на главную
Главная » Наука

МИР КАК ВАКУУМ

купить на Озоне




РП – Ростислав Полищук, д. ф.-м. наук
ВШ – Виталий Шелест, д. ф.-м. наук
АГ – Александ Гордон
ТЗ** – телезрители
[...] – комментарии мои (Тарас Макух)


РП: Тема нашей передачи "Мир как выкуум". И современная физика является по существу физикой вакуума. Вся видимая материя – это лишь небольшая глава из теории вакуума.

Ну, как люди пришли к такой точке зрения, что мир есть вакуум? Вспомним самые первые представления о мире, 2500 лет назад у древних греков. У Демокрита мир – есть атом и пустота. У Пифагора мир – есть число. Числа определяют, исчисляют атомы, это продолжение теории Демокрита. Пустота у Демокрита – это небытие, атомы – это бытие, т.е. получается, пустота – это ничто. С точки зрения современной физики, пустота – это все. А атомы – это небольшие отклонения в той структуре, которая называлась пустотой, возникающие потому, что вакуум флуктуирует, он не может быть совершенно пустым.

Как к этому пришли люди, как к этому пришла физика? Это совершенно нельзя наглядным образом себе представить. Но тогда же, когда появилась наука в современном смысле слова, вот с первой натурфилософии Платона, Демокрита, Пифагора, тогда же было открыто умозрение, которое стало работать с несуществующими вещами как с существующими. И было постулировано, например, Платоном, существование Идей, которые имеют большую реальность, нежели та материя, которую эти идеи описывают. И число – это тоже идея, которая из податливой материи нарезает разные фигуры, весь видимый мир. Развитие физики шло параллельно с развитием понятия числа и обобщения этого понятия, поэтому для начала я вот скажу о числе, что это такое, как оно развивалось, и потом перейду к физике в смысле Демокрита, чтобы показать что вакуум – это не вакуум, брр.. вакуум – это не пустота, а основная физическая реальность.

Ну, весь мир чисел можно построить из натуральных чисел, из целых чисел, которые всем нам легко представить. Дальше возникли дроби; каждая дробь определяется через пару целых чисел: числитель и знаменатель. Множество дробей уже всюду плотно. Вещественные – рациональные – числа – граница в мире дробей. Ну, например, вещественное число – корень из двух – это множество [верхняя граница множества] всех положительных дробей, квадрат которых меньше двух. Вещественная единица – множество [та же поправка] всех дробей, которые меньше дроби единицы. И это вещественная прямая будет всюду плотная. Если мы будем умножать эти прямые, скажем, сами на себя, то мы получим уже плоскость, и тогда мы можем описывать, скажем, комплексные [мнимые] числа, как пару вещественных чисел. Лейбниц говорил, что мнимые числа – это убежище божественного духа, наводил мистику. На самом деле требовалось попросту обобщить понятие числа. Вообще наука – есть развивающееся понятие. Физика – есть наука о природе, или понятие о природе, и физика в широком смысле слова – включает в себя все науки, потому что все имеет какую-то природу [напр. природу Будды :))], структуру, и физика может их описывать. Если у нас будет время я расскажу, как она делает нетривиальные выводы относительно динамики социальных стуруктур.

Значит, комплексное число… Значит были три числовые парадигмы: мир – есть число (Пифагор), мир – есть функция (ее открыл Галлилей. И до Эйнштена, у которого вещество прогибает пространство-время, делает его искривленным, таким образом объясняет гравитацию), и в 20-м веке возникла квантовая механика, для которой мир – есть оператор.

В каком смысле это обобщение понятия числа, которое связывает вот все эти три числовые парадигмы?

Если мы возьмем бесконечное произведение числовых прямых, мы получим бесконечномерное пространство. И точка [координаты точки] этого пространства – это бесконечная последовательность чисел.

Если мы задаем непрерывную функцию – ее можно задавать только в рациональных точках дробей, а дроби можно все пересчитать в таблице числитель/знаменатель, поэтому дробей столько же сколько всех целых чисел. И т.о. функция может быть задана значениями при дробных аргументах и получается обобщенным числом, т.е. бесконечной последовательностью чисел.

АГ: Простите, что я перебиваю вас. Я поплыл уже. Потому что во-первых в математике не очень силен, как я думаю и большинство в нашей аудитории. А кроме того, история эта, – что мир есть вакуум, что вакуум – это некое новое физиками принятое состояние вещества, – она уже достаточно на слуху, для чтобы мы могли, отталкиваясь от этого убеждения, тем более что не физики в большинстве своем сидят у экранов телевизоров; логика доказательства – да?- такой картины мира, мне кажется, можно ее построить по-другому.

