Что такое физический вакуум

Что такое физический вакуум

На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно. Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа , связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера l сосуда, в котором находится газ. Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 Торр) говорят о достижении низкого вакуума( λ )(5000-10000 молекул на 1см3). Обычно низковакуумный насос стоит между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере, увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При λ > > l молекулы газа уже не сталкиваются друг с другом, а свободно перемещаются от стенки до стенки, в этом случае говорят о высоком вакууме(10 -5 Торр)(1000 молекул на 1 см3). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10 -9 Торр и ниже. К сожалению в земных условиях пока не получен. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10 -30 Торр и ниже(1 молекула на 1 см3).Встречается полное отсутствие молекул.

Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается при атмосферном давлении, что связано именно с длиной свободного пробега газа.

Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры. Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере, и т. д.

Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.

Физический вакуум

Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое вещества пространство. Даже если бы удалось получить это состояние на практике, оно не было бы абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами, но не только, а также в теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии, и т. д.

Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира [1] и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (так называемых ложных вакуумов) является одним из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.

Но, пожалуй, самым наглядным из явлений, которые нельзя объяснить, не используя идею о нулевых колебаниях вакуума, это спонтанное излучение. Самые обыкновенные излучающие спонтанно лампы накаливания не светились бы, если бы вакуум был абсолютной пустотой. Дело в том, что любой объект (а, значит, и возбужденный атом), помещенный в абсолютно пустое пространство, представляет собой замкнутую систему. А поскольку такая система стабильна во времени, то никакого излучения не происходило бы. Уже из этого простого рассуждения понятно, что объяснение спонтанного излучения требует привлечения более сложной модели вакуума, чем классическая абсолютная пустота.

Под физическим вакуумом понимается не тот «технический вакуум», который образуется в результате откачивания воздуха из какого-либо сосуда, а особое состояние материи. Физический вакуум – это среда, которая фактически заполняет мировое пространство и с ней тесно связаны его фундаментальные физические свойства.

В каждой точке пространства каждое мгновение физический вакуум рождает частицы и античастицы, которые тут же аннигилируются, испуская световые кванты, которые в свою очередь мгновенно поглощаются. В частности, было установлено, что родившийся из вакуума электрон может существовать как реальная частица лишь в течение всего 10 в – 22 степени секунд. За это время он никак не может «проявить себя», то есть вступить во взаимодействие с какой-либо другой реальной частицей. Выяснилось также, что электрон в силу некоторых фундаментальных законов микромира никогда, ни при каких обстоятельствах не может находиться в состоянии покоя – отнять у электрона всю энергию невозможно, при любых условиях он будет находиться в движении, дрожать.

В каждый момент времени в рассматриваемом объёме существует многообразие частиц и квантов излучения. Элементарных частиц – не только электронов и позитронов, — возникающих из вакуума и тут же исчезающих, должно существовать великое множество. Подобные «невидимые» частицы назвали «виртуальными». Они одновременно как бы существуют и не существуют. Считается, что в вакууме имеются все возможные виды элементарных частиц. Однако при обычных условиях их энергии недостаточно, чтобы вырваться в реальный мир и превратиться в частицы обычного вещества. Присутствие подобных частиц физики назвали «нулевыми колебаниями вакуума».

Читайте также:  Белки перевариваются ферментами

Исследование последних лет позволяет считать, что во многих отношениях физический вакуум ведёт себя подобно сверхпроводнику. Сверхпроводимость – это особое состояние некоторых металлов (при низких температурах), при котором полностью исчезает сопротивление. Из теории физиков С. Вайнберга и А. Салама следует, что в физическом вакууме могут возникать коллективы частиц, находящихся на нижнем энергетическом уровне – так называемый конденсат. При этом обнаружилось поразительное обстоятельство: от того сколько «скрытых» частиц в таком коллективе, зависят физические характеристики реальных частиц, например, их масса.

Но самое важное состоит в том, что та скрытая от наших глаз форма материи «физический вакуум» способна при некоторых условиях рождать вещественные частицы без нарушения законов сохранения. Подобные условия могут складываться как под воздействием внешних сил, скажем, мощных полей тяготения или электромагнитных полей, так и «спонтанно», самопроизвольно.

Московский физик и математик Л. В. Лесков высказал предположение о том, что в нашей Вселенной, наряду с миром материальных объектов существует особая разновидность физического вакуума – «меон», обладающая свойствами особого «информационного пространства».

В 1978 известный московский физик Н. И. Кобозев высказал предположение, что в атомно-молекулярных структурах нейронных сетей головного мозга человека существует своеобразный вакуум, состоящий из особых сверхлёгких частиц – «психонов». Именно эти частицы воспринимают информацию, поступающую из внешнего мира, и передают её мозгу. В результате этого процесса и возникают такие удивительные явления, как интуиция, озарения и тому подобные феномены.

Существует несколько теоретических концепций, описывающих явления, происходящие в физическом вакууме. Одна из них разрабатывается российскими физиками А. Е. Акимовым и Г. И. Шиповым. В её основе лежит предположение о существовании «абсолютного вакуума», обладающего свойствами кривизны и кручения. Эти учёные изучают так называемые торсионные взаимодействия и торсионные поля, возникающие при вращении и кручении различных материальных объектов.

Источник информации книга В. Н. Комарова «Тайны пространства и времени»

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 .

Читайте также:  Манго состав калорийность

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 1СР 21 —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.

Читайте также:  Греплинг удушающие приемы

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».

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector