Другие журналы на сайте ИНТЕЛРОС

Журнальный клуб Интелрос » Вестник РОССИЙСКОГО ФИЛОСОФСКОГО ОБЩЕСТВА » №1, 2014

Антипенко Л.Г.
К ВОПРОСУ О ПРИРОДЕ ФИЗИЧЕСКОГО ВАКУУМА

С тех пор как демокритовское представление о пустоте, в которой беспрепятственно движутся атомы − кирпичи мироздания, − сменилось представлением о физическом вакууме, возникшим в квантовой теории физики, физики-теоретики убедились в том, что квантовые состояния микрообъектов, одно из которых связано с параметрами пространства−времени, а другое соотносится с физическим вакуумом, принципиально отличаются друг от друга. Физический вакуум − специфическая среда, в которой нельзя проследить движение микрочастиц (атомов, электронов, протонов и т.п.) по той причине, что там их нет. Из того факта, что там нет пространственно-временного движения, проистекает вывод, что физический вакуум исключает пространственно-временной универсум или, если сказать точнее, исключает четырёхмерный  пространственно-временной континуум. В связи с этим возникают два существенные вопросы, на которые до сих не получено внятных ответов.

 Первый вопрос можно сформулировать так: в каком отношении между собой находятся пространственно-временной универсум и физический вакуум? Второй вопрос состоит в следующем: если физический вакуум отождествляется, как обычно, с квантовым состоянием движения (движения вакуумной среды), то находится ли он под властью времени? Другими словами: пронизывает ли его временной поток? Среди многих физиков и философов, интересующихся проблемами физической реальности, бытует расхожее мнение, согласно которому физический вакуум безразличен ко времени, ибо в нём царит абсолютный хаос, а в абсолютном хаосе невозможно установить какую бы то ни было последовательность событий, которая позволяла бы судить о ходе времени. Но так ли обстоит дело в действительности? Попытаемся найти ответы.

Имеется три подхода к изучению квантовой структуры вакуумной среды:

1)      с позиции теории квантованных полей;

2)      с позиции теории тепловых излучений и квантовой формулы Планка;

3)      с позиции теории спиноров при той их трактовке, которая даётся при общем (а не частном) решении квантово-релятивистского уравнения Дирака.

Выражение «теория квантованных полей» означает, что в ней изучается множество полей в зависимости от сорта частиц. Имеется в виду электронно-позитронное поле, протон-антипротонное, электромагнитное поле, квантами которого служат фотоны и т.д. Процедура соотнесения частиц с соответствующими полями называется вторичным квантованием. В книге А. Гриба «Концепции современного естествознания»[1] находим такое разъяснение: При построении теории многих частиц советским физиком В.А. Фоком было введено важное понятие фоковского квантования поля. В результате развития этой теории появилось новое понятие локального квантованного поля. Оказалось, что каждой частице можно сопоставить не только волновую функцию, но и особое поле, зависящее от точки в пространстве и времени. Оперирование с четырёхмерным пространством-временем позволяет ввести понятие плотности тока частиц по аналогии с электромагнитным полем для фотонов.

Далее Гриб пишет: «Понятия частицы и её квантованного поля находятся в отношении дополнительности. Операторы числа частиц и тока частиц и античастиц не коммутируют. Поэтому одновременно они не существуют: если измеряется определённое число частиц, то при этом не существует их квантованное поле, если существует поле, то не существует определённого числа частиц»[2]. А затем делается вывод, что при нулевом числе частиц (а это число, стало быть, определённое) не может не существовать отличное от нуля значение поля. Это поле и отождествляется с физическим вакуумом. Считается, что вакуум является единым для всех сортов частиц. А существование частиц есть как раз показатель существования пространства-времени. Отсюда мы можем сделать заключение, что пространственно-временной универсум находится в отношении дополнительности (идея дополнительности Н. Бора) с физическим вакуумом.

При изучении тепловых излучений физик имеет дело с одним − электромагнитным − полем. При этом к нему добавляется система осцилляторов, излучающих электромагнитные волны. Макс Планк, решая задачу распределения энергии по всему спектру излучения абсолютно чёрного тела, превратил эту систему в систему термодинамическую. Он ввёл процедуру, согласно которой каждый осциллятор, получая очередную порцию энергии, которую он затем, излучает, наделяется вместе с тем и определённой энтропией. Поскольку автор рассматривал равновесные состояния системы, находящиеся каждый раз при определённой температуре T(Т − температура, отсчитываемая по абсолютной шкале Кельвина), он смог представить энергию, получаемую и излучаемую каждым осциллятором, в виде формулы

, где S − энтропия, а − среднее значение её приращения.

Отсюда в его формуле (выписывать мы здесь её не будем, чтобы не усложнять восприятия текста) появилось отношение , где k − универсальная константа Больцмана, имеющая ту же размерность, что и энтропия, h − постоянная Планка. Вместе с тем стало видно, что  есть квант энергии, соответствующий той частоте волны , которую генерирует осциллятор. Несколько позже этот квант энергии получил название фотона.

Своеобразие осцилляторной модели Планка состоит в том, что в ней каждый дискретный уровень энергии оказывается кратным. Поэтому всякий осциллятор при скачкообразном понижении того или иного уровня энергии может испустить несколько одинаковых по величине квантов энергии. Физики чаще всего выражают эту мысль в виде следующей формулировки: при квантовании свободного бозонного поля (в данном случае имеется в виду поле фотонов) каждой моде с вектором k и частотой (k) отвечает осциллятор, уровни энергии которого суть:

,

где  (=0, 1,2, …) − число квантов с импульсом hkи с энергией (k).

