Актуальное и потенциальное

Будущность образования и развития основных идей физического знания связана с возможностью построения единой теории поля. Унификация в описании всех известных взаимодействий еще не решает полностью проблемы единства материи, ибо за пределами этой теоретической схемы остается проблема "пустоты" (в раннегреческих представлениях "кенон"). Современный взгляд на эту проблему основан на представлениях о так называемом "физическом вакууме" и связанной с ним вакуумной идеей пространства-времени, которая определяет физические процессы на расстояниях порядка планковских. Предполагается, что решение проблемы возможно на основе представлений о "физическом вакууме" как протяженной материальной среды, обладающей внутренней структурой и определенным образом реагирующей на внешнее воздействие, а также на рассмотрении диалектики взаимодействия функциональной и изобразительной моделей "физического вакуума" в образовании материальных микрообъектов, их взаимодействий. Эта задача является на сегодняшний день одной из самых актуальных в научном познании и для ее решения необходимы коллективные усилия философии и физики.

В качестве онтологической основы для решения этой проблемы служит учение о материи и ее атрибутах, а также представление о том, что метрика и топология пространства-времени определяется материей. И обнаруживается, что геометрия пространства-времени, возможно, определяется не только массивными объектами, но и другими, более тонкими видами материи (например, "физический вакуум"), учет которых может привести к важным для космологии следствиям, например, отличной от нуля космологической посто-

стр. 42

янной. В этом плане содержание материи будет пониматься как единство вещества (возбужденное состояние поля), собственно поля и "физического вакуума" как наинизшего энергетически состояния поля.

Каждый раздел физики, обладая определенной автономией, образует конкретную физическую теорию со своими основными принципами, понятиями, уравнениями, моделями и методами. Объединяет их один и тот же объект исследования - материя как квантовое поле, образующее в возбужденном состоянии вещество, а при наинизших энергетически уровнях - это "физический вакуум". И тогда естественно возникает проблема статуса "физического вакуума" как "праматерии": либо это концептуальная модель в номиналистической интерпретации, либо реалистическая в соответствующей интерпретации как более глубокий уровень организации материи. "Физический вакуум" по определению проявляет себя наличием виртуальных частиц, поэтому методологический статус обозначенного субстрата зависит от статуса виртуальной частицы, т. е. является эта частица реально наблюдаемой или же это возможная частица, используемая в качестве конструкта теории.

Итак, возникает проблема определенности физической реальности, проблема существования "физического вакуума" и виртуальных частиц. Для решения этих проблем необходим глубокий философско-теоретический и методологический анализ понятия "физического вакуума" как особого способа существования (в генезисе представлений "ничто"), как исходной абстракции¹. Ограниченная наблюдаемость виртуальных частиц, по-видимому, является следствием особой природы "физического вакуума" как вида реальности, его способности быть носителем возможных виртуальных процессов. И поскольку принимается, что единый "физический вакуум" обусловливает в конечном счете все виды физических взаимодействий, постольку изолированное теоретическое описание одного из них, не учитывающее всех других, вполне может вести к парадоксам. Понятие физической реальности с точки зрения современной квантово-релятивистской парадигмы представляет собой единство (синтез) абсолютного (инвариантного) и относительного (вариантного) бытия, а также актуального и потенциального бытия, что в свою очередь отражает объективное единство этих видов

¹ См.: Верешков Г. М., Минасян Л. А., Саченко В. П. Физический вакуум как исходная абстракция // Философские науки. 1990. N 7.

стр. 43

бытия². Именно таким статусом бытия, по логике вещей, и должен обладать "физический вакуум".

Однако поскольку такой вид бытия не обладает обычными чертами качественной определенности, ему в максимальной степени присущи свойства хаотичности и неопределенности. Многие философы-"физики" античности (Анаксимандр, Плотин и др.) понимали исходную реальность как бесконечную, неопределенную, невыразимую в обычных понятиях и терминах. И в самом деле, вакуум квантовой теории поля с протекающими в нем многофазными виртуальными процессами может считаться самым аморфным и неопределенным из всех известных физических объектов. Особенно важно подчеркнуть, что в таком случае и ввиду этих своих особенностей "физический вакуум" оказывается вовсе не самым бедным, а, наоборот, потенциально самым богатым видом реальности³. Дело в том, что потенциально (виртуально) "физический вакуум" содержит всевозможные частицы и состояния, которые могут возникнуть из него при наличии соответствующих условий.

Нетрудно тогда понять, почему основным способом существования "физического вакуума" становится именно потенциальное бытие. Претендуя на статус особого фундаментального вида реальности, "физический вакуум" должен служить источником существования неисчерпаемого многообразия самых различных физических явлений, в том числе взаимно исключающих друг друга. В потенции могут сосуществовать не только различные, но и взаимоисключающие вещи и состояния (Аристотель). Кроме того, понимание "физического вакуума" как потенциального бытия естественно приводит к представлению о нем как об источнике всех основных физических взаимодействий. Если согласиться с пониманием "физического вакуума" как потенциального бытия и относительного "ничто", то становятся более понятными ограничения стандартных критериев существования (наблюдаемости и системности) в квантовой теории поля. В частности, это касается ненаблюдаемости виртуальных частиц и процессов, однако вопрос о характере критериев существования для случая потенциального бытия нуждается в дальнейших исследованиях.

Идея пустого абсолютного пространства - "физического вакуума" возникла при осознании того, из чего состоит и откуда про-

² Бранский В. П. Философия физики XX в. Итоги и перспективы. СПб., 2003. С. 57.

³ Мостепаненко А. М., Мостепаненко В. М. Концепция вакуума в физике и философии // Природа. 1985. N 3. С. 88 - 95.

стр. 44

изошел окружающий мир. Следы этой идеи можно найти в самых древних источниках, различные физические и философские школы по-разному относились к понятию пустоты. Согласно квантовой физике космическая пустота (вакуум) - сложнейший объект, целый мир, самое сложное из всего, с чем до сих пор приходилось иметь дело физике, один из самых основных ее объектов. Речь идет о "физическом вакууме", вещественном, материальном и, не исключено, что существуют онтологически другие миры (идея множественности возможных миров) с различным вакуумом (принцип неисчерпаемости материи), и, может быть, наш мир - один из них. Характерная черта квантово-полевых представлений о вакууме - учет его сложной структуры, многообразных форм его активности, имеющих, однако, потенциальную природу и требующих для своего проявления вмешательства энергетического фактора. Знаменитый древнегреческий мыслитель Фалес Милетский, который первым попытался разложить мир на исходные стихии - элементы, был убежден, что абсолютной пустоты в мире быть не может: любая, даже самая малая его часть заполнена водой, воздухом или еще какой-либо стихией. Демокрит же, напротив, считал пустоту истинной первоосновой мира, на фоне которой как раз и проявляется вся сложность наблюдаемых вещей и явлений. Только пустота, учил он, позволяет телам двигаться в пространстве - если бы все вокруг было чем-то заполнено, то им некуда было бы перемещаться, ибо сжатие тоже требует пустоты. Демокрит подчеркивал диаметральную противоположность полного и пустого, атомов и пустоты. Пустоты нет, возражал ему Платон, ибо тела движутся, заменяя собой заполняющую все пространство среду. Это подобно вращению колеса: одна часть его замещает другую, и нигде нет разрывов, подобная точка зрения была характерна и для ньютоновской механики. Более того, такие мыслители, как Аристотель, Декарт, Лейбниц, вообще отрицали существование в природе пустоты. Эта философская традиция косвенно проявилась в электродинамической модели мира Фарадея - Максвелла с ее понятием классического поля.

Современные представления о "физическом вакууме" в квантовомеханическом подходе как о неопределенном, потенциальном, чрезвычайно сложном проявлении бытия с трудом укладываются в узкие рамки макроскопического научного языка. Возникает противоречие в представлениях, когда световая волна распространяется в космической среде - "физическом вакууме", и если там ничего нет, тогда она не сможет распространяться. Поэтому сам факт

стр. 45

распространения световой волны говорит о том, что такая среда - это все же не пустота в смысле нематериального "небытия", а какая-то особая светоносная, материальная субстанция (например, электромагнитный эфир). Субстанция до того тонкая, что проникает сквозь стенки сосудов и ее в отличие от воздуха в принципе нельзя откачать. Декарт считал, что сосуд может быть пустым, когда в нем нет воды, но на самом деле там остается воздух, и если теперь из кажущегося пустым сосуда убрать и воздух, в нем опять что-то должно остаться - это и есть эфир. Но тогда эта заполняющая все пространство субстанция должна мешать движению небесных тел, которое веками остается неизменным, хотя для того, чтобы передавать световые волны, эфирная среда должна обладать весьма значительной плотностью. Однако ни в одном эксперименте не удается зарегистрировать "эфирный ветер".

Для того чтобы сделать модель нагляднее, иногда говорят, что фотоны двигаются в пустом пространстве по нечетко определенным, размазанным траекториям, которые имеют форму волны. Это очень упрощенное описание того, что происходит на самом деле, ибо такими свойствами обладают не только фотоны, но и все другие микрочастицы, каждая из них одновременно имеет корпускулярные и волновые характеристики. Однако следует иметь в виду, что такое описание микромира - макроскопическое и в этом случае действует главный принцип квантовой механики: корпускулярно-волновой дуализм. Но квантовую модель волнового движения в абсолютно пустом пространстве еще нельзя считать достаточно ясной. Дело не в том, что сама квантовая механика все еще выглядит странной и парадоксальной, а в том, что точно неизвестно, что же заставляет тождественные по своим свойствам частицы в совершенно одинаковых условиях "физического вакуума" двигаться по-разному. Квантовая механика представляет собой всего лишь временную постройку, приближенное макроцентрическое изображение подлинного, скрытого пока представления явлений, где частицы двигаются по строго определенным траекториям, но только эти траектории размазанные, и выделить то, что заставляет их двигаться таким образом, пока нельзя.

"Физический вакуум" (по современным понятиям) не пустота в буквальном смысле, а то, что остается, если убрать все частицы и кванты любых физических полей⁴. Такой "физический ваку-

⁴ Не следует, однако, путать представление о физическом вакууме как о потенциальном бытии с представлением о техническом вакууме как пространстве, из которого "откачено" все вещественное.

стр. 46

ум" - не пустое (геометрическое) пространство. Из-за квантовых эффектов на весьма короткое время появляются так называемые виртуальные частицы, чтобы затем поглотиться "физическим вакуумом"⁵. Согласно соотношению неопределенностей ΔE = h/Δt, за промежуток времени Δt закон сохранения энергии может нарушаться на величину ΔE. Эта энергия способна создать в пустоте виртуальные частицу и античастицу общей массой m = ΔE/(2c²), Через промежуток времени Δt частицы сливаются и исчезают (остаться и разлететься они не могут, иначе нарушается закон сохранения энергии). Это появление и исчезновение частиц ("кипение вакуума") и есть то, что остается в пустоте после удаления реальных частиц и квантов физических полей. Удалить это кипение (квантовые флуктуации) невозможно, так как это означало бы нарушение соотношения неопределенностей. Кипение вакуума проявляется и в том, что частицы-переносчики полей могут вступать во взаимодействие с виртуальными частицами.