РП: Нет, я сейчас прямо к этому и приду.

АГ: Хорошо, да.

РП: Финиш уже близко. Значит, состояние физической системы можно описать функцией, там закачано бесконечно много информации, но в виде точки бесконечномерного пространства, т.е. это вектор бесконечномерного пространства. А вектора можно преобразовывать матрицей – бесконечной матрицей, – которая дает другой вектор, стало быть другую функцию. Эволюцию мира мы таким образом можем описать из бесконечномерных матриц, состояний вектора [преобразующими векторы], а оператор – тоже получается обощенное число, в виде бесконечномерных матриц.

Так вот, квантовая механика, которая запретила вакуум Демокрита, как раз работает с бесконечномерными матрицами, так называемыми Q-числами, которые в отличие от обычных чисел обладают новыми свойствами. Ну например, если мы их будем умножать, меняя порядок, мы получим разные результаты. И операторы – например для координаты и производной по этой координате – их нельзя переставлять, результат будет разный. Что это означает физически? Это означает, что не может у частицы одновременно существовать определенной координаты и определенного импульса, который показывает как частица эволюционирует, как она движется. Поля физические тоже можно рассматривать как координаты бесконечномерного пространства. И полная пустота – есть точное нулевое значение [координаты] физического поля и полная нулевая скорость его изменения. Так вот, квантовая механика открыла, что не может быть такого, потому что есть принцип неопределенности, гласящий, что непределенность координаты на неопределенность импульса – больше конечной величины, пропорциональной постоянной Планка. Поэтому если мы мгновенно точно задаем состояние трехмерного пространства, ну искривленного – мгновенное состояние нашей Вселенной, – то мы абсолютно не знаем, куда оно скакнет в следующий момент.

В физике существует только то, что можно измерить…

АГ: угу.

РП: ..В математике, которая является теоретическим каркасом физики, и частью в этом смысле физики существует все, что позволяет нам непротиворечиво мыслить. Бесконечные делимости, математические бесконечности – это, значит, все в математике. В физике этого нет. И если мы не можем, задав точно современное состояние пространства, сказать, куда оно скакнет в следующий момент, то времени нет. Значит на квантовом уровне, нет классического пространства-времени вообще. Это – можно просто процитировать Уиллера… – И таким образом, представление о мире, как о мире событий это является приближенным представлением. И тут нужен совершенно другой математический аппарат.

Ну, как к этому пришли? Ну здесь вернемся снова к Демокриту. Значит есть атомы..

АГ: Давайте все таки..

ВШ: Да, немножко мой коллега углубился..

АГ: ..сейчас, сейчас.. А то я уже во второй раз поплыл. Я хочу задать один простой и имеющий закономерное отношение к названию этой передачи вопрос. Что такое вакуум? Потому что определение вакуума явно уже – да? – которое я проходил в школе – не годится.

РП: Вакуум это состояние без частиц, и вакуум – это …

АГ: … состояние материи.

РП: …состояние.. Нет..

ВШ: можно я попробую?..

РП: ..Состояние физической системы. Хорошо.

АГ: Давайте попробуем ясность какую-то внести.

ВШ: Ну, мне кажется из всего что вы сейчас очень хорошо рассказали, как выглядит описание мира, и даже некоторый исторический экскурс был для профессионалов, которые более или менее понимают, что такое теоретическая физика. Мы с вами как физики-теоретики, понимаем, что вопрос описания – он крайне важен, он собственно говоря создает ту парадигму, в которую потом встраиваются экспериментальные данные, понимание и т.д. Но все таки, это аппарат, это только аппарат.

АГ: Да. да.

ВШ: .. и когда мы говорим "мир как вакуум", речь идет все таки о некой, ну как в прежних наших философских категориях было принято говорить, это объективная реальность. Так вот, каким образом возникло такое понимание вакуума, физического вакуума, а не математического описания, которое позволяет определять мир, как вакуум. Потому что название передачи сегодняшнюю действительность адекватно отражает. То что в школе говорили нам: вакуум – это пустота, ну это как бы примитивно, это в общем неверно. И надо сказать, что у тех же наших предшественников, древних греков были некие проблески понимания того, что все далеко не так просто. И это вот не атавистическая теория, простенькая: вот летают там шарики, как говорится, вот цепляются крючочками всякими и так далее, – это сыграло свою роль в создании атомистической теории. Но гораздо более глубокой в моем понимании была концепция, принадлежавшая Анаксагору, не так широко известного на слуху, как скажем того же Платона, Демокрита, Аристотеля. Анаксагор полагал, что существуют такие гомеомерии, т.е. некие частицы, которые в себе содержат потенциально все другие частицы, объекты, существующего мира. И строго говоря, каждый из этих объектов, маленьких, микроскопических, ну такое примитивное понятие было, позволяет родить из себя другие, и собственно говоря, каждая из них [гомеомерий] была столь же глубока, столь же неисчерпаема как и другие. Т.е. здесь вот некое прозрение. Учитывая, что экспериментальной физики, в смысле экспериментальной науки вообще в те времена не было, это так и осталось одним из направлений мысли – были ученики, были школы, последствия это не имело. И потом, в общем, это прозрение реализовалось на много веков, даже тысячелетий позже. И был даже такой момент, когда в обиход естествоиспытателей, вошло понятие ... поля. Поля, как некоего объекта, который расположен в каждой точке пространства... Я пока говорю на более или менее понятном языке, потому что слово "пространство", как и "время", дальше мы увидим, что все это далеко не так просто. Пока говорю на простом языке. В каждой точке пространства существует некий материальный объект, который каким-то образом развивается, взаимодействует с соседними точками, причем поскольку они расположены в во всем пространства, таких точек бесконечно много, описывать их как набор объектов нельзя; это поле, и оно отличается от набора частиц тем, что содержит в себе бесконечно много точек [здесь континуум. Но строго говоря структура дискретна начиная с планковских масштабов], каждая из которых несет в себе материальную сущность. Так вот, когда возникла концепция поля, вначале электромагнитного, потом другие поля вошли в обиход, наконец возникла квантовая механика, как единственная теория адекватно описывающая эти явления, выяснилось что от этого поля можно отнимать элементы энергии, только определенными кусочками – квантами, – и если мы попробуем отнять столько, чтоб получился чистый нуль (энергии), то окажется, что вот это как раз и невозможно.

Квантовая теория диктует корелляцию двух характеристик каждого объекта, которые одновременно никогда не могут быть измерены. Допустим, если мы узнаем один из этих параметров абсолютно точно, скажем положение в пространстве, то второй – импульс, или скорость – становится абсолютно неопределенным. Пытаясь пришпилить частицу к какому-то месту пространства, мы теряем всю информацию о ее скорости. Отсюда вывод такой, что если у нас нуль энергии поля, то стало быть совершненно неясно, что с пространственным расположением, а этого быть не может.

Сам по себе принцип неопределенности примененный к полю из которого улетели все кванты – фотоны, частицы и т.д. – показывает, что там должна остаться по законам квантовой механики некая остаточная энергия. Т.е. это некий физический неустранимый объект, который пронизывает абсолютно все, в отличие от конкретных частиц – протонов, нейтронов и т.д. – они могут где-то рождаться, исчезать и т.д. – вот этот вакуум он существует везде...

АГ: Ну, это состояние вещества, в любом случае?

ВШ: Это состояние материи. Поскольку, поле – это не вещество, а вакуум – это состояние поля.

АГ: Хорошо, состояние материи. И этой материи, как мы выясняли в одной из программ, чуть ли не 80% процентов во вселенной.

ВШ: Это смотря как считать. Дело в том, что вакуум, он исключительно богат, он действительно содержит в себе абсолютно все. Идею "мир как вакуум", надо понимать таким образом: вакуум – и есть весь мир. То что мы видим – все частицы элементарные, все объекты, нас с вами – все это некие всплески, рябь на поверхности океана, который именуется вакуумом. Но из вакуума может, потенциально рождаться что угодно, и периодически все это выплескивается в результате флуктуаций, нарушений каких-то. Вот представьте себе поверхность океана, вы плаваете на ней сверху и думаете, что видите только гребешки волн, спинки дельфинчиков. А на самом деле глубина там 12 километров, и вот там на глубине происходят настоящие процессы, которые все это выплескивают. Раньше, до 20-го века, прошедшего уже, такого понимания не было. И то, что изучалось сверху – то и считалось предметом физики. А сейчас стало ясно, что это только некая поверхность сущности явлений.

АГ: Так, а за этой поверхностью... Если вы уже начали говорить об этом, тогда надо подвергать сомнению основные принципы, на которых до сих пор покоилось наше понимание, по крайней мере – да? – что такое мир. Это пространство, это время.

РП: ...материя.

АГ: Да, материя. Как быть со всеми этими определениями?

РП: Ну, я предлагаю, видимо, неоригинальное определение принципа релятивизма: что каждое понятие имеет конечный предел своей применимости. Нас учили, что пространство и время – это коренные свойства самой материи. И такой дуализм у Демокрита: пустота-материя, – и у Ньютона тоже – пустое пространство... В квантовой механике они друг с другом связаны, вот так как об этом Виталий Петрович говорил. И произошло это из экспериментальных наблюдений; то что волны интерферируют – это всем известно, как они складываются, но если мы будем электроны через две щели пропускать, мы увидим что там [на фотоэкране] тоже будет интерференционная картина. Значит электрон – это не только частица, но и поле [волна]. Виталий Петрович сказал о концепции поля, как о континууме осцилляторов. Так вот, Q-числа, о которых я раньше говорил, вот эти бесконечные матрицы, позволяют утверждать, что поля и частицы – это не два разных объекта, а различные способы описания одного и того же объекта.

И, как это представить: дуализм – волна-частица, который соответствует квантовому подходу? Ну, мы можем представить частицу как плоскую волну, заполняющую все пространство с определенной частотой, тогда у нас вполне определенный импульс, который связан с частотой; но нет координаты, она сразу всюду. И мы можем наложить очень много волн, чтоб они компенсировали друг друга всюду кроме данной точки. Тогда у нас получается вполне определенная локализация вот этой суммы волн, но бесконечно много импульсов. И возможны промежуточные случаи: когда у нас есть пакет конечного числа волн, т.е. определенное количество [спектр] импульсов, и он размыт, занимает какую-то область в пространстве. И неопределенности того и другого – их произведение, как раз будет больше постоянной Планка с небольшим множителем. Значит, вот это есть истинная реальность.

Плотность энергии флуктуации вакуума – она ищется из фундаментальных физических констант: скорость света, постоянная Планка, постоянная тяготения – на 94 порядка превосходит нашу с вами плотность, плотность воды, 10 в 0-й степени [нормировка к плотности воды, для массы или энергии неважно – это взаимосвязанные величины], и на 80 порядков превосходит ядерную плотность, 10 в 14-й степени. И обычно...

ВШ: здесь идет речь не о 80-и процентах, а о 80-и порядках величин.

РП: да, 80 порядков, т.е. единица и 80 нулей. А ядерная плотность... Ну, наша с вами плотность – это один грамм на сантиметр кубический, а то 94 порядка [а ядерная плотность – до миллиарда тонн в кубическом сантиметре, это на 80 порядков меньше скрытой плотности вакуума].

Значит, вакуум – это гетерогенная сложнейшая структура, ее можно представить в виде кристалла с дислокациями [разрывы и сдвиги в однородной структуре на месте "частиц"], разными уровнями иерархии нарушений этой дислокации [см. у А. Д. Сахарова, про флуктуации метрики], каждый уровень соответствует своему масштабу энергетическому и пространственно-временному, которые отвечают за различные физические взаимодействия: гравитационное, электромагнитное (которое на 40 порядков сильнее гравитационного), сильное (которое удерживает протоны и нейтроны в ядре вопреки тому, что они [разные протоны] электрически отталкиваются с огромной силой. Поэтому когда у нас большой тяжелый атом урана, ядерные силы дальних концов ослабевают, и по нему стукнуть – он разлетается, получается цепная реакция, ядерный взрыв.) [а также слабое взаимодействие, отвечающее за распад и превращения частиц друг в друга]

АГ: Вот очень хорошо, что вы об этом сказали, потому что у меня в связи с этим возникает вопрос: раз все – вся видимая материя, вселенная, мы с вами – это флуктуация вакуума, причем очень незначительная, вот вы сказали, что это рябь на поверхности океана (а учитывая эти цифры, так и вовсе не рябь, а что-то неизмеримо малое на повехности этого океана) – что вызывает эти флуктуации? Что может возмутить вакуум для появления материи в том виде, в котором мы ее можем ощущать, измерять видеть?

РП: Понимаете, вот Демокрит открыл это с глубокой физической интуицией, что мир структурирован в пространстве: атомы и пустота – ну, мы пустоту пересмотрели и связали ее с атомами, – но каждая частица у него существует вечно во времени, она колеблется как угодно, но время идет вперед и она неизменна в этом времени (и у Ньютона то же). А теория относительности объединила эти два понятия: пространство и время. Если можно, я скажу два слова про теорию относительности..

Когда Максвелл, точнее Майкельсон открыл более ста лет назад, что эфира не существует, и скорость света постоянна относительно любого состояния движения, относительно любого наблюдателя, то инвариантом стали не пространство и время, а четырехмерное пространство-время. И физика стала физикой событий. Событие – это то, что происходит в данной точке в данный момент времени. И в этом пространстве-времени расстояние между событиями рассчитывается как квадрат гипотенузы по теореме Пифагора (что, я думаю, знают еще в школе), но только там не сумма квадратов катетов, а разность [здесь более удаленное событие скорее соответствует "гипотенузе", тогда расстояние – недостающий "катет", отсюда и разность], и поэтому, если катеты одинаковы, что соответствует событиям идущим вдоль светового сигнала, то эта гипотенуза равна нулю. Ну например, если мы представим себе барона Мюнхгаузена, который сел на фотон, а не на пушечное ядро, долетел до Луны и вернулся обратно, у него пройдет нуль времени, потому что из-за релятивистского сжатия это расстояние уже равно нулю, ему некуда лететь, ему не надо лететь, а здесь прошло две секунды. Если он долетел до Туманности Андромеды и вернулся, тоже за ноль секунд своего светового времени, то здесь прошло 4 миллиона лет. Значит любые события можно связать ломаной линией нулевой длины. Это вот существенность релятивизма.

Далее, чтобы разогнать частицу до скорости света, нужно затратить бесконечно много массы-энергии. В релятивистской механике масса и энергия тождественны...

ВШ: частицы, имеющую массу, вообще нельзя разогнать до скорости света..

РП: Да. Т.е. если частица световая, то ее нельзя остановить. Это релятивистски выраженное состояние, а не скорость. А если у нее масса покоя ненулевая, то ее нельзя разогнать. Поэтому два электрона со сверхбольшими [околосветовыми] скоростями можно стукнуть [столкнуть друг с другом] и родится целая вселенная. В нашей вселенной 10 в 80-й степени частиц, значит всю вселенную можно родить. Ну, наглядно: два биллиардных шара если очень сильно стукнуть [столкнуть], они остановятся и сразу будет целая гора этих шаров, это всю вселенную можно так создать. Это вот релятивизм.

Значит, свойства пространства и времени соединены, и это просто тени, которые по-разному проецируются от 4-мерного пространственно-временного многообразия в зависимости от скорости движения. И структурированность в пространстве полезно примерять со структурированностью во времени. Как может выглядеть эта структурированность во времени? У Демокрита есть атомы и пустота, бытие и небытие – структурированность пространства, а структурированность во времени – это когда частица как бы то есть, то ее нет. Это ее природа, что она флуктурирует. Есть – из фундаментальной планковской константы – частота, 10 в 44-й степени циклов в секунду. Так вот можно представить себе вакуум как среду осциллирующую с частотой 10 в 44-й степени циклов перевозникновения частиц.

ВШ: Можно я еще тут добавлю?

РП: Да, сейчас. Вот представим лампочку. Она моргает с частотой – планковской или какой-то другой

АГ: для простоты пускай будет раз в секунду.

РП: Да. И два прибора, которые моргают с той же частотой: включаются и выключаются. Тогда окажется что для одного прибора все время тьма, а для другого все время свет. Значит, то что нам кажется непрерывным, на самом деле колеблется, бытие мерцает. Это природа, изначальная природа вот этого вакуума. И образован он, видимо, световыми образами. Если у Аристотеля было абсолютным понятие покоя, и тогда надо было придумать что такое движение через Галлилея, Ньютона, Эйнштейна. Так теперь надо объяснить что такое покой. Покой – это просто стоячая волна, когда два световых движения друг другу навстречу идут, и волна никуда не идет. И эти релятивистские образы – это как в пословице "коготок увяз, всей птичке пропасть", – они совершенно переворачивают все наши представления, которые были раньше: о пустоте, которая якобы пустота, о пространстве, времени, материи; и физика уже несколько десятилетий... и физики поняли, что это вторичные понятия, которые вырастают из какого-то более первичного понятия, природу которого мы сможем более детально описать, когда создадим Теорию Великого Объединения, описывающую все физические взаимодействия, когда и частицы и поля друг в друга переходят...

Вперед
наверх

Copyright © surat0 & taras 2002