В основном состоянии этого поля кванты (фотоны) отсутствуют:  Однако энергия его оказывается отличной от нуля и равной 1/2 (k). Отсутствие фотонов означает отсутствие осцилляторов (реальных атомов), излучающих кванты с энергией . Стало быть, остаётся физический вакуум с нулевыми колебаниями.  Суммирование по всем модам нулевых колебаний, приписываемых каждому «следу» осциллятора,  даёт полную энергию, равную 

(k). (Не имеет пока значения то обстоятельство, что данная сумма расходится).

Использование в квантовой формуле Планка абсолютной температуры T  наводит на мысль, что может существовать такая квантовая среда, в которой температура (вместе с энтропией) имеет отрицательное значение. Гипотеза о том, что вакуум представляет собой среду с отрицательными значениями температуры и энтропии, была высказана автором в одной из ранее опубликованных работ[3]. Фактически данную гипотезу должно признать истинной, исходя из экспериментально установленного факта: нулевые колебания вакуума вносят такие изменения в тонкую структуру спектра излучений атома водорода, которые повышают потенциальный уровень энергии электрона в одном из состояний возбуждённого атома (имеется в виду лэмбовский сдвиг)). 

Теперь имеется возможность решить вопрос относительно времени. Вопрос ставится так:  если с переходом в стихию физического вакуума утрачиваются в целом пространственно-временные атрибуты физических объектов, тогда как обстоит дело с течением времени, взятого отдельно от пространства? Ответ от других исследователей мне пока неизвестен. Известно лишь то, что Дирак этот вопрос затрагивал, но только косвенно, в рамках понятий стационарных и нестационарных состояний квантовых систем. В статье «Электроны и вакуум» (1957) он писал, что трудность решения проблемы связана как раз с понятием квантового состояния. Дело в том, что при всех условиях состояние физического вакуума есть основное состояние, т.е. состояние с наименьшей энергией. Как основное стационарное состояние оно, по определению,  не зависит от времени. Но в квантовой механике, замечает он, не может быть такого состояния: оно должно описываться тем или иным соответствующим решением уравнения Шредингера. До сих пор, однако, «никому не удалось построить такое решение уравнения, которое дало бы возможность описать состояние физического вакуума»[4].

Стационарными состояниями в квантовой механике называются, вообще говоря, такие состояния, при которых вероятности значений физических величин и их средние значения не зависят от времени. Решение уравнения Шредингера, при условии, что гамильтониан, стоящий в уравнении, явно не зависит от времени, даёт ансамбль таких состояний. Пример − состояния электрона в атоме водорода. Понятие же основного состояния электрона означает, что частица находится на «самой нижней орбите» атома при минимуме потенциальной энергии. В таком плане надо понимать состояние физического вакуума.

Разрешение данного затруднения состоит в том, что мы должны учитывать тепловой расклад вакуумной  энергии, остающейся неизменной, если в него не привносится энергия извне. (Флуктуации не меняют сути дела). При её количественной неизменности остаётся, однако, возможность изменения её компонент, произведение которых даёт её величину. Имеются в виду величины температуры и энтропии. Их последовательное изменение, с компенсацией одного другим, не может оставаться вне времени. Эффекты таких изменений известны и вполне наблюдаемы, однако обсуждать их здесь нет возможности.

Остаётся получить ответ на третий из вышеперечисленных вопросов. Когда от состояния вакуума мы переходим к изучению движений и взаимодействий отдельных микрообъектов, мы замечаем, что они носят на себе «следы» теплового режима, присущего породившей их  вакуумной стихии. Эти следы обнаруживают себя в свойствах времени. При полном решении квантово-релятивистского уравнения Дирака, описывающего свободное движение электрона, результаты решения представляются[5] в виде двух спиноров, свидетельствующих о наличии у электрона двух дополнительных (помимо спина) степеней свободы, именуемых физиками левой и правой спиральностями. Этим спинорам соответствуют два оператора времени, собственными значениями которых являются соответственно вещественная и мнимая величины времени. Исходя из этого делается вывод, что состояние движения электрона слагается из двух ингредиентов: с досветовой скоростью и сверхсветовой скоростью. (Может быть, следует сказать несколько осторожнее: наличие в  двойственном состоянии движения электрона мнимого времени выглядит так, как если бы электрон двигался (в одном из двух состояний), со сверхсветовой скоростью). Во всяком случае, есть все основания к тому, чтобы сделать вывод о двойственном характере времени, слагаемого из двух компонент − энтропийной (разрушительной) и антиэнтропийной (созидательной), вещественной и мнимой.

Полное решение уравнения Дирака даёт описание движения как электрона, так и позитрона. Сцепление двух электронных спиноров с двумя позитронными спинорами (спиральности их должны быть противоположными)  приводит к погружению частицы и античастицы  в состояние вакуума. Подробности на этот счёт в дальнейших публикациях.   



[1]  См.: Гриб А. Концепции современного естествознания. М., 2003.

[2]  Гриб А. Указ соч. С. 171.

[3]  См.: Антипенко Л.Г. К вопросу о создании новой Палаты весов и мер (Сверхметрическая идеология современной науки). М., 2002.

[4]  Дирак П.А.М. Собр. науч. трудов. Т. III. М., 2004. С. 435.

[5]  См. об этом: Пенроуз Р. Путь к реальности или законы, управляющие вселенной. М. – Ижевск, 2007. С. 515-534.

Архив журнала
№4, 2014№1, 2014№4, 2013№3, 2013№2, 2013№1, 2013№4, 2012№3, 2012№2, 2012№1, 2012№4, 2011№3, 2011№2, 2011№1, 2011
Поддержите нас
Журналы клуба