Сильное электромагнитное поле способно разделить виртуальные частицы (электрон и позитрон), придать им энергию и превратить в реальные частицы, поэтому понятие виртуальной частицы нетривиально. Правомерность применения к ней слова "существующей" связывают с представлением как о следе математического описания, ибо представление о виртуальной частице как реальности противоречит законам сохранения энергии и импульса. К примеру, когда говорят, что нуклон окружен "шубой" пионов или нуклоны взаимодействуют, обмениваясь пионами, говорят о виртуальных пионах. Однако их физически реальное существование имеет место, но на малые времена и на малых расстояниях. Закон сохранения энергии и импульса нарушается на то же короткое время и на тех малых расстояниях, которые были оценены выше. Виртуальные частицы могут реализоваться, если передать им энергию так, чтобы их образование не противоречило закону сохранения импульса и энергии. Осознание этой возможности приводит к ярким картинам, например движущееся тело с энергией, соответствующей нескольким ГэВ/нуклон, "выворачивает" из "физического вакуума" вдоль своей траектории куски вещества и антивещества. Уже сегодня быстрые протоны образуют пары дейтрон-антидейтрон, гелий-антигелий, а сам "физический вакуум" непрерывно кипит, порождая самые разнообразные виртуальные частицы.

⁵ См.: Киржниц Д. А., Линде А. Д. Фазовые переходы в физике элементарных частиц и космологии // Наука и человечество. М., 1982.

стр. 47

Такое представление в современной физике все более настойчиво отражает мысль о сложной микроструктуре "физического вакуума". Исследования показали, что магнитный момент электрона несколько больше, чем следовало бы по теории Дирака, а существование нулевых колебаний поля приводит к размытости электрона. В результате он слабее взаимодействует с протоном в атоме водорода, чем точечный электрон, что приводит к лэмбовскому сдвигу - смещению спектральных линий. Эти результаты объяснялись размытостью границ электрона и тем, что он не является "голым", а окружен виртуальными частицами. В настоящее время изучение свойств "физического вакуума" находится в начальной стадии, но эта задача представляет исключительный интерес для всей физики в целом, включая физику "элементарных" частиц и космологию. В контексте такого видения вещественные образования, обладающие массой покоя - элементарные частицы, возникают в результате фазового перехода из "физического вакуума" и представляют собой возбужденные состояния полей. Мир вещественных объектов оказывается как бы погруженным в "физический вакуум".

Следует также отметить, что общепризнанной и исчерпывающей модели "физического вакуума" пока нет, но можно предложить его термодинамическую модель и постулировать следующие свойства: температура вакуума - абсолютный нуль (T = 0); энтропия постоянна и равна нулю в соответствии с третьим началом термодинамики и, как следствие, нет стрелы времени, там вечность; среда обладает свойствами сверхпроводимости, сверхтекучести, т. е. не имеет вязкости. Возможно, уместно будет определить, что носителями физических полей будут являться не объекты, а возбужденный "физический вакуум". Поэтому электрическое поле не принадлежит заряду, а заряд является такой структурой, которая аккумулирует электрическую составляющую энергии "физического вакуума" - точнее, суперполя⁶.

"Физический вакуум", в который погружены все заряды, будет по-разному реагировать на взаимодействия, чем и обуславливается различие их свойств. Тогда это говорит о том, что в тех сферах физической реальности, где существенны калибровочные взаимодействия, базовые пространства, связанные с тривиальным метрическим полем и "физическим вакуумом", совпадают. Рождение частиц из вакуума можно рассматривать как стохастический процесс.

⁶ См.: Салам Г. А. Калибровочное объединение фундаментальных сил // На пути к единой теории поля. М., 1980.

стр. 48

Дестабилизаторами "физического вакуума" могут быть кривизна, нетривиальная топология пространства-времени, высокая температура, излучение и т. п. Если потребовать равенство нулю средних по "физическому вакууму" от тензора энергии-импульса поля, то "физический вакуум", ассоциируемый с дискретными модами, будет обладать отрицательными плотностью энергии и давлением в случае нескрученных и положительными в случае скрученных полей. Среднее значение энергии импульса будет отличным от нуля даже в состоянии "физического вакуума". В случае взаимодействующих полей в однопетлевом приближении безмассовое поле приобретает массу из-за тривиальности топологии; так масса, генерируемая в случае нескручиваемых полей, - вещественная (в случае скрученных полей - тахионная)⁷.

