Условия вакуума. Эфир или физический вакуум? Научные и философские проблемы вакуума

Эфир

Понятие об эфире исходит из глубокой древности – в древнеарийскую эпоху оно относилось к особому состоянию материи, называемому «акаша» (пятый элемент материальной природы). Вот как понятие «акаша» освещено в трактате С. Вивекананды «Раджа-йога»: «Это всюду находящееся и все проникающее нечто. Все, что имеет форму, все, что представляет собою результат соединений, все развилось из этой Акашы. Акаша это то, что стало воздухом, жидкостями, твердыми телами. Она сама не может быть замечаема, так как настолько тонка, что находится вне всех обыкновенных восприятий и может быть видима только тогда, когда станет грубою, примет форму. При начале творения существует только эта Акаша; при конце цикла твердые тела, жидкости и газы, все разложатся опять в Акашу».

Две с половиной тысячи лет назад древние греки подхватили и развили это понятие под именем αιυηρ (эфир, небо). В 1618 г. французский философ, физик и математик Рене Декарт предложил рассмотреть эфир в качестве материального переносчика света. По его представлениям, свет является сжатием, распространяющимся в идеально упругой среде (эфире), которая заполняет все пространство. С тех пор идея эфира прочно вошла в научный оборот, особенно в трудах Ньтона, Френеля, Максвелла, Лоренца . Эфирная концепция достигла кульминации в XIX веке, когда Максвелл, опираясь на созданную им модель эфира, получил фундаментальные уравнения электродинамики.

К началу XX в. сложились два взгляда на эфир: либо он увлекается движением тел, либо не увлекается (неподвижен). Из концепции неувлекаемого эфира следовало неравноправие инерциальных систем и существование привилегированной (связанной с эфиром) системы отсчета называемой абсолютной. Эксперименты, призванные выявить такую систему отсчета и скорость относительно нее, были выполнены Майкельсоном (1881 г.), Морли и их последователями, и продолжались на протяжении всего столетия . Эксперименты дали нулевой результат: движение Земли относительно эфира не выявлено. Это интерпретировалось, как доказательство отсутствия эфира, несмотря на попытки Лоренца объяснить нулевой результат сокращением размеров тел вдоль движения . Ожидаемый результат в этих опытах рассчитывался по законам классической механики, поскольку научная общественность не имела другого аппарата (иной механики) для оценки опыта, на момент его проведения. Однако следует подчеркнуть некорректность применения этих законов для случая распространения света в эфире. Главная особенность классической механики – это требование мгновенности распространения взаимодействий, т.е. законы этой механики справедливы только при условии малости скоростей движения по сравнению со скоростью света. Следовательно, все скорости движений, входящие в Ньютоновскую формулу сложения скоростей (v + c ), также должны удовлетворять этому условию. При расчете опыта Майкельсона – Морли это условие оказалось выполненным только для скорости Земли (v ), второе слагаемое – скорость света (c ) – этому условию явно не удовлетворяет. Таким образом, применение механики Галилея – Ньютона незаконно, поскольку нарушает границы её применимости. Для расчета опыта нужна иная механика , отличная от классической и релятивисткой. Основу этой новой механики составляют существование абсолютной системы отсчета, связанной с эфиром, и вытекающее отсюда неравноправие инерциальных систем. В итоге некорректной интерпретации опытов Майкельсона – Морли , завершившейся построением специальной теории относительности (СТО), был теоретически оформлен отказ от концепции эфира, а вместо эфира, с развитием квантовой теории поля, появился термин «физический вакуум».

Физический вакуум

Вакуум (по-латински vacuum) – пустота, т.е. пространство без материи и энергии. Физический вакуум – пространство, не содержащее реальных частиц и энергии, поддающейся непосредственному измерению. Согласно современным физическим представлениям, это наиболее низкое энергетическое состояние любых квантованных полей, характеризующееся отсутствием реальных частиц. Возможность виртуальных процессов в физическом вакууме приводит к ряду эффектов взаимодействия реальных частиц с вакуумом, регистрируемых экспериментально. Физический вакуум представляет собой множество всевозможных виртуальных частиц и античастиц, которые в отсутствии внешних полей не могут превратиться в реальные. По современным представлениям в вакууме непрерывно образуются и исчезают пары частиц–античастиц: электрон–позитрон, нуклон–антинуклон... Вакуум наполнен такими «не вполне родившимися», появляющимися и исчезающими частицами. Они не поддаются регистрации и называются виртуальными. Однако при определенных обстоятельствах виртуальные частицы становятся реальными. Так, например, столкновения частиц высоких энергий или сильные поля рождают из вакуума снопы различных частиц и античастиц. Т.е. вакуум может быть представлен, как особый, виртуальный тип среды. Виртуальность среды проявляется, в частности, в невозможности выявить факт движения относительно неё никакими экспериментальными методами, что равносильно проявлению принципа относительности. Концепция равноправия инерциальных систем, называемая принципом относительности, является фундаментом теорий породивших понятие о физическом вакууме. Т.е. представления о физическом вакууме были логически получены из принципа относительности. Согласно с данными представлениями, свет не нуждается в материальной среде-носителе, а совокупность фотонов образует свободное электромагнитное поле. Самое низкое энергетическое состояние этого поля называют «вакуумом электромагнитного поля» .

Причины, побуждающие вернуться к концепции эфира

На основе принципа относительности была создана специальная теория относительности. Эта теория объяснила накопившиеся к тому времени экспериментальные данные и стала фундаментом современной физики высоких энергий. Ее с успехом применяют при проектировании ускорителей элементарных частиц и в экспериментах с релятивистскими частицами. Тем не менее, есть серьезные основания для того, чтобы отказаться от принципа относительности, лежащего в основе СТО:

1. Специальная теория относительности содержит внутреннее противоречие, известное как парадокс двух близнецов. Предпринимались попытки разрешить этот парадокс привлечением общей теории относительности (ОТО), но это имело успех лишь для малых скоростей движения . В общем случае релятивистских скоростей парадокс остается неустранимым. Наиболее отчетливо нарушения причинно следственных связей между событиями выявляются в «парадоксе трех близнецов» (рассмотренном в ), являющимся развитием мысленного эксперимента с близнецами.
2. Существуют современные эксперименты, устанавливающие зависимость скорости света от направления распространения волны. Серия таких экспериментов была выполнена Стефаном Мариновым, в опытах было выявлено направление распространения световой волны, в котором имеет место превышение скорости света с на величину 360 ± 40 км/с. Результаты экспериментов Маринова вступают в противоречие с постулатом СТО об инвариантности скорости света.

Изложенные причины явились основанием для отказа от принципа относительности, что естественным образом приводит к идее возрождения концепции эфира, для которой характерны неравноправие инерциальных систем, с одной стороны, и зависимость скорости света от направления распространения волны с другой. Концепция эфира заставляет по иному взглянуть на взаимодействие реальных частиц с виртуальными (представляемое в рамках концепции физического вакуума). Указанное взаимодействие есть не что иное, как взаимодействие реальных частиц с реальным эфиром, исключающим необходимость введения искусственных посредников, каковыми являются виртуальные частицы.

Теоретическое обоснование концепции эфира

Не касаясь конкретных моделей эфира, выделим два его свойства, необходимые для дальнейшего изложения: свойство среды-носителя взаимодействий и его неувлекаемость движущимися телами (неподвижность). Таким образом, электромагнитная волна представляет собой распространение возбуждения неподвижной среды-эфира.

Альтернативная интерпретация опытов Майкельсона – Морли

Опыт Майкельсона – Морли в момент становления СТО был проинтерпретирован в соответствии с принципом относительности, а именно: скорость света в любой системе координат имеет одинаковую величину «с » и не зависит от направления распространения волны (т.е. изотропна). Однако из опытов Майкельсона – Морли такой результат не вытекает. В экспериментах Майкельсона – Морли, установлен факт изотропии времени двустороннего распространения света (t + + t – = const) здесь t + ; t – – интервалы времени одностороннего распространения света на отрезке оптической линии длиной L в прямом (от начала отрезка к концу – t +) и обратном (от конца к началу – t –) направлениях. Сторонники принципа относительности, не имея возможности измерить указанные времена раздельно (ввиду отсутствия соответствующей техники и технологии) и опираясь на принципиально неверный расчет опыта, трактовали его результат, как равенство времен t + и t – , отбросив очевидную альтернативную версию: «t + не равно t – , при условии t + + t – = const ». Если ввести величину, называемую скоростью двустороннего распространения света и определяемую как: c = 2L /(t + + t – ) , то для этой величины (а вовсе не для скорости одностороннего распространения света) из опытов Майкельсона – Морли действительно вытекает инвариантность и изотропность (см. подробнее в ).

Такое, казалось бы, незначительное отличие в интерпретации опыта Майкельсона – Морли приводит к диаметрально противоположному результату: к отказу от принципа относительности и к возрождению концепции эфира.

Теория светоносного эфира (СЭТ)

Альтернативная, корректная интерпретация опытов Майкельсона – Морли позволила построить теорию на следующих постулатах:

1. О существовании среды распространения взаимодействий (эфира, не увлекаемого движущимися телами) и связанной с ней абсолютной системы отсчета; свет в указанной среде распространяется прямолинейно и изотропно со скоростью с = 299792458 ± 1,2 м/с.
2. Об инвариантности скорости двустороннего распространения света в инерциальных системах отсчета. Из постулатов вытекают преобразования координат и времени для двух систем отсчета (OX 1 Y 1 Z 1) и (OX 2 Y 2 Z 2), движущихся относительно абсолютной системы с разными скоростями v 1 и v 2 (называемыми в дальнейшем абсолютными) (см. ):

x 2 = (x 1 – u 01 t 1)/γ; y 2 = y 1 ; z 2 = z 1 ; t 2 = γ t 1 ; u 02 = –u 01 /γ 2 ;

(1)

Здесь u 01 – относительная скорость системы (OX 2 Y 2 Z 2), измеренная в (OX 1 Y 1 Z 1), а u 02 – скорость системы (OX 1 Y 1 Z 1 ) относительно (OX 2 Y 2 Z 2 ). Следует отметить, что u 01 не равно u 02 , в отличие от СТО, в которой относительные скорости систем отсчета имеют одинаковую величину. Из формулы t 2 = γt 1 вытекает зависимость скорости течения времени (темпа хода часов) от абсолютной скорости движения инерциальных систем. Системы, имеющие разные абсолютные скорости v 1 и v 2 , не равноправны: темп хода часов выше в системе отсчета, имеющей меньшую абсолютную скорость.

Важным следствием приведенных преобразований является абсолютный характер понятия одновременности событий. События одновременные в одной инерциальной системе отсчета (dt 1 = 0) будут одновременны в любой другой системе (dt 2 = 0), что принципиально отличается от СТО. Соответственно сокращение размеров тел, вытекающее из преобразований (1), является отражением сближения атомов и молекул, составляющих тела вдоль направления движения. В СТО сокращение размеров тел имеет совершенно иной характер, а именно, является следствием неодновременности событий (события, произошедшие одновременно в одной системе отсчета, в другой инерциальной системе отсчета одновременными не являются).

Закон преобразования энергии (E ) и импульса (p ) при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, согласно СЭТ, имеет вид:

p x 2 = γp x 1 , p y 2 = p y 1 , p z 2 = p z 1 , E 2 = (E 1 – u 01 p x 1)/γ.

Связь энергии и импульса в инерциальной системе отсчета, имеющей абсолютную скорость v 0 , определяется соотношением:

(1 – v 0 2 /c 2)E 2 /c 2 + 2(v 0 /c )p x E /c – p 2 = m 2 c 2 .

При v 0 /c 1 формула переходит в известное выражение СТО :

E 2 /c 2 – p 2 = m 2 c 2 .

Пространство и время оказываются взаимосвязанными, однако по иным, чем в СТО, законам. Метрику пространства-времени в инерциальной системе отсчета определяют коэффициенты инвариантной квадратичной формы:

ds 2 = c 2 dt 2 – (1 – v 0 2 /c 2)dx 2 – 2v 0 dtdx – dy 2 – dz 2 .

Важным следствием такой метрики является анизотропия пространства инерциальных систем. Из такой анизотропии вытекают нарушение закона сохранения момента импульса (отметим, что отклонение от закона сохранения момента для систем отсчета, абсолютная скорость которых мала v 0 /c uv 0 /c 2 , где u относительная скорость вращательного движения), а также зависимость скорости света от направления (α") распространения волны:

с "(α") = с –1 .

Асимптотика преобразований (1):

1. Преобразования (1) переходят в классические преобразования Галилея – Ньютона при малых относительных скоростях частиц (u 01 /c v 1 /c
2. Преобразования (1), примененные к частицам, абсолютная скорость которых (v 2) близка к c , переходят в преобразования Лоренца СТО , если мала абсолютная скорость лабораторной (земной) системы отсчета (v 1 /c
3. Преобразования (1) теряют смысл при v ≥ c , что имеет простое физическое объяснение: материя, состоящая из частиц, связанных силами электромагнитного взаимодействия, не может существовать при скоростях, превышающих скорость распространения взаимодействия (частицы материи распадутся, если v ≥ c , поскольку при этом условии волна взаимодействия между элементами, составляющими частицы, не успевает за движением этих элементов).

Таким образом, СЭТ представляет собой более общую, чем СТО, механику и позволяет установить границы применимости последней.

Экспериментальное обоснование концепции эфира

Явление анизотропии скорости распространения света в движущихся системах отсчета позволяет экспериментально установить факт движения инерциальной системы отсчета относительно абсолютной. Однако существуют проблемы и закономерности (доказательство которых дано в ), ограничивающие выбор измерительных методик:

1. Невозможность определения абсолютной скорости объекта интерференционнымиметодами (на оптических линиях, неподвижных в лабораторной системе координат).
2. Проблема синхронизации часов, разнесенных в пространстве, без предварительного знания величины и направления абсолютной скорости системы отсчета.

Опыты С. Маринова

Серия экспериментов по определению абсолютной скорости Земли, отвечающих вышеуказанным закономерностям, впервые была выполнена Стефаном Мариновым (Австрия). В 1984 г. он поставил эксперимент , являющийся развитием опыта Физо с зубчатым колесом по измерению скорости света. Измерялась разность световых скоростей в двух противоположных направлениях (рис. 1).

Рис. 1. Схема опыта С. Маринова

Свет от лазера разделялся на два луча 1 и 3 (процесс разделения на рисунке не показан) и проходил путь в противоположных направлениях между двумя синхронно вращающимися дисками. Диски с отверстиями по периферии, жестко закрепленные на общей оси, выполняли роль синхронизированных затворов, формирующих импульсы света, проходящие к фотодетекторам 2 , 4 . Абсолютная скорость Земли определялась по формуле:

где ∆I 1 , ∆I 2 – разность токов, регистрируемых в детекторе тока 5 при двух различных частотах вращения оси N 1 и N 2 . Проблема синхронизации затворов решена применением жесткой, механической связи между дисками посредствам вала. Значение абсолютной скорости Земли, определенное в эксперименте, составило 362 ± 40 км/с . Вариант эксперимента на связанных зеркалах, выполненный тем же автором , дал близкий результат.

Описанный опыт Маринова не мог быть выполнен до появления лазерной технологии, позволяющей получать достаточно узкий пучок света. Так, несмотря на то, что идея подобного опыта была предложена еще Майкельсоном и Морли, осуществить его во времена становления СТО было невозможно.

Интерференционный способ определения абсолютных скоростей

Альтернативный способ измерения абсолютных скоростей непосредственно вытекает из закона преобразования (1): t 2 = γt 1 , по которому относительное замедление времени в двух инерциальных системах зависит от их абсолютных скоростей v 1 , v 2 . Рассмотрим двое часов, одни из которых движутся вдоль вектора абсолютной скорости Земли, а вторые в противоположном направлении, соответственно абсолютная скорость одних будет больше абсолютной скорости Земли, а других меньше. Следствием такого движения, как видно из (1), станет замедление темпа хода одних часов и ускорение темпа других по сравнению с часами, неподвижными относительно Земли. Роль часов в описанной ниже идее эксперимента выполняют линии задержки светового сигнала, движущиеся в противоположных направлениях относительно земной системы (рис. 2).

Рис. 2. Интерференционный опыт на движущихся оптических линиях

Свет от источника 1 (лазера) после расщепления 2 проходит через линии задержки 4 и 5 (катушки с намотанным световодом длиной L и показателем преломления n ), с выхода которых световые сигналы поступают на фазовый дискриминатор 3 , регистрирующий сдвиг фаз (∆φ) в момент, когда катушки занимают определенное положение в пространстве. Фазовый дискриминатор и катушки жестко крепятся к цилиндру. Цилиндр со световодами вращается с угловой скоростью ω, так что направление вектора линейной скорости катушек (u ) меняется (u = ωr, где r – радиус цилиндра). Абсолютная скорость Земли определяется по формуле:

Приведем параметры эксперимента, описанного в для длины световой волны λ = 0,5 мкм: высота цилиндра 1,2 м, радиус r = 16 см, скорость вращения ω = 3600 об/мин (u = 60 м/с). Необходимая длина световода L составит 2,5 км, при расчетной точности измерения абсолютной скорости Земли dv = 3 км/с (что на порядок точнее, чем в опыте Маринова).

Эфир и космология

Результаты опытов Маринова позволяют выдвинуть гипотезу о том, что т.н. реликтовое излучение Вселенной является собственным шумом эфира, поскольку значение скорости, измеренное в опытах , близко к скорости Земли (Солнечной системы) по отношению к фону реликтового излучения, полученной из астрономических наблюдений. В этом случае «реликтовое» излучение не является собственно реликтовым, а значит, не служит доказательством происхождения Вселенной по теории Большого взрыва. Другой аргумент сторонников теории Большого взрыва состоит в объяснении красного смещения спектра далеких звезд эффектом Доплера, вследствие разлета галактик. Однако существуют альтернативные объяснения. Например, причинами смещения спектра могут являться: неоднородность эфира – изменение его свойств от центра Вселенной к периферии (в предположении, что наша Галактика находится в центральной области Вселенной), или уменьшение энергии электромагнитной волны вследствие прохождения гигантского расстояния в среде-носителе, при этом поглощенная эфиром доля энергии впоследствии может излучаться в виде шума (предполагается, что процент поглощенной энергии зависит только от пройденного расстояния и не зависит от частоты волны). Концепция эфира позволяет обосновать более естественный взгляд на Вселенную. Вселенная, как и эфир, является вечной, и, следовательно, не нуждается в объяснениях своего происхождения. Составляющие её структурные элементы (галактики) непрерывно обновляются, на смену погибающим, старым рождаются новые, молодые. Иного взгляда на эволюцию Вселенной придерживаются последователи концепции физического вакуума, объясняющие возникновение Вселенной путём взрыва, связанного с рождением элементарных частиц в результате одного из фазовых переходов в вакууме. Вселенная, в соответствии с теорией Большого взрыва, не вечна, её ожидает гибель либо в результате разлета галактик («холодная смерть» – модель расширяющейся Вселенной), либо в результате коллапса («горячая смерть» – модель осциллирующей Вселенной). Соответственно галактики гибнут либо в одиночестве (первая модель), либо коллективно (вторая модель). В истории науки еще не было теории более «оптимистичной», чем теория Большого взрыва.

О том, что теория Большого взрыва является крайне спорной в современной науке, свидетельствуют многочисленные работы ученых – физиков и астрономов. Так шведский астрофизик, лауреат Нобелевской премии Х. Альфвен говорит: «Эта космологическая теория представляет собой верх абсурда – она утверждает, что вся Вселенная возникла в некий определенный момент подобно взорвавшейся атомной бомбе, имеющей размеры с булавочную головку. Похоже на то, что в теперешней интеллектуальной атмосфере огромным преимуществом космологии «Большого взрыва» служит то, что она является оскорблением здравого смысла: credo, quia absurdum («верую, ибо это абсурдно»)! Когда ученые сражаются против астрологических бессмыслиц вне стен «храмов науки», неплохо было бы припомнить, что в самих этих стенах подчас культивируется еще худшая бессмыслица.» .

Заключение

Концепция эфира, возрожденная на основе СЭТ, и экспериментально подтвержденная в опытах Маринова принципиально отличается от концепции физического вакуума, представления о котором развились из принципа относительности. Основные различия двух концепций заключаются в следующем:

1. Согласно эфирной концепции электромагнитная волна представляет собой распространение возбуждения неподвижной среды-эфира. В инерциальных системах отсчета имеет место зависимость скорости света от направления распространения волны. Альтернативный взгляд сложился в современной физике: свет не нуждается в среде носителе и движется как корпускула, а скорость распространения света изотропна и инвариантна в инерциальных системах.
2. Все, что нас окружает, находится в эфире. Структура и динамика свойств его элементов определяют такие фундаментальные физические понятия, как пространство и время. Таким образом, эфир, с которым можно связать абсолютную систему отсчета координат и времени, это и есть Абсолютное пространство-время вечной Вселенной. В отличие от эфира, с физическим вакуумом невозможно связать систему отсчета, а возникающая из вакуума Вселенная имеет конечное время жизни.
3. Эфирной среде присущи все атрибуты материального объекта: она шумит в радиочастотном диапазоне («реликтовое» излучение), является переносчиком электромагнитных волн, относительно эфира можно экспериментально выявить скорость тел и частиц. Физический вакуум в этом смысле – объект виртуальный (не поддающийся непосредственной регистрации).

Признание существования эфира – это окончательный отказ от принципа относительности и переход к представлению о единстве божественного мира, объединяемого всепроникающей средой – эфиром. Эта среда определяет абсолютную систему отсчета пространственных координат и времени. В социальной и духовной сферах, в которые принцип относительности проник в форме либерализма и политеизма, отказ от относительности морально-нравственных ценностей означает абсолютизацию понятий добра, морали и справедливости.

Обухов Юрий Алексеевич,
Захарченко Игорь Иванович,
e-mail: [email protected] .

Источники информации:

1. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. – М.: Высшая школа, 1995.
2. Лоренц Г.А., в сб. Принцип относительности. – М.: Атомиздат, 1973.
3. Обухов Ю.А., Захарченко И.И., Светоносный эфир и нарушение принципа относительности , 2001.
4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Квантовая электродинамика. – М.: Наука, 1989.
5. Паршин Д.А., Зегря Г.Г. Лекция 27 .
6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. – М., Наука, 1988.
7. Маринов С. Физическая мысль России. Т. 2, 1995.
8. Marinov S. General Relativity and Gravitation. 12, p. 57, 1980.
9. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1983.
10. Захарченко И.И., Обухов Ю.А. Заявка на изобретение №2001114292, 2001.
11. Будущее науки. Международный ежегодник. Вып. 12. – М., стр. 64, 1979.

См. также:

1. Об эфирном ветре . , 1999.
2. Петров В.В. Опыт Майкельсона – Морли и гипотеза Френеля. , 2001.
3. Эстерле О.В.

И технике под ним подразумевают среду, в которой газ содержится под давлением меньше атмосферного. Что такое разреженные газы, когда о них узнали впервые?

Страницы истории

Идея пустоты на протяжении многих веков была предметом спора. Разреженные газы пытались анализировать древнегреческие и древнеримские философы. Демокрит, Лукреций, их ученики считали: если бы между атомами не было свободного пространства, их движение было бы невозможно.

Аристотель и его последователи опровергали эту концепцию, по их мнению, в природе не должно быть «пустоты». В средние века в Европе идея «боязни пустоты» стала приоритетной, ее использовали в религиозных целях.

Механики Древней Греции при создании технических устройств основывались на К примеру, водяные насосы, которые функционировали при создании над поршнем разрежения, появились во времена Аристотеля.

Разреженное состояние газа, воздуха, стало основой для изготовления поршневых вакуумных насосов, которые широко применяются в настоящее время в технике.

Их прототипом был знаменитый поршневой шприц Герона Александрийского, созданный им для вытягивания гноя.

В середине семнадцатого века была разработана первая вакуумная камера, а спустя шесть лет немецкому ученому Отто фон Герику удалось изобрести первый вакуумный насос.

Этот поршневой цилиндр легко откачивал воздух из герметичной емкости, создавал там вакуум. Это позволило изучить основные характеристики нового состояния, проанализировать его эксплуатационные свойства.

Технический вакуум

На практике разреженное состояние газа, воздуха именуют техническим вакуумом. В больших объемах невозможно получать такое идеальное состояние, так как при определенной температуре материалы имеют ненулевую плотность насыщенных паров.

Причиной невозможности получения идеального вакуума также является пропускание стеклянными, металлическими стенками сосудов газообразных веществ.

В небольших количествах вполне можно получать разреженные газы. В качестве меры разряжения используют длину беспрепятственного пробега молекул газа, которые хаотично сталкиваются, а также линейный размер используемого сосуда.

Между высоковакуумным насосом и атмосферным воздухом ставится форвакуумный нанос, который создает предварительное разрежение. В случае последующего понижения в камере давления наблюдается увеличение длины пробега частиц газообразного вещества.

При показателях давления от 10 -9 Па создается сверхвысокий вакуум. Именно такие разреженные газы используют для проведения экспериментов с применением сканирующего

Получить такое состояние в порах некоторых кристаллов удается даже при атмосферном давлении, так как диаметр пор намного меньше длины пробега свободной частицы.

Приборы на основе вакуума

Разреженное состояние газа активно применяется в приборах, которые называются вакуумными насосами. Для всасывания газов и получения определенной степени вакуума применяют геттеры. Вакуумная техника также подразумевает многочисленные приборы, которые необходимы для контроля и измерения данного состояния, а также для управления предметами, проведения различных технологических процессов. Самыми сложными техническими устройствами, в которых применяются разреженные газы, являются высоковакуумные насосы. Например, диффузионные приборы функционируют на основе движения молекул остаточных газов под действием потока рабочего газа. Даже в случае идеального вакуума при достижении конечной температуры существует незначительное тепловое излучение. Это объясняет основные свойства разреженных газов, например, наступление теплового равновесия через определенный временной промежуток между телом и стенками вакуумной камеры.

Разреженный одноатомный газ является отличным термоизолятором. В нем перенос тепловой энергии осуществляется только с помощью излучения, теплопроводность и конвекция не наблюдаются. Данное свойство применяется в (термосах), состоящих из двух емкостей, между которыми располагается вакуум.

Вакуум нашел широкое применение и в радиолампах, например, магнетронах кинескопов, микроволновых печей.

Физический вакуум

В квантовой физике под таким состоянием подразумевают основное (низшее) энергетическое состояние квантового поля, которое характеризуется нулевыми значениями

В таком состоянии одноатомный газ не является абсолютно пустым. Согласно квантовой теории, в физическом вакууме систематически появляются и исчезают виртуальные частицы, что вызывает нулевые колебания полей.

Теоретически одновременно могут существовать несколько разнообразных вакуумов, которые отличаются между собой плотностью энергии, а также иными физическими характеристиками. Эта идея стала основой в инфляционной теории огромного взрыва.

Ложный вакуум

Под ним подразумевается состояние поля в квантовой теории, не являющееся состоянием с минимальной энергией. Оно стабильно на протяжении определенного временного промежутка. Есть вероятность «туннелирования» ложного состояния в истинный вакуум при достижении необходимых значений основных физических величин.

Космическое пространство

Рассуждая над тем, что значит разреженный газ, необходимо остановиться и на понятии «космического вакуума». Его можно считать близким к физическому вакууму, но существующему в межзвездном пространстве. У планет, их естественных спутников, многих звезд существуют определенные силы притяжения, которые удерживают на определенном расстоянии атмосферы. По мере удаления от поверхности звездного объекта, меняется плотность разреженного газа.

Например, существует линия Кармана, которая считается общим определением с космическим пространством границы планеты. За ней резко снижается величина изотропного давления газа в сравнении с солнечным излучением и динамическим давлением солнечного ветра, поэтому трудно интерпретировать давление разреженного газа.

В космическом пространстве много фотонов, реликтовых нейтрино, которые сложно обнаружить.

Особенности измерения

Степень вакуума принято определять тем количеством вещества, которое осталось в системе. Основной характеристикой измерения этого состояния является абсолютное давление, кроме того, учитывается химический состав газа, его температура.

Важным параметром для вакуума является среднее значение длины пробега газов, оставшихся в системе. Существует подразделение вакуума на определенные диапазоны в соответствии с технологией, которая необходима для проведения измерений: ложный, технический, физический.

Вакуумная формовка

Это изготовление изделий из современных термопластичных материалов в горячем виде с помощью воздействия низкого давления воздуха или действия вакуума.

Вакуумную формовку считают способом вытяжки, в результате которой происходит нагревание листового пластика, находящегося над матрицей, до некоторого температурного значения. Далее происходит повторение листом формы матрицы, это объясняется созданием между ней и пластиком вакуума.

Электровакуумные приборы

Ими являются устройства, которые предназначены для создания, усиления, а также преобразования электромагнитной энергии. В таком приборе из рабочего пространства удален воздух, а для защиты от окружающей среды используется непроницаемая оболочка. Примерами подобных устройств являются электронные вакуумные приборы, где электроны подходят в вакууме. Лампы накаливания также можно считать электровакуумными приборами.

Газы при низких давлениях

Газ называют разреженным, если величина его плотности незначительна, и длина пробега молекул сравнима с размерами того сосуда, в котором находится газ. В подобном состоянии наблюдается уменьшение количества электронов пропорционально плотности газа.

В случае сильно разреженного газа практически отсутствует внутреннее трение. Вместо этого появляется внешнее трение перемещающегося газа о стенки, которое объясняется изменением величины импульса молекулами при сталкивании с сосудом. В подобной ситуации существует прямая пропорциональность между скоростью движения частиц и плотностью газа.

В случае низкого вакуума наблюдаются частые столкновения между частицами газа в полном объеме, которые сопровождаются стабильным обменом тепловой энергией. Это объясняет явление переноса (диффузию, теплопроводность), активно используется в современной технике.

Получение разреженных газов

Научное изучение и развитие вакуумных приборов началось в середине семнадцатого века. В 1643 году итальянцу Торричелли удалось определить величину атмосферного давления, а после изобретения О. Герике механического поршневого насоса со специальным водяным уплотнителем, появилась реальная возможность для проведения многочисленных исследований характеристик разряженного газа. Одновременно исследовались возможности воздействия вакуума на живые существа. Опыты, проводимые в условиях вакуума с электрическим разрядом, способствовали открытию отрицательного электрона, рентгеновского излучения.

Благодаря теплоизолирующей способности вакуума появилась возможность объяснить способы передачи тепла, использовать теоретические сведения для развития современной криогенной техники.

Применение вакуума

В 1873 году был изобретен первый электровакуумный прибор. Им стала лампа накаливания, созданная русским физиком Лодыгиным. Именно с этого времени расширилось практическое использование вакуумной техники, появились новые методы получения, а также изучения данного состояния.

За незначительный временной промежуток были созданы различные виды вакуумных насосов:

• вращательный;
• криосорбционный;
• молекулярный;
• диффузионный.

В начале двадцатого века академику Лебедеву удалось усовершенствовать научные основы вакуумной промышленности. До середины прошлого века ученые не допускали возможности получения давления меньше 10-6 Па.

В настоящее время создают цельнометаллическими, чтобы избежать утечки. Вакуумные криогенные насосы применяют не только в научно-исследовательских лабораториях, но и в различных сферах промышленности.

Например, после разработки специальных откачных средств, которые не загрязняют используемый объект, появились новые перспективы использования вакуумной техники. В химии такие системы активно используются для качественного и количественного анализа свойств разделения смеси на компоненты, анализа скорости протекания различных процессов.

Когда мы говорим "вакуум", то чаще всего подразумеваем космическое пространство - невообразимое количество пустоты, в котором изредка попадаются островки материи в виде отдельных звезд, планетарных систем, а также образованные из них галактики и другие надсистемы. На самом деле космическое пространство и вакуум - понятия разные, хоть и имеющие друг к другу прямое отношение.

Вакуум космический и бытовой

Итак, что такое вакуум? Если мы как следует поищем на просторах интернета, мы выясним, что это понятие используют для названия двух определенно разных вещей. Первый, тот самый, привычный нам «космовакуум», который иначе называют техническим вакуумом. И под ним подразумевается или полное отсутствие воздуха, а также других газов, или просто пониженное атмосферное давление.

Является ли в таком случае космическое пространство вакуумом? Конечно, хотя несколько атомов водорода на квадратный метр межзвездного пространства все равно найдутся. При этом абсолютный вакуум (полное отсутствие атомов какого-либо вещества) является величиной скорее абстрактной - получить его даже в крайне малых объемах на данный момент невозможно.

Возможно, в будущем это и не будет составлять проблемы, например, если для его создания использовать магнитное или иное поле. Вакуум не антигравитация и вполне укладывается в современную научную картину.

Кстати, для того чтобы «увидеть» технический вакуум, необязательно становиться участником космической программы. Достаточно будет приобрести в супермаркете упакованный с помощью откачки воздуха продукт или поставить жене банки на спину - что такое вакуум, как не помощник человека?

Вакуум как первооснова Вселенной

Во втором значении вакуум предстает перед нами как некий фундамент, на котором базируется и функционирует наш с вами материальный мир. Такой вакуум принято называть физическим. Физический вакуум, в отличие от технического, крайне сложно загнать в рамки определений и науки вообще. Грубо говоря, это даже не параллельная, а перпендикулярная вселенная - невообразимое нечто, не имеющее материи, но обладающее удивительными энергетическими аномалиями с крайне высоким потенциалом.

Научись мы получать эту энергию, и атомные станции вместе с гидроэлектростанциями отправятся на свалку истории. Что такое вакуум? Возможно, это тот самый эфир, та таинственная сила, о которой говорил невероятный серб Тесла, на десятилетия, а может и на века опередивший свое время.

Бесконечная энергия

Представим себе, что буквально на расстоянии вытянутой руки лежит океан удивительной, нескончаемой и крайне дешевой в получении энергии. Максимально упрощая - электрический вакуум. Сумей мы овладеть возможностью широкого применения возможностей физического вакуума, и задачи, которые на данный момент кажутся на грани невозможного, перейдут в раздел повседневных. Освоение Солнечной системы, на данный момент ограниченное робкими вылазками беспилотных аппаратов и замороженными проектами пилотируемых экспедиций, может превратиться в экономически прибыльное дело. А где прибыль, туда и устремляются ресурсы.

Вполне возможными стали бы экспедиции за пределы орбиты Плутона, особенно в том случае, если бы утопические мечты фантастов о путешествиях в мифическом «подпространстве» воплотились за счет использования подпространства вполне реального - вакуума. И скорость света, которую мы привыкли считать абсолютом, перестала бы иметь определяющее значение. Скорость в вакууме, скорей всего, стала бы такой же условностью, что и линейное время. Можно учесть, а можно и подвинуть.

И да, что такое вакуум? Это мечта. Голубая греза человечества о золотом веке науки и высоких технологий. Воплотимая ли? Вполне. Еще полсотни лет назад современный планшетный компьютер показался бы истинной магией, а сегодня он обыденность. Все зависит только от нас.

Два вакуума - выбирай по вкусу

Итак, мы с вами выяснили, что под одним и тем же термином "вакуум" подразумеваются две совершенно разные вещи. Вакуум технический - в большей или меньшей степени разреженная среда, которую можно обнаружить как за пределами земной атмосферы, так и в тривиальном водном насосе, поливающем ваш огород за счет разницы в давлении.

Второй вакуум, физический, представляет собой некую среду, не имеющую аналогов в нашей материальной Вселенной, возможно, первооснову всякой материи, потенциальный источник бесконечной энергии. Эфир Теслы и сила древних магов - обладая некоторой долей фантазии, этот список можно продолжить.

Что можно сказать напоследок? К чему бы ни относился термин "вакуум", он таит в себе манящую загадку.

Где мы получим ответы - в бескрайних просторах космоса или в «соседнем измерении»? Это покажет только время.

Физический вакуум. Пустота – ткань Вселенной.

Аннотация

Физический вакуум является особым видом материи, претендующим на первооснову мира.

Авторы исследуют физический вакуум как целостный физический объект, которому не свойственна множественность и разложимость на части. Такой континуальный физический объект является наиболее фундаментальным видом физической реальности. Свойство континуальности придает ему наибольшую общность и не накладывает ограничений, свойственных множеству других объектов и систем. Континуальный вакуум расширяет класс известных физических объектов. Континуальный вакуум имеет наибольшую энтропию среди всех известных физических объектов и систем и является физическим объектом принципиально недоступным для приборного наблюдения. Приведены 3D-анимации вакуумных эффектов.

1. Научные и философские проблемы вакуума

Физический вакуум стал предметом изучения физики благодаря усилиям известных ученых: П.Дирака, Р.Фейнмана, Дж.Уилера, У.Лэмба, де Ситтера, Г.Казимира, Г.И.Наана,

Я.Б.Зельдовича, А.М.Мостепаненко В.М.Мостепаненко и др. Понимание физического вакуума как не пустого пространства сформировалось в квантовой теории поля. Теоретические исследования указывают на реальность существования в физическом вакууме энергии нулевых колебаний.

Поэтому внимание исследователей привлекают новые физические эффекты и феномены в надежде на то, что они позволят подступиться к океану вакуумной энергии. Достижению реальных результатов, в плане практического использования энергии физического вакуума, мешает непонимание его природы. Загадка природы физического вакуума остается одной из нерешенных проблем фундаментальной физики.

Ученые считают физический вакуум особым состоянием материи, претендующим на первооснову мира. В ряде философских концепций в качестве основы мира рассматривается категория "ничто". Ничто не считается пустотой, а рассматривается как "содержательная пустота".

При этом подразумевается, что "ничто", лишенное конкретных свойств и ограничений, присущих обычным физическим объектам, должно обладать особой общностью и фундаментальностью и,

таким образом, охватывать все многообразие физических объектов и явлений. Таким образом, "ничто" причисляется к ключевым категориям и отвергается принцип ex nigilo nigil fit (из “ничто” ничего не возникает). Философы древнего Востока утверждали, что наиболее фундаментальная реальность мира не может иметь никаких конкретных характеристик и, тем самым, напоминает небытие. Очень похожими признаками современные ученые наделяют физический вакуум. При этом, физический вакуум, будучи относительным небытием и "содержательной пустотой",

является вовсе не самым бедным, а наоборот, самым содержательным, самым "богатым" видом физической реальности. Считается, что физический вакуум, являясь потенциальным бытием,

способен порождать все множество объектов и явлений наблюдаемого мира. Таким образом,

физический вакуум претендует на статус онтологического базиса материи. Несмотря на то, что актуально физический вакуум не состоит из каких-либо частиц или полей, он содержит все потенциально. Поэтому, вследствие наибольшей общности, он может выступать в качестве онтологической основы всего многообразия объектов и явлений в мире. В этом смысле, пустота – самая содержательная и наиболее фундаментальная сущность. Такое понимание физического вакуума заставляет признать реальность существования не только в теориях, но и в Природе и

"ничто" и "нечто". Последнее существует как проявленное бытие – в виде наблюдаемого вещественно-полевого мира, а "ничто" существует как не проявленное бытие – в виде физического вакуума. В этом смысле, не проявленное бытие следует рассматривать как самостоятельную физическую сущность, обладающую наибольшей фундаментальностью.

2. Проявление свойств физического вакуума в экспериментах

Физический вакуум непосредственно не наблюдается, но проявление его свойств регистрируется в экспериментах. В физике известен ряд вакуумных эффектов. К ним относятся:

рождение электронно-позитронной пары, эффект Лэмба-Ризерфорда, эффект Казимира, эффект Унру. В результате поляризации вакуума электрическое поле заряженной частицы отличается от кулоновского. Это приводит к лембовскому сдвигу энергетических уровней и к появлению аномального магнитного момента у частиц. При воздействии фотона на физический вакуум в поле ядра возникают вещественные частицы – электрон и позитрон.

В 1965 году В.Л. Гинзбург и С.И. Сыроватский указали на то, что ускоренный протон нестабилен и должен распадаться на нейтрон, позитрон и нейтрино. В ускоренной системе должен присутствовать тепловой фон различных частиц. Наличие этого фона известно как эффект Унру и связано с различным состоянием вакуума в покоящейся и ускоренной системах отсчета.

Эффект Казимира состоит в возникновении силы, сближающей две пластины, находящиеся в вакууме. Эффект Казимира указывает на возможность извлечения механической энергии из вакуума. На рис.1 схематически показан эффект Казимира в физическом вакууме. 3D-анимация этого процесса показана на рис.1

Рис.1. Проявление силы Казимира в физическом вакууме.

Перечисленные физические эффекты указывают на то, что вакуум не является пустотой, а

выступает в качестве реального физического объекта.

3. Модели физического вакуума

В современной физике предпринимаются попытки представить физический вакуум различными моделями. Многие ученые, начиная с П. Дирака, пытались найти модельные представления, адекватные физическому вакууму. В настоящее время известны: вакуум Дирака,

вакуум Уилера, вакуум де Ситтера, вакуум квантовой теории поля, вакуум Тэрнера-Вилчека и др.

Вакуум Дирака является одной из первых моделей. В ней физический вакуум представлен "морем"

заряженных частиц, находящихся в самом низком энергетическом состоянии. На рис.2 показана модель электронно-позитронного физического вакуума - “море Дирака”. 3D-анимация процессов в море Дирака показана на рис. 2

Рис.2. Модель физического вакуума - “море Дирака”.

Вакуум Уилера состоит из геометрических ячеек планковских размеров. Согласно Уилеру все свойства реального мира и сам реальный мир есть не что иное, как проявление геометрии пространства.

Вакуум де Ситтера представлен совокупностью частиц с целочисленным спином,

находящихся в низшем энергетическом состоянии. В модели де Ситтера физический вакуум обладает свойством, совершенно не присущим любому состоянию вещества. Уравнение состояния такого вакуума, связывающее давление Р и плотность энергии W, имеет необычный вид: .

Причина появления такого экзотического уравнения состояния связана с представлением вакуума многокомпонентной средой, в которой для компенсации сопротивления среды движущимся частицам введено понятие отрицательного давления. На рис.3 условно показана модель вакуума де Ситтера.

Рис.3. Модель физического вакуума де Ситтера.

Вакуум квантовой теории поля содержит в виртуальном состоянии всевозможные частицы.

Эти частицы лишь на короткое время могут появляться в реальном мире и снова переходят в виртуальное состояние. На рис.4 показана модель вакуума квантовой теории поля. 3D-анимация процесса возникновения и исчезновения виртуальных частиц показана на рис 4.

Рис.4. Модель физического вакуума квантовой теории поля.

Вакуум Тэрнера-Вилчека представлен двумя проявлениями – "истинным" вакуумом и

"ложным" вакуумом. То, что в физике считается самым низким энергетическим состоянием, есть

"ложный" вакуум, а истинно нулевое состояние находится ниже по энергетической лестнице. При этом считается, что "ложный" вакуум может переходить в состояние "истинного" вакуума.

Вакуум Герловина представлен несколькими проявлениями. И.Л. Герловин разработал специфический вариант "Единой теории поля". Он назвал свой вариант данной теории – "Теория фундаментального поля". Теория фундаментального поля основана на физико-математической модели "расслоенных пространств". Физический вакуум, согласно теории фундаментального поля представляет собой смесь нескольких видов вакуума в соответствии с видом образующих их

"голых" элементарных частиц. Каждый вид вакуума состоит из не проявляющих себя в

"лабораторном" подпространстве элементарных частиц вакуума, каждая из которых состоит из фермион-антифермионной пары "голых" элементарных частиц. В теории фундаментального поля существует девять видов вакуума. Заметно проявляют себя в физическом мире только два вида вакуума, имеющие наибольшую плотность – протон-антипротонный вакуум и электрон-

позитронный вакуум. По мнению Герловина основные свойства "лабораторного" физического вакуума, например, диэлектрическая проницаемость, определяются свойствами протон-

антипротонного вакуума.

Фитонная модель вакуума предполагает, что невозмущенный вакуум состоит из вложенных друг в друга фитонов, имеющих противоположные спины. По мнению авторов этой модели в среднем такая среда нейтральна, обладает нулевой энергией и нулевым спином.

Физический вакуум как модель квантовой жидкости состоит из фотонных частиц (ф – частиц). В этой модели фотонные частицы расположены в определенном порядке, наподобие кристаллической решетки.

Физический вакуум может быть также представлен как сверхтекучая жидкость, состоящая из фермион-антифермионных пар с ненулевой массой покоя.

Существующие модели физического вакуума весьма противоречивы. Однако большинство предложенных концепций и модельных представлений физического вакуума несостоятельны как в теоретическом, так и в экспериментальном планах. Это относится и к "морю Дирака", и к модели

"расслоенных пространств", и к другим моделям. Причина состоит в том, что в сравнении со всеми другими видами физической реальности физический вакуум имеет ряд парадоксальных свойств, что ставит его в ряд объектов, трудно поддающихся моделированию. Обилие различных модельных представлений вакуума указывает на то, что до сих пор отсутствует модель, адекватная реальному физическому вакууму.

4. Проблемы создания теории физического вакуума

Современная физика стоит на пороге перехода от концептуальных представлений о физическом вакууме к теории физического вакуума. Современные концепции физического вакуума имеют существенный недостаток – они отягощены геометрическим подходом. Проблема,

с одной стороны, состоит в том, чтобы не представлять физический вакуум геометрическим объектом, а с другой стороны, оставляя физический вакуум в статусе физической сущности, не подходить к его изучению с механистических позиций. Создание непротиворечивой теории физического вакуума требует прорывных идей, далеко выходящих за рамки традиционных подходов.

Реальность такова, что в рамках квантовой физики, породившей саму концепцию физического вакуума, теория вакуума не состоялась. Не удалось создать теорию вакуума и в рамках классических представлений. Становится все более очевидным, что "зона жизни" будущей теории физического вакуума должна находиться за пределами квантовой физики и, скорее всего,

ей предшествовать. По всей видимости, квантовая теория должна быть следствием и продолжением теории физического вакуума, коль скоро физическому вакууму отводится роль наиболее фундаментальной физической сущности, роль основы мира. Будущая теория физического вакуума должна удовлетворять принципу соответствия. В таком случае теория физического вакуума должна естественным образом переходить в квантовую теорию. Для построения теории физического вакуума важно получить ответ на вопрос: "какие константы относятся к физическому вакууму?" Если считать, что физический вакуум является онтологической основой мира, то его константы должны выступать в качестве онтологического базиса всех физических констант. Эта проблема исследовалась и были предложены пять первичных суперконстант, от которых происходят фундаментальные физические и космологические константы. Эти константы могут быть отнесены к физическому вакууму. На рис. 5 приведены пять универсальных физических суперконстант и их значения.

Рис. 5. Универсальные физические суперконстанты.

В настоящее время преобладает концепция, в рамках которой считается, что вещество происходит из физического вакуума и свойства вещества проистекают из свойств физического вакуума. Такой концепции придерживались П. Дирак, Ф.Хойл, Я.Б.Зельдович, Э.Трайон и др. Я.Б.

Зельдович исследовал даже более амбициозную задачу – происхождение всей Вселенной из вакуума. Он показал, что твердо установленные законы Природы при этом не нарушаются. Строго выполняются закон сохранения электрического заряда и закон сохранения энергии. Единственный закон, который не выполняется при рождении Вселенной из вакуума – это закон сохранения барионного заряда. Остается непонятным, куда подевалось огромное количество антивещества,

которое в равном количестве с веществом должно было появиться из физического вакуума.

5. Несостоятельность концепции дискретного вакуума

Идеи о том, что какие-либо дискретные частицы могут составлять основу физического вакуума, оказались несостоятельными как в теоретическом плане, так и в практическом приложении. Подобные идеи вступают в противоречие с фундаментальными принципами физики,

Как считал П. Дирак, физический вакуум порождает дискретное вещество. Это значит, что физический вакуум должен генетически предшествовать веществу. Чтобы понять суть физического вакуума, надо оторваться от стереотипного понимания "состоять из…". Мы привыкли, что наша атмосфера - это газ, состоящий из молекул. Долгое время в науке господствовало понятие "эфир". И сейчас можно встретить сторонников концепции светоносного эфира или существования в физическом вакууме газа из гипотетических частиц. Все попытки найти место "эфиру" или иным дискретным объектам в концепциях вакуума или в моделях

вакуума не привели к пониманию сущности физического вакуума. Статус такого вида физической реальности, каким являются дискретные частицы, всегда вторичен. Вновь и вновь будет возникать задача выяснения происхождения дискретных частиц и, соответственно, поиска более фундаментальной сущности.

Можно сделать вывод, что концепции дискретного вакуума принципиально несостоятельны. Весь путь развития физики показал, что никакая частица не может претендовать на фундаментальность и выступать в качестве основы мироздания. Дискретность свойственна веществу. Вещество не имеет первичного статуса, оно происходит из физического вакуума,

поэтому оно принципиально не может выступать в качестве фундаментальной основы мира.

Поэтому физический вакуум не должен иметь признаков, свойственных веществу. Он не должен быть дискретным. Он является антиподом вещества. Его основной признак – континуальность.

Осознание системной организации вещественного мира и материального единства мира,

является величайшим достижением человеческой мысли. К этой системе мира добавилась еще одна подсистема – физический вакуум. Однако существующая система структурных уровней организации мира пока выглядит незавершенной. Она не ориентирована на генетическую взаимосвязь уровней и на естественное развитие. Она не завершена снизу и сверху.

Незавершенность снизу предполагает выяснение величайшей тайны природы - механизма происхождения дискретного вещества из континуального вакуума. Незавершенность сверху требует раскрытия не меньшей тайны - связи физики микромира и физики Вселенной.

Современные физические теории, в попытках найти фундаментальные физические объекты, демонстрируют тенденцию перехода от частиц – трехмерных объектов, к объектам нового вида, имеющим меньшую размерность. Например, в теории суперструн размерность объектов-суперструн намного меньше размерности пространства. Фундаментальные струны понимаются как 1-мерные объекты. Они бесконечно тонкие, а длина их порядка 10-33 см.

Считается, что у физических объектов, имеющих меньшую размерность, больше оснований претендовать на фундаментальный статус. В тенденции перехода к фундаментальным объектам,

имеющим меньшую размерность, перспективным, на наш взгляд, является подход В. Жвирблиса.

Жвирблис утверждает, что физический вакуум – непрерывная материальная среда. По аналогии с

"нитью Пеано", бесконечно плотно заполняющей двумерное пространство, условно разбитое на квадраты, автор предлагает новую модель физического вакуума – "нить Жвирблиса", бесконечно плотно заполняющую трехмерное пространство, условно разбитое на тетраэдры.

На рис.6 показана модель вакуума Жвирблиса.

Рис. 6. Нить Жвирблиса.

По нашему мнению, это большой прорыв в понимании сущности физического вакуума как фундаментальной основы мира. Жвирблис, в отличие от других ученых, в качестве модели физического вакуума рассматривает не многокомпонентную среду, а одномерный математический объект – "нить Жвирблиса". В отличие от всех известных моделей, в его модели дискретности и множественности отведено самое минимальное место – используется одномерный математический объект. В пределе понимается, что при сверхплотном заполнении пространства среда становится непрерывной.

На рисунке 7 показана тенденция перехода к объектам, имеющим меньшую размерность. Мы считаем, что в этой тенденции поиска наиболее фундаментального объекта недоставало решающего шага – перехода к нуль-мерному объекту. Эта проблема исследовалась и было предложено, что физический вакуум, в отличие от традиционного понимания, представлен как нуль-мерный физический объект.

Рис.7. Тенденция в физических теориях: переход от трехмерных объектов к нуль-мерному объекту.

Фундаментальные объекты в теории суперструн имеют планковские размеры. Тем не менее, пока нет убедительных доводов, что "планкеоны" или "суперструны" составляют основу мира. Нет оснований считать, что не существует объектов, имеющих размеры меньше планковских. В этом контексте следует заметить, что планковские естественные единицы не являются единственными. В физике известны константы Джорджа Стони, образованные комбинацией констант G, c, e. Они имеют меньшие значения по сравнению с планковскими

единицами, и вполне могут выступать конкурентами планковским единицам. Единицы Планка и единицы Стони исследовались и были предложены новые системы естественных единиц,

относящиеся к глубинным уровням организации материи в микромире ниже планковского уровня.

Новые системы естественных единиц образованы гравитационной константой G, зарядом электрона e, скоростью света c, постоянной Ридберга R∞, постоянной Хаббла H0.

На рис.8, для сравнения, приведены значения планковских естественных единиц, естественных единиц Джорджа Стони и новых естественных единиц.

Рис. 8. Естественные единицы М. Планка, естественные единицы Дж. Стони и новые естественные единицы.

Подход, в рамках которого считается, что физический вакуум существует в виде непрерывной среды является многообещающим. При таком подходе к физическому вакууму находит объяснение его ненаблюдаемость. Не следует связывать ненаблюдаемость физического вакуума с несовершенством приборов и способов исследования. Физический вакуум – принципиально ненаблюдаемая среда – это прямое следствие его непрерывности. Наблюдаемыми являются только вторичные проявления физического вакуума – поле и вещество. Для континуального физического объекта нельзя указать никаких других свойств, кроме свойства непрерывности. К континуальному объекту неприменимы никакие меры, это антипод всему дискретному.

Физика, на примере проблемы физического вакуума, сталкивается с коллизией непрерывности и дискретности, с которой столкнулась математика в теории множеств. Попытка разрешить противоречие непрерывности и дискретности в математике была предпринята Кантором (континуум-гипотеза Кантора). Эту гипотезу не удалось доказать ни ее автору, ни другим выдающимся математикам. В настоящее время причина неудач выяснена. В соответствии с выводами П.Коэна: сама идея множественной, дискретной структуры континуума является ложной . Распространяя этот результат на континуальный вакуум можно утверждать: "идея множественной или дискретной структуры физического вакуума является ложной".

С учетом парадоксальных свойств и признаков можно констатировать, что континуальный вакуум является новым видом физической реальности, с которым физика еще не сталкивалась.

6. Критерии фундаментальности

В связи с тем, что физический вакуум претендует на фундаментальный статус, более того,

даже на онтологический базис материи, он должен обладать наибольшей общностью и ему не должны быть присущи частные признаки, характерные для множества наблюдаемых объектов и явлений. Известно, что присвоение объекту какого-либо дополнительного признака уменьшает универсальность этого объекта. Так, например, ножницы – универсальное понятие. Добавление какого-либо признака сужает круг охватываемых этим понятием объектов (ножницы бытовые,

слесарные, кровельные, дисковые, гильотинные, портновские и т.п.). Таким образом, приходим к выводу, что на онтологический статус может претендовать такая сущность, которая лишена каких-

либо признаков, мер, структуры и которую принципиально нельзя моделировать, поскольку любое моделирование предусматривает использование дискретных объектов и наделение моделируемого объекта конкретными признаками и мерами. Физическая сущность, претендующая на фундаментальный статус не должна быть составной, поскольку составная сущность имеет вторичный статус по отношению к ее составляющим.

Таким образом, требование фундаментальности и первичности для физического объекта влечет за собой выполнение следующих основных условий:

1. Не быть составным.

2. Иметь наименьшее количество признаков, свойств и характеристик.

3. Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений.

4. Быть потенциально всем, а актуально ничем.

5. Не иметь никаких мер.

Не быть составным – это означает не содержать в себе ничего, кроме самого себя, т.е. быть целостным объектом. Относительно второго условия идеальным должно быть требование - совсем не иметь признаков. Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений – это означает не обладать признаками частных, конкретных объектов, поскольку любая конкретизация сужает общность. Быть потенциально всем, а актуально ничем – это означает оставаться ненаблюдаемым и одновременно быть основой всему сущему. Не иметь никаких мер – это означает быть континуальным объектом.

Эти пять условий первичности и фундаментальности чрезвычайно созвучны с мировоззрением философов древности, в частности, представителей школы Платона. Они считали,

что мир возник из фундаментальной сущности – из изначального Хаоса. По их воззрениям Хаос породил все существующие структуры Космоса. При этом Хаосом они считали такое состояние системы, которое остается на конечном этапе по мере некоего условного устранения всех возможностей проявления ее свойств и признаков.

Вакуум (англ. vacuum , нем. Vakuum , от лат. vacuus - пустой) - многозначный физический термин, который в зависимости от контекста может означать:

• Разреженный состояние газа. Такой вакуум называют частичным . Различают высокий, средний и низкий вакуум. Высоким называется вакуум, при котором длина свободного пробега молекул газа превышает линейные размеры сосуда, в котором содержится газ; если свободный пробег молекул газа и линейные размеры сосуда соизмеримыми величинами, то вакуум называется средним , а если свободный пробег молекул газа меньше линейные размеры сосуда - низким .

На практике качество вакуума измеряется в остаточном давлении. Высокий вакуум соответствует давлению, низкому за 10 -3 Торр. Максимально высокий вакуум, которого можно достичь в современных лабораториях, имеет давление 10 -13 торр.

• Идеализированная абстакция, пространство, в котором нет совсем вещества. Такой вакуум называют идеальным.
• Физическая система без частиц и квантов поля. Это самый низкий состояние квантовой системы, при котором ее энергия минимальна, называемый вакуумным состоянием. Согласно принципу неопределенности для такого вакуума определенная часть физических величин не может быть точно определенной.

Частичный вакуум с изобретением ламп накаливания и вакуумных ламп в начале XX века стал широко использоваться в промышленности. В вакууме проводится значительное количество физических экспериментов: отсутствие воздуха или атмосферы другого состава дозовляе уменьшить нежелательные посторонние воздействия на объект исследования. Интерес к изучению вакуума увеличился после выхода человека в космос. Околоземное и межпланетное пространство является очень разреженным газом, который можно характеризовать как вакуум.

Исследования вакуума начались с создания «торричеллиевои пустоты» (ru) итальянским физиком Эванджелиста Торричелли в середине 17 века.

Технический вакуум

Техническим называют частичный вакуум, образовавшийся в земных условиях. Совокупность инструментов, используемых пр этом называют вакуумной техникой. Главное место среди орудий вакуумной техники занимают насосы различной конструкции и принципа действия.

Основным инструментом для создания низкого вакуума является объемный насос. Принцип его действия заключается в циклическом увеличении и уменьшении объема газа в сосуде. Во время фазы увеличения объема, всасывания, газ в сосуде расширяется, заполняя дополнительный объем, который затем отсекается и выбрасывается.

Создание высокого и сверхвысокого вакуума является сложной технической проблемой. Когда молекул газа в вакуумной камере мало, возникают проблемы, связанные с загрязнением камеры молекулами масла, недостаточной плотности прокладок, дегазации стенок сосуда, тому подобное.

Для получения высокого вакуума используют диффузионные насосы. Принцип действия насосов этого типа основывается на том, что молекулы газа не диффундируют против течения. Поэтому диффузионные насосы используют струю для вытягивания молекул газа из вакуумной камеры.

Насосы-ловители позволяют достичь еще более высокого вакуума. Их действие может базироваться на различных физических и химических принципах: криогенные насосы используют низкую температуру, для конденсации газа в сосуде, в химических насосах молекулы газа связываются химическими веществами или адсорбируют на поверхности, в ионизационных насосах газ в вакуумной камере йонизуеться и извлекается с помощью сильных электрических полей.

Реальные вакуумные установки состоят из комбинации насосов различного типа, каждый из которых выполняет свою задачу и работает при разной степени разрежения газа в вакуумной камере. К инструментам вакуумной техники относятся также различные измерительные приборы, используемые для определения качества созданного вакуума.

Физический вакуум

Физическим вакуумом называют идеализированное понятие пространства, в котором нет частиц. Экспериментально такого состояния достичь невозможно, отдельные атомы и ионы есть даже в чрезвычайно разреженной межгалактическом пространстве. Абстрактное понятие физического вакуума используется, например, для определения скорости света, как скорости распространения электромагнитного взаимодействия в пустоте без частиц.

Хотя может показаться, что пустое пространство является простейшей физической системой, в действительности это не так. Развитие квантовой механики показал, что вакуум является сложным физическим объектом, свойства которого еще не совсем понятны.

Во-первых, вакуум, пожалуй, заполненный нулевыми колебаниями электромагнитного поля. квантами электромагнитного поля являются фотоны, частицы принадлежащих к бозонов. Волновые функции бозонов в низком состоянии не равны нулю. При квантовании поля бозонов, они рассматриваются как гармонические осцилляторы. В основном состоянии бозоны имеют не только отличную от нуля волновую функцию, но и ненулевую энергию. Так, вакуум заполнен нулевыми колебаниями различных мод электромагнитного и других бозонних полей со всеми возможными волновыми векторами, направлениями прозповсюдження и поляризациями. Каждая из этих мод имеет энергию, где - сводная постоянная Планка, а? - циклическая частота. Это порождает проблему энергии вакуума, поскольку таких мод бесконечно много, и суммарная энергия вакуума должна быть бесконечной. Однако, физические эксперименты, в частности Лэмб смещение и эффект Казимира свидетельствуют о том, что нулевые колебания электромагнитного поля - реальность, и, что они могут взаимодействовать с другими физическими объектами.

Другая идея, которая еще больше осложняет понимание вакуума, связанная с уравнением Дирака, описывающее релятивистскую квантовую частицу, в частности электрон.Уравнение Дирака для свободного электрона имеет четыре развязки, два из них с отрицательной энергией. Поль Дирак показал, что с помощью операции зарядового сопряжения эти развязки можно трактовать, как развязки с положительной энергией, но для частицы с противоположным, положительным, зарядом, т.е. античастицы электрона. Такая античастица была обнаружена экспериментально и получила название позитрона.

Трактовка Дирака похоже на терии полупроводников, Частицы, электроны, аналогичные электронам проводимости, тогда как античастицы, позитроны, аналогичные дырками.В основном состоянии, соответствующем вакуума, все энергетические состояния с отрицательной энергией, заполнены, а позитрон соответствует незаполненном состоянию.

При рассмотрении взаимодействий между частицами в квантовой электродинамике часто необходимо учитывать возможность образования из вакуума виртуальных электрон-позитронных пар.