ЧА ДОН » 02 авг 2009, 12:07
ВСЕЛЕННАЯ: ВАКУУМ
Физический вакуум - та среда, которая фактически заполняет мировое пространство и с ней тесно связаны его фундаментальные физические свойства.
Если выйти на улицу в ясную безлунную ночь и посмотреть на небо, можно увидеть ослепительную россыпь звёзд - они везде, куда бы мы ни направили наш взор. Это - звёзды нашей Галактики. А за её пределами на расстояниях в миллионы и миллиарды световых лет - другие галактики, другие звёздные системы. Их сотни миллионов и каждая из них состояит из десятков и сотен миллиардов звёзд.
Но вот вопрос: а между галактиками, между звёздами - что там? Расстояния между соседними звёздами или соседними галактиками во много раз превосходят собственные размеры этих объектов. Звёзды и галактики - это лишь отдельные островки в необъятном космосе.
Перечисление всего того, что заполняет межпланетное пространство, в том числе и пространство Солнечной системы, оказалось бы довольно длинным. Это и плазма, и пылевые частицы, и космические лучи, и метеоритное вещество.
Что касается газа, то в околосолнечном пространстве он главным образом состоит из солнечных частиц. Во время полных солнечных затмений можно видеть солнечную корону, серебристо-жемчужное сияние, окружающее Солнце, закрытое в этот момент непрозрачным лунным шаром. Но это светящееся образование - лишь небольшая часть короны, непосредственно примыкающая к Солнцу. На самом деле корона непрерывно расширяется, и её частицы уносятся во всех направлениях на сотни миллионов километров, образуя своеобразный ветер. В районе Земли его скорость достигает 400 км/с.
Таким образом, в сущности Земля находится внутри солнечной короны, то есть находится внутри атмосферы Солнца. Если солнечный ветер до поверхности Земли практически не доходит, не в силах преодолеть магнитного поля планеты и вынужден огибать её по сторонам, то с межпланетной пылью Земля соприкасается непосредственно. Ежегодно на поверхность Земли оседает около 1 миллиона тонн космических пылинок.
Носятся в космическом пространстве замёрзшие газы в виде льдинок и более крупные метеоритные тела.
Диффузная материя - то есть газ и пыль имеются и в межзвёздном и в межгалактическом пространстве. Пространство это заполнено и всякого рода электромагнитными излучениями, потоками элементарных частиц, а также различными физическими полями, в том числе гравитационным полем.
Вопрос: что будет, если из некоторой области космического пространства всё это убрать, убрать всё, что только возможно? Что после этого останется? Пустота или какая-то физическая система с необычайными свойствами?
В данном случае имеется ввиду не тот технический вакуум, который образуется в результате откачивания воздуха их какого-либо сосуда, а особое состояние материи.
Итак, поговорим о том, что есть пустота.
О том, что в природе должна существовать некая пустота, или ничто, догадывались ещё философы древности. Например, Аристотель в труде Физика утверждал, что природа боится пустоты.
Было время, когда считалось, что окружающий мир состоит из вещества и пустоты - пространства, лишённого материи, своеобразной универсальной арены, на которой разыгрываются все происходящие процессы. Картина для своей эпохи в общем-то вполне естественная, само собой разумеющаяся, основанная на каждодневных наблюдениях за окружающей природой, практическом опыте людей, данных классической физики, здравом смысле.
Позицию, отличавшуюся от позиции Аристотеля, занимал Галилео Галилей, считавший, что хотя природа и боится пустоты, но лишь в определённой степени: упругость твёрдых тел он объяснял тем, что между составляющими эти тела мельчайшими частицами имеются свободные пространства - своеобразные поры, не заполненные веществом.
Однако с развитием человеческой науки понятие о пустоте претерпело весьма существенные изменения. Выяснилось, что абсолютной пустоты в природе вообще не бывает. И в этом смысле ближе к истине был всё же Аристотель. Её нет даже там, где полностью отсутствует какое бы то ни было вещество. В 19 веке физик М.Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции, пришёл к заключению, что материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею. Любая область пространства всегда заполнена какими-либо видами материи - различными излучениями и полями.
В начале 19 века развитие оптики заставило земных учёных задуматься над тем, что представляет собой свет и каким образом он распространяется. Было высказано предположение, что по аналогии со звуковыми волнами, распространяющимися в упругой среде, световые волны тоже распространяются в особой среде - в эфире, который всё заполняет. Колебания эфира и есть световые волны.
Но вскоре был обнаружен факт, вступавший с гипотезой эфира в непримиримое противоречие. Оказалось, что световые волны носят поперечный характер, иными словами, направление колебаний в световой волне перпендикулярно направлению её распространения. Но поперечные волны могут распространяться только в твёрдых телах. Эфир же абсолютно твёрдым быть не может, в противном случае в нём не могли бы двигаться планеты.
И тем не менее в различных вариантах представления об эфире сохранялись довольно долго, до той поры, когда созданная Эйнштейном специальная теория относительности не покончила с ними навсегда. Выяснилось, что для света не нужен материальный носитель - световое излучение само является материей особого рода.
В связи с развитием квантовой физики в начале 20 века представления о пустоте вышли на совершенно новый уровень. Важная роль в развитии этих представлений принадлежала физику Полю Дираку.
Изучению вакуума Дирак придавал чрезвычайно важное значение. Он писал: Проблема точного описания вакуума, по моему мнению, является основной проблемой, стоящей в настоящее время перед физиками. В самом деле, если вы не можете правильно описать вакуум, как можно расчитывать на правильное описание чего-либо более сложного.
Однако задача построения теории физического вакуума оказалась значительно сложнее, чем предполагал Дирак. В частности, из его собственных работ вытекало, что вакуумное море почти ничем не проявляет себя.
Тем не менее, по мере дальнейшего развития земной науки, накапливалось всё больше фактов, свидетельствующих о том, что физический вакуум не есть чисто условное изобретение учёных, а реальное физическое состояние материи. Дирак предполагал, что если из вакуума в результате внешнего энергитического воздействия удастся выбить электрон, превратив его в реальную вещественную частицу, то на его месте в вакуумном океане должна остаться своеобразная дырка, обладающая всеми свойствами электрона, но с положительным зарядом. И уже спустя год после этого предсказания положительный электрон, или позитрон, был экспериментально обнаружен в космических лучах.
В дальнейшем выяснились факты ещё более поразительные. Оказалось, что помимо вещества, полей и излучений существует ещё одна весьма необычная скрытая форма существования материи - физический вакуум. В каждой точке пространства каждое мгновение физический вакуум рождает частицы и античастицы, которые тут же аннигилируют и снова уходят в вакуум.
В частности, было установлено, что родившийся из физического вакуума электрон может существовать как реальная частица лишь в течение исключительно малого промежутка времени - всего 10 в минус 22 с. За это время он никак не может проявить себя, то есть вступить во взаимодействие с какой-либо другой реальной частицой.
Выяснилось также, что электрон в силу некоторых фундаментальных законов микромира никогда, ни при каких обстоятельствах не может находиться в состоянии покоя - отнять у электрона всю энергию невозможно, при любых условиях он будет находиться в движении, дрожать.
Это - основное, ключевое утверждение в современных представлениях о вакууме. Любая микросистема всё время должна двигаться. В каждом малом объёме пространства непрерывно рождаются пары частица-античастица. Они рождаются и тут же аннигилируют, испуская световые кванты, которые в свою очередь мгновенно поглощаются. В каждый момент в рассматриваемом объёме существует многообразие частиц и квантов излучения.
Таких элементарных частиц, не только электронов и позитронов, возникающих из вакуума и тут же исчезающих, существует великое множество. Подобные невидимые частицы стали именовать виртуальными. Они одновременно как бы существуют и не существуют. Считается, что в вакууме имеются все возможные виды элементарных частиц. Однако при обычных условиях их энергия недостаточна, чтобы вырваться в реальный мир и превратиться в частицы обычного вещества. Присутствие подобных частиц физики назвали нулевыми колебаниями вакуума.
Именно вакуум представляет собой основу всего существующего. Аналогичную идею высказывал академик Наан, он говорил: Основу мироздания составляет вакуумный окена, а все вещественные космические объекты - звёзды, планеты, туманности, галактики - это лишь лёгкая рябь на его поверхности.
ДОПОЛНЕНИЕ:
Любопытна история первого эксперимента, показавшего, что вакуум есть нечто физически вполне реальное.
Когда в 1930-е г.г. Поль Дирак с присущим ему теоритическим блеском точно рассчитал спектр излучения атома водорода - системы, состоящей из протона и электрона, то выснилось, что так называемый второй энергитический уровень, на котором может находиться электрон - это в действительности два уровня, слившиеся друг с другом.
Через несколько лет американский физик Леон Пастернак, исследуя оптические спектры водорода, в частности, переход электрона со второго уровня на первый, обнаружил, что вопреки расчётам Дирака при этом возникают не одна, а две спектральные линии.
Вторая Мировая Война способствовала развитию радиолокации. Одним из тех, кто имел дело с новой аппаратурой, был физик США Виллис Лэмб. И когда война закончилась, он решил вернуться к опыту Пастернака. Если второй вроень в самом деле расщеплялся на два, рассуждал он, то должен существовать и переход между ними. Но в этом случае, как показывает расчёт, соответствующая линия излучения будет лежать в радиодиапазоне. Для проверки этого предположения Лэмб решил воспользоваться списанной радиолокационной аппаратурой, чтобы создать необходимые экспериментальные установки. И когда задуманный эксперимент был осуществлён, Лэмб обнаружил именно то, что он ожидал.
Дирак оказался немного не прав. Он не учёл физического эффекта, вызывающего расщепления второго уровня. Знаменитый физик рассматривал систему, состояющую из протона и электрона и только. А в реальном мире такой изолированной системы просто не существует - есть протон и электрон, погружённые в физический вакуум. Протон - тяжёлая частица, и она колебаниям вакуума не поддаётся а электрон под их влиянием сам начинает колебаться. Это и приводит к расщеплению уровня, обнаруженному Лэмбом.
Ещё до Второй Мировой Войны физик СССР Д.И.Блохинцев давал совершенно правильное объяснение результата опыта Пастернака. К подобному эффекту, утверждал он, способны привести колебания физического вакуума.
Известно, что два разноимённых электрических заряда в пустоте притягиваются друг к другу с некоторой силой. Но если их поместить в какую-либо среду, то благодаря её влиянию сила взаимодействия между зарядами измениться. Например, в воде она ослабевает в 80 раз. Нечто похожее происходит и в физическом вакууме. Если в нём находится, скажем, положительно заряженное ядро, то оно начинает взаимодействовать с виртуальными электронами и позитронами - подтягивает к себе электроны и отталкивает позитроны. Благодаря этому два заряда будут взаимодействовать между собой не совсем по закону Кулона. И это отклонение наблюдается в экспериментах, в частности, в опытах на ускорителях. Например, рассеивание пучка электронов большой энергии на протонах из-за влияния физического вакуума фактически происходит не совсем так, как должно было бы происходить в пустоте. Таким образом, можно считать, что физический вакуум есть среда, ничем не хуже тех сред, с которыми люди имеют дело. Но вот вопрос: на какую же из известных сред он похож? На металл, полупроводник, диэлектрик, жидкость? Исследования последних лет позволяют считать, что во многих отношениях физический вакуум ведёт себя подобно сверхпроводнику.
Сверхпроводимость - чрезвычайно интересное явление. Оказывается, в некоторых металлах при понижении температуры до 23,4 градуса Кельвина, электрическое сопротивление обращается в 0.
Однажды учёные провели такой опыт. В замкнутом контуре, помещённом в жидкий гелий, возбудили ток. И он без всякого ослабления циркулировал там 14 месяцев, до тех пор, пока не разобрали установку. С момента открытия являения сверхпроводимости прошло около 50 лет. И теперь люди довольно хорошо разобрались в физическом механизме этого явления. В сверхпроводнике под влиянием кристаллической решётки вещества электроны при определённых условиях начинают притягиваться друг к другу, образуя связанные пары. Этим парам, как выражаются некоторые физики, выгодно сесть на нижний энергитический уровень. Таким образом, внутри сверхпроводника образуется своеобразная подсистема, коллектив с равной 0 энергией, обладающая сверхпроводящими свойствами. Грубо говоря, эта подсистема обеспечивает движение электронов без трения - а это и есть сверхпроводимость.
В 1967 г. физик США С.Вайнберг и пакистанский физик С.Салам предложили интересную теорию физического вакуума, весьма напоминающую теорию сверхпроводимости. Их их теории следовало, что в физическом вакууме тоже могут возникать коллективы частиц, находящихся на нижнем энергитическом уровне - так называемый конденсат. При этом обнаружилось поразительное обстоятельство: от того, сколько скрытых частиц окажется в таком коллективе, зависят физические характеристики реальных частиц, например, их массы.
Если нагревать сверхпроводник, то из сверхпроводящего коллектива частицы начнут переходить на верхние уровни. Коллектив начнёт разрушаться, а свойство сверхпроводимости будет ослабевать и в конце концов исчезнет. Нечто подобное происходит и в физическом вакууме. Если его нагревать, то конденсат начнёт испаряться, а массы реальных частиц соответственно уменьшаться, измениться характер взаимодействия между ними. При достижении критической температуры, равной 10 в 16 градусов, в физическом вакууме произойдёт фазовый переход, который должен привести к радикальному изменению его свойств, а следовательно, и свойств реальных частиц. Но, разумеется, сходство между сверхпроводником и вакуумом только аналогия.
- Вложения
-
- Дирак
-
- Фарадей
-
- Галилео Галилей
-
- Аристотель