Можно предложить и такое представление, что в определенном смысле "физический вакуум" есть все, и все есть "физический вакуум". Пространство Космоса не является однородным, а имеет два различных состояния: неполяризованный вакуум (хаотический) и поляризованный (структурированный) вакуум. Упорядоченное движение создает вихревые структуры в виде труб или нитей, и эти структуры в среде без вязкости существуют неопределенно долго. Свойства неполяризованного вакуума проявляются, по-видимому, в появлении и квантовании вакуумных флуктуации. При этом полагается, что причина флуктуации случайных динамических процессов есть результат разрешенных спектров состояний хаоса, дискретности случайных процессов.

Современные наблюдательные исследования далеких вспышек сверхновых звезд указывают на присутствие во Вселенной космического вакуума, плотность энергии которого превышает плотность всех других форм космической энергии вместе взятых. Космический вакуум создает как бы поле антигравитации, которое вызывает ускорение космологического расширения, обнаруженное в наблюдениях. Поэтому открытие космического вакуума влечет за собой коренной пересмотр устоявшихся представлений о современном состоянии Вселенной, ибо оно ставит также ряд новых принципиальных проблем как в космологии, так и в фундаментальной физике: значимость именно того значения плотности космического вакуума, которое найдено в наблюдениях; значимость различных компонентов космической среды, имеющих разные, но все же близ-

⁷ См.: Биррелл Н., Девис П. Квантовые поля в искривленном пространстве-времени. М., 1984.

стр. 49

кие по порядку величины наблюдаемые значения плотности. И вместе с тем это открытие, сделанное на больших космологических расстояниях (сотни и тысячи мегапарсек), проливает свет на динамику близкой окрестности во Вселенной, на движения галактик в локальном объеме с радиусом до 10 - 20 Мпк, где космологическое расширение и было первоначально обнаружено⁸.

Если обратиться к ядерной хромодинамике⁹, где возможно использование мысленной модели (главное состоит в опровержении возможностей) - модели "физического вакуума" и кварковых комбинаций, формирующих ядерную материю, то объектом исследований становятся вакуумные конденсаты: области перестроенного "физического вакуума" уже с ненулевой энергией. Это кварк-глюонные конденсаты, кварк-глюонная плазма, которые являются носителями около половины энергии адронов. В адронах состояние вакуумных конденсатов стабилизируется хромодинамическими полями валентных кварков, несущих квантовые числа адронов. Однако кроме этих стабилизированных конденсатов теория предсказывает еще один чрезвычайно интересный и принципиально новый объект - самополяризованный вакуумный конденсат, который представляет собой область пространства, в котором отсутствуют кванты фундаментальных полей, но энергия этих полей не равна нулю. Самополяризованный вакуум - это пример, когда расслоенное пространство-время является носителем энергии. Такая область с самополяризованным вакуумным глюонным конденсатом в эксперименте должна проявляться как мезон с нулевыми квантовыми числами - глюоний.

Квантовополевой подход требует рассматривать кварки и глюоны в адронах и ядре только в их взаимосвязи с "физическим вакуумом" - "морем", имеющим номиналистический, функциональный характер. Кварк-глюонный вакуум есть низшее энергетическое состояние квантового хромодинамического поля, когда в нем отсутствуют реальные кварки и глюоны. Частицы движутся в "физическом вакууме" как своего рода физической среде, обладающей внутренним движением, энергией, способностью поглощать и порождать реальные частицы, причем "физический вакуум" - это

⁸ См.: Чернин А. Д. Космический вакуум // УФН. Т. 171. N 11. 2001.

⁹ См.: Гершанский В. Ф. Теория субатомных и субъядерных взаимодействий. Философско-методологический и теоретический анализ // Философия науки. 2003. N 4 (19).

стр. 50

неограниченная среда. За счет рождения из "физического вакуума" ("моря") виртуальных кварк-антикварковых пар кварки приобретают "шубу" из "морских" кварк-антикварковых пар, глюонов.

