учебниках как "уравнения Максвелла". Фактически они являются интерпретацией Heaviside'ом первичного намерения Максвелла. #

 

# [3] После того как уравнениям Максвелла была придана более простая форма (заслуга, в основном, О. Хевисайда и Г. Герца), полевые уравнения стали ядром электромагнитной теории. Хотя эти уравнения сами по себе и не требовали максвелловской интерпретации на основе представлений о напряжениях и давлениях в эфире, такая интерпретация повсеместно была принята. Несомненный успех уравнений в предсказании и объяснении различных электромагнитных явлений был воспринят как подтверждение справедливости не только уравнений, но и механистической модели, на основе которой они были выведены и истолкованы, хотя эта модель была совершенно не существенна для математической теории.

 

Фарадеевские силовые линии поля и трубки тока наряду с деформациями и смещениями стали существенными атрибутами эфира. Энергия рассматривалась как запасенная в напряженной среде, а ее поток Г.  Пойнтинг в 1884 представил вектором, носящим теперь его имя. В 1887 Герц экспериментально продемонстрировал существование электромагнитных волн. В серии блестящих экспериментов он измерил скорость их распространения, а также показал, что они могут отражаться, преломляться и поляризоваться. В 1896 Г. Маркони получил патент на радиосвязь.

 

В континентальной Европе независимо от Максвелла развивалась теория дальнодействия – совершенно другой подход к проблеме электромагнитного взаимодействия. Максвелл писал по этому поводу: «Согласно теории электричества, которая делает большие успехи в Германии, две заряженные частицы непосредственно действуют друг на друга на расстоянии с силой, которая, по Веберу, зависит от их относительной скорости и действует, согласно теории, основанной на идеях Гаусса и развитой Риманом, Лоренцом и Нейманом, не мгновенно, а спустя некоторое время, зависящее от расстояния. По достоинству оценить мощь этой теории, которая столь выдающимся людям объясняет любой вид электрических явлений, можно, лишь изучив ее». Теорию, о которой говорил Максвелл, наиболее полно развил датский физик Л.  Лоренц с помощью скалярного и векторного запаздывающих потенциалов, почти таких же, как и в современной теории. Максвелл отвергал идею запаздывающего действия на расстоянии, будь то потенциалы или силы. «Эти физические гипотезы совершенно чужды моим представлениям о природе вещей», – писал он. Тем не менее, теория Римана и Лоренца в математическом отношении была идентична его теории, и в конце концов он согласился, что в пользу теории дальнодействия свидетельствуют более убедительные доказательства. В своем Трактате об электричестве и магнетизме (Treatise on Electricity and Magnetism, 1873) он писал: «Не следует упускать из виду, что мы сделали всего лишь один шаг в теории действия среды. Мы высказали предположение, что она находится в состоянии напряжения, но совершенно не объяснили, что это за напряжение и как оно поддерживается».

 

В 1895 голландский физик Г. Лорентц объединил ранние ограниченные теории взаимодействия между неподвижными зарядами и токами, которые предвосхищали теорию запаздывающих потенциалов Л. Лоренца и были созданы в основном Вебером, с общей теорией Максвелла. Г. Лорентц рассматривал материю как содержащую электрические заряды, которые, различными способами взаимодействуя между собой, производят все известные электромагнитные явления. Вместо того чтобы принять концепцию запаздывающего действия на расстоянии, описываемого запаздывающими потенциалами Римана и Л. Лоренца, он исходил из предположения, что движение зарядов создает электромагнитное поле, способное распространяться сквозь эфир и переносить импульс и энергию от одной системы зарядов к другой. Но необходимо ли для распространения электромагнитного поля в виде электромагнитной волны существование такой среды, как эфир? Многочисленные эксперименты, призванные подтвердить существование эфира, в том числе и эксперимент по «увлечению эфира», дали отрицательный результат. Более того, гипотеза о существовании эфира оказалась в противоречии с теорией относительности и с положением о постоянстве скорости света. Вывод можно проиллюстрировать словами А.Эйнштейна: «Если эфиру не свойственно никакое конкретное состояние движения, то вряд ли имеет смысл вводить его как некую сущность особого рода наряду с пространством».#

 

Отметим, что справедливость этого высказывания следует относить  только к толкованию опыта Майкельсона-Морли, поскольку существуют также и другие высказывания Эйнштейна, которые в отношении других явлений характеризуют эфир иначе (см. ниже).

 

Таким образом, история и методология введения эфира, как универсальной среды, в которой протекают электромагнитные процессы и которая описывается математическим понятием электромагнитного поля, существенно отличается от способа введения ФВ. Грубо говоря, у теоретиков не было необходимости в введении эфира. Он нигде не фигурировал в теории, он не был нужен для вычисления эффектов электромагнитного поля.

 

Появление эфира было обусловлено двумя причинами, тесно связанными со становлением электромагнитной теории. Первой причиной была научная любознательность: ученый спрашивает, что лежит в основе существования данного факта и пытается ответить на этот вопрос (по аналогии с чем то другим или как-то еще). Во-вторых, и Фарадею, и Максвеллу существование некоторой среды, в которой происходили все электромагнитные явления, помогало предсказывать и описывать соответствующие эксперименты, объединять существующие частные теории. После установления электромагнитной теории нужда в эфире, практически. отпала, поскольку его характеристики сами по себе не фигурировали в теории. Думается, что именно это

 послужило основной причиной  его удаления из физики. Выдвигаемая обычно причина - противоречие с экспериментальными данными - на самом деле не выдерживает критики.

 

Часто говорят, что существование эфира противоречит СТО. Это не совсем точная формулировка проблемы приводит к путанице. Действительно, содержанию теории СТО противоречит возможность признания эфира абсолютной системой отсчета. Но это совсем другое качество эфира, по сравнению с качеством "быть средой для электромагнитных процессов". Между этими двумя качествами нет никакой связи, ибо предположение о том, что эфир может служить абсолютной системой отсчета, было введено как независимое дополнительное предположение к его качеству "быть средой электромагнитных процессов". Более того, изучение предмета (см. на сайте emigrin.narod.ru статью "СТО и теория Лорентца-Пуанкаре") показывает, что электромагнитный эфир Максвелла-Лорентца не может служить абсолютной системой отсчета: …"отрицающая эфир теория Эйнштейна требует того же, что и эфирная теория Лорентца. На этом основании наблюдатель должен по теории Эйнштейна наблюдать на движущихся мимо него мерах длины, часах и пр. те же сокращения, разности ходов и т.п., как и по теории Лорентца. Заметим при этом, что принципиально невозможен такой experimentum crucis, который решил бы спор в пользу той или другой теории". (П. Эренфеста, "Кризис в гипотезе о световом эфире", 1913 г.; в сб. "Относительность, кванты, статистика", изд. Наука, М., 1972;  стр. 19). Из этого следует, что не может существовать экспериментального доказательства отсутствия электромагнитного эфира. В чем же тогда преимущество СТО?

 

Утверждение, что никакая среда, точнее никакое протяженное тело или система тел, не может иметь такое качество - "быть абсолютной системой отсчета" является основным постулатом СТО. В рамках СТО это утверждение не может быть обосновано и заранее нет возможности знать, справедливо оно или нет. Но многочисленные эксперименты доказали, что этот постулат справедлив, и это является доказательством того факта, что эфир, действительно, не может быть абсолютной системой отсчета. Но эти эксперименты (и все другие) не доказывают, что эфир не может быть электромагнитной средой. Более того, как это доказал Г. Лорентц (именно об этом говорит в своей статье Эренфест), из электромагнитной теории строго следует, что эфир, действительно, не может быть абсолютной системой отсчета. И для этого не требуется специально принимать постулат: это однозначно следует в электромагнитной теории из преобразований Лорентца. Значение СТО заключается в том, что Эйнштейн расширил область действия этого вывода на любые теории (механику, термодинамику, квантовую механику и т.д.). Доказать его в таком расширенном виде не удалось до сих пор и считается, что это объясняется изначальными свойствами пространства и времени.

 

Таким образом, строго говоря, существование эфира не противоречит СТО. В дальнейшем Эйнштейн, не отрицая существования эфира как среды,  в которой происходят все явления природы, попытался оправдать неприятие эфира другими доводами, которые были  восприняты некритично. К сожалению, этот вопрос продолжает дискутироваться до сих пор и именно на этом основании противопоставляются эфир и ФВ в настоящее время.

 

#[4]  "Отрицать эфир — это, в конечном счете, значит принимать, что пустое пространство не имеет никаких физических свойств. С такими воззрениями не согласуются основные факты механики... Общая теория относительности наделяет пространство физическими свойствами; таким образом, в этом смысле эфир существует. Согласно общей теории относительности пространство немыслимо без эфира; действительно, в таком пространстве не только было бы невозможно распространение света, но и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле слова. Однако этот эфир нельзя представить себе состоящим из прослеживаемых во времени частей; таким свойством обладает только весомая материя; точно также к нему нельзя применять понятия движения" #

 

По видимому, на этом заключении Эйнштейна основаны современные оценки этой проблемы, встречаемые в популярной и научной литературе:

 

# [5] </SPAN><SPAN style="FONT-FAMILY: Arial">К концу прошлого века существование «мирового эфира» стало считаться несомненным. <SPAN style="FONT-FAMILY: Arial">Увы, гипотезу о существовании «мирового эфира» сокрушил знаменитый эксперимент Майкельсона-Морли. А специальная теория относительности, вскоре созданная Альбертом Эйнштейном, и вовсе изгнала его из физики. Но не окончательно: примерно в середине XX века «мировой эфир» вроде бы возродился, только назвали его по-новому — физическим вакуумом.<O:P> </O:P></SPAN>

 

<SPAN style="FONT-FAMILY: Arial">Представление о физическом вакууме как особой материальной среде было введено квантовой теорией поля в связи с необходимостью объяснить механизм возникновения сил физического взаимодействия. В основу этой теории легло представление о том, что тела обмениваются друг с другом так называемыми виртуальными, то есть ненаблюдаемыми, частицами. Например, в случае электромагнитных взаимодействий — виртуальными фотонами. Кроме того, в микромире были обнаружены эффекты, которые иначе, как существованием физического вакуума, было невозможно объяснить. Например, при торможении гамма-кванта высокой энергии как бы «из ничего» рождаются реальные частицы вещества — электрон и позитрон. А при так называемом туннелировании частицы вещества откуда-то берут энергию, которой им недостает для того, чтобы перейти в новое состояние.<O:P> </O:P></SPAN>

 

<SPAN style="FONT-FAMILY: Arial">Однако фоторождение электрон-позитронных пар становится понятным, если допустить, что пространство заполнено смесью всевозможных виртуальных частиц, как бы их незримых заготовок, которые становятся реальными, если энергия гамма-кванта оказывается равной энергии их массы покоя. А туннелирование возможно потому, что частицы вещества на какое-то неуловимое мгновенье как бы берут взаймы у физического вакуума недостающую энергию и тут же отдают ему свой долг, в результате чего законы сохранения не нарушаются.<O:P> </O:P></SPAN>

 

<SPAN style="FONT-FAMILY: Arial">Но чем же тогда физический вакуум отличается от «мирового эфира»? По меньшей мере одной, но весьма существенной особенностью: относительно него невозможно измерить скорость равномерного и прямолинейного движения, что и доказали опыты Майкельсона — Морли. А это значит, что физический вакуум представляет собой НЕПРЕРЫВНУЮ материальную среду, а не среду, состоящую из каких-то ДИСКРЕТНЫХ частиц, между которыми есть абсолютная пустота. Ведь природа ее не терпит! Поэтому и поныне продолжающиеся попытки вернуть в физику «мировой эфир» в виде частиц, поведение которых подчиняется законам классической механики, обречены на заведомую неудачу. #<O:P> </O:P></SPAN>

 

Конечно, по поводу этих высказываний возникают вопросы, на которые трудно дать ответ. В частности, что такое пустота? Откуда известно, что природа не терпит пустоты? Почему частицы эфира должны подчиняться законам классической механики, когда уравнениями движения эфира являются уравнения Максвелла? Почему необходимо понимать под частицами эфира некоторые механические твердые шарики, в то время, как наиболее известная теория эфира - теория Кельвина (см. доп. литературу) - рассматривает эфир как совокупность вихрей в некоторой сплошной среде. К сожалению, легковесность подобных научно-популярных опусов проникает и в школьные, и в  университетские учебники, создавая ложные представления.

 

 

(Далее)

 

(Начало)

 

(Литература)