Вакуум, пространство, время
Очень интересные идеи высказываются в последнее время физиками и относительно природы так называемого вакуума. В свое время считалось, что вакуум — это просто ничто, пустота, пространство, полностью лишенное материн, своеобразная арена, на которой разыгрываются все происходящие в природе вещественные процессы.
Но этим, на первый взгляд таким естественным, само собой разумеющимся представлениям суждено было со временем претерпеть весьма серьезные изменения. Сначала выяснилось, что полной пустоты в природе не существует. Ее нет даже там, где совершенно отсутствует какое бы то ни было вещество. Уже в XVIII столетии Фарадей утверждал, что «материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею».
Любая область пространства всегда заполнена если не веществом, то какими-либо другими видами материи— различными излучениями и полями (например, магнитным полями тяготения).
Но даже с такой поправкой пространство вес еще оставалось просто гигантским вместилищем, содержащим бесчисленное количество материальных объектов.
Однако вскоре выяснились еще более поразительные вещи. Представьте себе на минуту, что нам каким-то образом удалось совершенно опустошить некоторую область пространства, изгнать из нее частицы, излучения и поля. Так вот даже в этом случае все равно осталось бы «нечто». Определенный запас энергии, который у вакуума нельзя отобрать никакими способами.
Обнаружились и вовсе «крамольные» факты. Оказалось, что вакуум способен рождать элементарные частицы, рождать вещество...
Мало того, с самим вакуумом могут происходить различные физические превращения: он способен взаимодействовать с чем-то и даже сам с собой.
Частицы из пустоты? Пустота взаимодействует с пустотой? Значит ли это, что рушится одни из самых основных законов природы — закон сохранения материн?
Разумеется, нет. Просто вакуум оказался еще значительно сложнее, чем мы это себе представляли.
Сейчас у физиков есть все основания рассматривать вакуум как нечто материальное, особую форму существовании материи, а некоторые даже предлагают считать его особым состоянием вещества.
Надо ли говорить, что эта проблема представляет собой не только чисто физический, по и философский интерес. Ведь вакуум представляет собою нечто более универсальное и всеобъемлющее, чем любая другая известная нам форма существования материн. Может быть, вакуум и есть та среда, из которой могут образовываться все другие виды вещества и материи?
О том, что вакуум — не пустота, а сложная физическая система, лучше всего свидетельствует открытие одного из самых поразительных явлений — так называемой «поляризации вакуума», к которому пришла квантовая электродинамика.
Квантовая электродинамика, или квантовая теория электромагнитного поля, — один из сравнительно молодых и наиболее сложных разделов современной физики. Она занимается изучением всевозможных взаимодействии фотонов электромагнитного поля с заряженными частицами.
П вакууме, который рассматривается как особое состояние материи, скрыты не только электроны и позитроны, но и пары «протон—антипротон». Такие пары, если к ним подвести энергию в форме, например, фотонов, становятся реальными: их можно зарегистрировать.
Если в вакууме покоится заряженная частица—протон, то согласно законам квантовой механики вокруг него будут непрерывно рождаться и уничтожаться электроны и позитроны. Создается своеобразная «плазма» наподобие той, которая возникает в газовом разряде. Поэтому вблизи протона вакуум приобретает суммарный отрицательный заряд, а на большом расстоянии от пего — суммарный положительный. В результате заряд протона несколько уменьшается — «экранируется». Это и есть поляризация.
Следовательно, частица, оказавшаяся в вакууме, расталкивает вокруг себя заряды, расталкивает «плазму»... Именно это обстоятельство и дает возможность наблюдать эффект, о котором идет речь.
Хотя возникающие в «плазме» заряженные частицы «живут» лишь десять в минус двадцать первой степени секунды и наблюдать их нельзя, свойства электронного поля вблизи протона, как уже говорилось, изменяются. Это явление можно наблюдать экспериментально. Однако расчет величины подобного эффекта долгое время наталкивался на непреодолимые трудности.
Однако благодаря работам американских физиков Р. Фейнмана и Ю. Швипгера и японского физика С. Томопаги, разработавших необычайно стройную, хотя и весьма сложную теорию, вычисление упомянутого эффекта стало возможным и благодаря этому его удалось обнаружить и экспериментально.
Тем самым представления о сложной материальной природе вакуума получили непосредственное опытное подтверждение.
Есть основания предполагать, что в будущем па смену современной физической картине мира, оперирующей всевозможными полями: электромагнитным, гравитационным и т. д. — придет вакуумная картина. Такая картина должна исходить из того, что основой всего во Вселенной является вакуум, а псе существующее, по меткому выражению одного известного ученого, не более как «легкая рябь» па его поверхности. Обычное вещество может оказаться в определенном смысле конечным, а суть всех вещей заключаться именно в вакууме.
Развитие вакуумной картины может иметь и более далеко идущие последствия для наших представлений о строении мира.
Еще с появлением теории относительности была обнаружена тесная связь между свойствами материи и свойствами пространства и времени. При этом до сих пор мы исходили из предположения, что определяющую роль играют свойства материи (т. е. вещества, частиц, полей), а свойства пространства и времени являются вторичными, производными. Однако в принципе не исключена возможность, что в действительности все обстоит наоборот, т. е. свойства материи представляют собой не что иное, как проявление определенных геометрических свойств, так сказать, пространственно-временного «каркаса».
Во всяком случае, в распоряжении современной науки уже имеются определенные данные, свидетельствующие о том, что вакуум, возможно, играет весьма большую роль во многих природных процессах. В частности, академик Наап обратил внимание на один любопытный факт, обнаруженный при изучении гравитационных взрывов — особых процессов, происходящих во Вселенной, при которых происходит неудержимое катастрофическое сжатие или разлет больших масс вещества.
Как показывают расчеты, в районе таких взрывов имеются области, в которых, с точки зрения современной физической теории, вообще нет ничего — ни вещества, ни пространства, ни времени, ни движения. Но, с другой стороны, как это ни покажется странным, удивительные области, о которых идет речь, существуют вполне реально и как раз на их границе начинается история объекта, находящегося в состоянии катастрофического расширения. Другими словами, складывается впечатление, что здесь происходит возникновение из ничего и обращение в ничто. Но так как подобное явление невозможно, то, видимо, столкнувшись с гравитационными взрывами, паука вплотную подошла к познанию совершенно новых форм существования материи, нам еще не известных. И очень может быть, что одной из таких форм является именно вакуум.
Это обстоятельство во многом увеличивает интерес к дальнейшему изучению свойств пространства и времени.
Академик Г. Наан считает, что открытие во Вселенной сверхплотных объектов, а также мощных источников энергии — квазаров, указывает на то, что эти свойства могут оказаться гораздо более сложными, чем представлялось раньше.
Согласно современным физическим воззрениям реальное пространство Вселенной, в котором мы живем, является «трехмерным» и «односвязным». Первое из этих свойств означает, что в пашем пространстве через одну точку можно провести только три взаимно перпендикулярные прямые линии. Правда, согласно теории относительности Альберта Эйнштейна в природе существует и еще одно, четвертое измерение: время. Но это четырехмерное «пространство — время» теории относительности фактически является лишь математическим приемом позволяющим в удобной форме описывать различные физические процессы. Поэтому говорить о том, что мы с точки зрения теории относительности живем в четырехмерном мире, можно лишь в том смысле, что все происходящие в природе события совершаются не только в пространстве, но и во времени.
Что же касается односвязности, но это свойство отражает тот факт, что в нашем пространстве любой замкнутый контур может быть непрерывной деформацией, т. е. без нарушения его целостности стянут в произвольную точку, находящуюся внутри этого контура. Другими словами, это означает, что во Вселенной нет «оторванных» друг от друга «кусков».
Если бы внутри замкнутого контура располагалась некая «дырка», не принадлежащая к нашему пространству, то задача непрерывного стягивания в точку, очевидно, оказалась бы неразрешимой.
Как показывают теоретические выкладки, в районе, где происходят гравитационные взрывы, пространство и время могут приобретать удивительные с пашей привычной точки зрения свойства.
Так, например, здесь есть области, в которых время течет с необыкновенной быстротой. Для наблюдателя (разумеется, гипотетического), оказавшегося в такой области, целая вечность от бесконечно далекого прошлого до бесконечно далекого будущего длилась бы всего лишь какое-нибудь мгновение. Иными словами, здесь вообще нет ни будущего, пи настоящего, пи прошлого, т. е. фактически вообще не существует времени.
В том же районе гравитационного взрыва можно указать и такие области, в которых пространство стягивается в точку, т. е. фактически не существует пространства.
Есть и зоны, где происходят явления, которые вообще трудно даже себе представить: здесь временная координата меняется ролями с одной из пространственных, т. е. время как бы превращается в расстояние, а расстояние — во время. Это можно пояснить следующей, хотя и довольно натянутой аналогией. Шофер, ведущий автомобиль по шоссе, достигнув определенной точки, вдруг обнаруживает, что шоссе превратилось в течение времени, а течение времени — в шоссе. К сожалению, на этом наша аналогия и заканчивается, ибо что означают лги события практически, мы не можем сказать даже приблизительно — для этого просто не хватает известных нам понятий.
Есть также основания предполагать, что в области очень сильных гравитационных полей, в частности, в районе все тех же гравитационных взрывов, нарушается м свойство односвязности пространства. А если пространство становится многосвязным, т. е. состоящим как бы из отдельных «кусков», то в каждом из этих «кусков» течение времени может происходить независимо друг от друга п в разных направлениях. Но в таком случае в момент перехода из одного «куска» в другой, если, разумеется, такой переход вообще возможен, наблюдатель обнаружил бы, что время потекло иначе, чем раньше, например, вспять.
Представьте себе, что вы попадаете в такую область, перейдя по подземному тоннелю с одной стороны улицы па другую. Возможно, что внешне вы ничего не заметите, потому что для существ, обитающих в этой области, время тоже течет от прошлого к будущему: от «их» прошлого к «их» будущему.
И все же оно течет вспять по сравнению с временем па другой стороне улицы. Совершив свой переход, скажем, в полдень, и проведя в этом мире несколько часов, вы, вернувшись обратно, обнаружили бы, что вновь возвратилось со всеми событиями уже минувшее для вас утро того же дня.
В области гравитационных взрывов возможен и такой случай, когда пространство теряет так называемое свойство ориентируемости, присущее нашему обычному пространству. Практически это означает, что наблюдатель, движущийся в таком пространстве по замкнутому контуру, вернувшись в исходную точку, мог бы обнаружить, что в результате «кругового» путешествия течение времени изменилось на обратное.
Вообще интересно отметить, что с теоретической точки зрения можно представить себе самые различные миры, отличающиеся от нашего (назовем их «антимирами» или «псевдомирами»). Это — миры с обратным течением времени, миры, в которых все частицы заменены античастицами и т. п. Таких гипотетических миров уже сейчас можно насчитать около десятка. Вопрос в том, могут ли они реально существовать?
В математике объект считается существующим, если предположение о его существовании не вступает в противоречил с другими положениями. Однако дли того чтобы доказать существование физического объекта, одной лишь логической непротиворечивости недостаточно. Необходимы реальные факты, экспериментальные подтверждения.
Но, с другой стороны, у пас пет оснований п отрицать реальность того или иного объекта, если известные нам физические законы не запрещают его существования.
Применительно к нашей проблеме это означает, что либо со временем какие-нибудь из гипотетических миров будут экспериментально обнаружены либо будут открыты новые физические законы сохранения, накладывающие запреты на их существование.
Очевидно, любой из этих вариантов имел бы колоссальное значение для понимания окружающего пас мира. Поэтому исследования в такой, казалось бы, весьма отвлеченной, абстрактной области могут оказаться весьма плодотворны.
Все явления, о которых идет речь, па первый взгляд представляются парадоксальными. По парадоксы возникают именно тогда, когда наука вплотную подходит к неизвестному. А познание неизвестного неизбежно влечет за собой переоценку привычных взглядов.
Поэтому мы должны быть готовыми к тому, что многие положения, которые в настоящее время кажутся нам незыблемыми, а также некоторые законы, которые мы считаем «абсолютными» (например, законы сохранения), по мере дальнейшего развития наших знаний окажутся вовсе не такими «незыблемыми» и не столь «абсолютными».
Но, разумеется, это не означает, что такие законы начисто «отменяются» — просто они окажутся частным, предельным случаем еще более общих законов.
Современные астрономия и физика тесно смыкаются с философией. Если в прошлом философия естествознания ограничивалась главным образом интерпретацией результатов, полученных точными науками, то в настоящее время она становится полноправной участницей самого процесса научного исследования. Это объясняется тем, что современная физика и астрономия вплотную подошли к решению таких фундаментальных проблем мироздания, разработка которых требует глубокого философского осмысления. Когда дело касается фундаментальных исследований, бессмысленно говорить о физике и философии отдельно. Единый философско-физический подход к решению научных проблем становится все более важным. В дальнейшем же значение такого подхода еще более возрастет.
По меткому выражению одного советского физика, в практике научного исследования физический и философский аспекты переплетаются, образуя единый сплав, определяющий переднюю кромку нашего знания.
Философия занимается уже не только обобщающими выводами и не только общей методологией процесса познания. В целом ряде случаев именно философские соображения позволяют делать выбор между различными физическими гипотезами и предположениями. Можно сказать, что в подобных, ситуациях общефилософские положения выступают в роли физических критериев.
Разумеется, в любом случае высшим и окончательным судьей истинности или ложности любой теории остается эксперимент. Но, тем не менее, физический анализ способен оказывать весьма существенную помощь при оценке тех или иных ситуаций, складывающихся в процессе изучения природы и выборе наиболее эффективных путей дальнейшего исследования.
|
|
Читайте в рубрике «Космогония»: |