Для полноты таких представлений в теории следует принимать во внимание поправки фонового кварк-глюонного поля. Вакуум квантовой хромодинамики существенно отличается от вакуума квантовой электродинамики тем, что в хромодинамике существует конденсат - ненулевое вакуумное среднее квадратов полей: <0 ¦ ψ (x) ψ (x) ¦ 0> ≠ 0 и <0 ¦ F⁰ (х) ¦ 0> ≠ 0, что хорошо известно для случая, когда размерность пространства равна четырем. Это означает присутствие в "физическом вакууме" сильных (флуктуирующих) кварковых и глюонных полей. Населенный флуктуирующими глюонными полями вакуум имеет ненулевую (отрицательную) плотность энергии. Характер вакуумных флуктуации остается не совсем ясным; возможно, что существенную роль здесь играют инстанионы (инстантоны). Вакуум квантовой хромодинамики населен также кварк-антикварковыми парами, дающими отрицательный дополнительный вклад в плотность энергии. Несмотря на все усилия, последовательной реалистической теории вакуумного состояния квантовой хромодинамики на сегодняшний день нет. Один из подходов к исследованию вакуума квантовой хромодинамики состоит в том, что изучаются взаимодействия квантовых глюонных и кварковых полей на фоне некоторого классического калибровочного поля, моделирующего глюонный конденсат. В простейшем случае в роли внешнего поля выступает постоянное хромомагнитное поле абелева типа. Аналогично в концептуальном пространстве размерности 2+1 существуют не равные нулю средние квадратичные флуктуации калибровочных полей, обусловленные тем, что минимум эффективного потенциала достигается при конечных значениях напряженности полей (конденсат)¹⁰.

Отказ от представлений о "физическом вакууме" как о пустоте в буквальном смысле является концептуальным положением современной физики. В настоящее время на основании экспериментально установленных фактов можно предположить, что "физический вакуум" - это среда с очень сложной структурой, которая изменялась в ходе эволюции Вселенной и которую можно перестраивать путем изменений состояния различных видов материи,

¹⁰ См.: Жуковский В. Ч. и др. Радиационный сдвиг энергии кварка в (2+1)-мерной модели КХД с вакуумным конденсатом // Ядерная физика. 1998. Т. 61. N 8.

стр. 51

взаимодействующих с "физическим вакуумом", т. е. путем концентрации энергии в малых областях пространства. Такая концентрация энергии будет изменять не только ситуацию в системе частиц, но и саму структуру пространства, т. е. "физический вакуум" будет являться характеристикой самого пространства-времени. Пустоты как таковой в природе не существует, ибо пространство, свободное от материи, способной к макроскопическим перемещениям, тем не менее, пустым не является, ибо это абсурд. В качестве такой все заполняющей, все порождающей среды рассматриваются спонтанно (самопроизвольно) деформируемые вакуумные структуры. Спонтанная деформация геометрических структур - неизбежное следствие экспериментально проверенных фундаментальных законов природы.

В этом смысле можно предположить, что вакуумные структуры самоорганизуются единственным образом, который только и позволяет существовать во Вселенной макроскопическим структурам (тонкая внутренняя подстройка параметров вакуумных подсистем, подчиненная неизвестным законам и принципам). Такое представление о природе "пустоты" приводит к постановке проблемы о самоорганизации "физического вакуума", которую фундаментальная физика должна будет включить в свою проблематику. Тогда формирование категории "физического вакуума" в макропредставлениях, как объекта со сложной иерархической внутренней структурой, следует рассматривать как результат синтеза гилодинамической (геометрической) и релятивистско-квантовой концепций физики. В этом случае самоорганизация будет проявляться как свойство "физического" вакуума в фазовых переходах, которые еще предстоит исследовать и философски осмыслить. Проблема качественного многообразия мира требует уточнения и углубления, обратившись к такому сложному и неисчерпаемому объекту, как "физический вакуум". Это очень существенно для понимания неисчерпаемости материи и проблемы существования в физике.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Найденный поисковым роботом источник:

Автор(ы) публикации - В. Ф. ГЕРШАНСКИЙ:

Комментарии: