Жанр: Эзотерика
Тайны пространства и времени
...двигаться
планеты...
И тем не менее в различных вариантах представления об эфире
сохранялись еще довольно долго, до той поры, когда созданная Эйнштейном
специальная теория относительности не покончила с ними, на этот раз уже
навсегда. Выяснилось, что для света не нужен материальный носитель -
световое излучение само является материей особого рода.
Казалось, что проблема тем самым возвращается к своему
первоначальному состоянию: вакуум - абсолютная пустота.
И только в связи с развитием квантовой физики в начале XX столетия
представления о "пустоте" вышли на совершенно новый уровень. Важная роль
в развитии этих представлений принадлежала выдающемуся физику-теоретику
Полю Дираку.
Изучению вакуума Дирак придавал чрезвычайно важное значение.
"Проблема точного описания вакуума, - писал он, - по моему мнению,
является основной проблемой, стоящей в настоящее время перед физиками. В
самом деле, если вы не можете правильно описать вакуум, как можно
рассчитывать 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 науки, накапливалось все
больше фактов, свидетельствующих о том, что "физический вакуум" не есть
чисто условное изобретение ученых, а реальное физическое состояние
материи. Тот же Дирак предполагал, что если из вакуума в результате
внешнего энергетического 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 положительным зарядом. И уже спустя год
после этого предсказания "положительный электрон" - "позитрон" был
экспериментально обнаружен в космических лучах.
В дальнейшем выяснились факты еще более поразительные. Оказалось, что
помимо вещества, полей и излучений существует еще одна весьма необычная,
образно говоря, "скрытая" форма существования материи - "физический
вакуум". Впрочем, "скрытая", но не совсем. 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 10~22с. За это время он
никак не может "проявить себя", то есть вступить во взаимодействие с
какой-либо другой реальной частицей.
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 все время должна двигаться. В каждом малом
объеме 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
объеме существует многообразие частиц и квантов излучения.
Таких элементарных частиц - не только электронов и позитронов, -
возникающих из вакуума и тут же исчезающих, должно существовать великое
множество. Подобные "невидимые" частицы назвали "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".
Следует признать, что у физиков хорошо развито воображение. Многие
названия и термины представители этой науки придумывают в высшей степени
удачно. Они не только достаточно точно отражают физическую сущность того
или иного явления, но создают его впечатляющий образ.
"Нулевые колебания"... А если не "нулевые"? Возможно ли это?
Оказывается, возможно. При определенных обстоятельствах "нулевые
колебания" начинают себя проявлять. При этом должны возникать особые
эффекты, которые в принципе можно зарегистрировать. И некоторые из них,
действительно, зарегистрированы...
Мы вплотную подошли к весьма сложным "материям", к физическим
явлениям, которые в окружающем нас мире ни с чем сравнить нельзя,
поскольку они ни на что не похожи. Поэтому представить себе подобные
явления в наглядных образах практически, увы, невозможно.
Но что поделать, так устроен окружающий нас мир. Он сложен,
противоречив и полон самых неожиданных связей. Потянешь за одно "звено",
за одну "ниточку", а отзовется не только по соседству, но и в .областях,
казалось бы, очень и очень отдаленных. Вот и приходится к ответам на
интересующие нас вопросы пробираться окольными путями, решая по дороге
множество побочных задач...
Но вернемся к физическому вакууму. Похоже, что именно вакуум
представляет собой основу всего существующего. Любопытно, что
аналогичную идею в свое время высказал в образной форме академик Г.И.
Наан. Он говорил, что основу мироздания составляет вакуумный океан, а
все вещественные космические объекты - звезды, планеты, туманности,
галактики - это лишь "легкая рябь на его поверхности".
В высшей степени любопытна и поучительна история первого
эксперимента, показавшего, что вакуум есть нечто физически вполне
реальное. Ученые не без основания называют его "экспериментом века"...
Когда в 1930-е годы Поль Дирак с присущим ему теоретическим блеском
точно рассчитал спектр излучения атома водорода - системы, состоящей из
протона и электрона, то выяснилось, что так называемый второй
энергетический 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 расчетам Дирака при этом
возникают не одна, а две спектральные линии. Однако этот результат был
получен на самом пределе возможностей прибора, с которыми работал
Пастернак, и хотя как спектроскопист он пользовался заслуженной
известностью, никто не отнесся к его наблюдению всерьез...
Вторая мировая война способствовала развитию радиолокации. Одним из
тех, кто имел дело с новой аппаратурой, был американский физик Виллис
Лэмб. И когда зойна окончилась, он решил вернуться к опыту Пастернака.
Если второй уровень в самом деле расщепляется на два, рассуждал он, то
должен существовать и переход между ними. Но в этом случае, как
показывает расчет, 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 осуществлен, Лэмб обнаружил именно то, что и ожидал...
Дирак оказался немного не прав. Он не учел физического эффекта,
вызывающего расщепления второго уровня. Знаменитый физик рассматривал
систему, состоящую из протона
и электрона, - и только. А в реальном мире такой изолированной
системы просто не существует - есть протон и электрон, погруженные в
физический вакуум. Протон - тяжелая частица, и она колебаниям вакуума не
поддается, а электрон под их влиянием сам начинает колебаться. Это и
приводит к расщеплению уровня, обнаруженному Лэмбом...
Физики говорят, что еще до войны известный советский физик-теоретик
Дмитрий Иванович Блохинцев на семинаре академика Игоря Евгеньевича Тамма
дал совершенно правильное объяснение результата опыта Пастернака. К
подобному эффекту, утверждал он, способны привести колебания физического
вакуума. Но в то время неизбежность "все более странного мира" еще не
казалась столь неизбежной. Идея Блохинцева показалась всем настолько
необычной, что никто не отнесся к ней с достаточной серьезностью. И
соответствующая статья, к сожалению, так и не появилась в печати...
Вообще в конце 1940-х годов физический вакуум для большинства людей,
даже близко стоящих к физике, был чем-то прямо-таки "потусторонним".
Но вернемся к явлениям, которые происходят в физическом вакууме и в
реальности которых сегодня уже не приходится сомневаться.
Известно, что два разноименных электрических заряда в пустоте
притягиваются друг к другу с некоторой силой. Но если их поместить в
какую-либо среду, то благодаря ее влиянию сила взаимодействия между
зарядами изменится/Например, в воде она ослабевает в 80 раз. Нечто
похожее происходит и в физическом вакууме. Если в нем 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 - среда - ничем не "хуже" тех сред,
с которыми мы обычно имеем дело. На какую же из известных нам сред он
похож - вот в чем вопрос? На металл, полупроводник, диэ лектрик,
жидкость? Исследования последних лет позволяют считать, что во многих
отношениях физический вакуум ведет себя подобно сверхпроводнику...
Сверхпроводимость - чрезвычайно интересное явление. Оказывается, в
некоторых металлах при понижений температуры до 23,4 градуса Кельвина,
то есть до минус 250 градусов Цельсия, электрическое сопротивление
обращается в нуль. Именно в нуль - не становится пренебрежимо малым, а
полностью исчезает.
Однажды ученые провели такой опыт. В замкнутом контуре, помещенном в
жидкий гелий, возбудили ток. И он без всякого ослабления циркулировал
там 14 месяцев, до тех пор, пока не разобрали установку. С момента
открытия явления сверхпроводимости прошло около 40 лет. И теперь мы
довольно хорошо разобрались в физическом механизме этого явления. В
сверхпроводнике под влиянием кристаллической решетки вещества электроны
при определенных условиях начинают притягиваться друг к другу, образуя
связанные пары. Этим парам "выгодно", как физики часто говорят, "сесть"
на нижний энергетический уровень. Таким образом, внутри сверхпроводника
образуется своеобразная подсистема, коллектив с равной нулю энергией,
обладающая сверхпроводящими свойствами. Грубо говоря, эта подсистема
обеспечивает движение электронов без трения - а это и есть
сверхпроводимость...
В 1967 году американский физик С. Вайнберг и пакистанский физик,
работавший в Англии и Триесте, А. Салам, предложили интересную теорию
физического вакуума, весьма напоминающую теорию сверхпроводимости. Из их
теории следовало, что в физическом вакууме тоже могут возникать
коллективы частиц, находящихся на нижнем энергетическом 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, "уходить наверх". Коллектив
начнет разрушаться, а свойство сверхпроводимости будет ослабевать и в
конце концов исчезнет. Нечто подобное происходит и в физическом вакууме.
Если его нагревать - а в физическом смысле нагреть можно все, что
угодно, - то "конденсат" начнет "испаряться", а массы
реальных частиц соответственно уменьшатся, изменится характер
взаимодействия между ними. При достижении критической температуры,
равной 1016 градусов, в физическом вакууме произойдет 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.
Как говорил академик А.Б. Мигдал, пустота - особый объект, ни на что
не похожий и потому заслуживающий самостоятельного изучения.
Таким образом, современная физика располагает убедительными
доказательствами того, что "физический вакуум в действительности не
"ничто", а все-таки нечто".
И пожалуй, самое важное состоит в том, что та скрытая от наших глаз и
непосредственных ощущений загадочная форма материи способна при
некоторых условиях рождать вещественные частицы без нарушения законов
сохранения. Подобные условия могут складываться как под воздействием
внешних сил, скажем, мощных полей тяготения или электромагнитных полей,
так и "спонтанно", самопроизвольно.
Теория "инфляции"
Необходимость преодоления упомянутых выше трудностей привела к
разработке теории так называемой раздувающейся, распухающей или
инфляционной Вселенной.
Согласно этой теории, в результате спонтанного всплеска физического
вакуума образовался первоначальный "объем" нашей Вселенной размером
около 10~33 сантиметра, содержащий не более 10-5 граммов вещества. Затем
произошло примерно следующее. По современным представлениям, физический
вакуум обладает гравитационными свойствами. Однако эта гравитация
порождает не притяжение, как в обычных условиях, а отталкивание. В
современной Вселенной гравитация вакуума либо совершенно отсутствует,
либо чрезвычайно мала. Но в начальный период расширения при колоссальной
температуре она должна была достигать колоссальной величины. Такое
состояние получило название "ложного вакуума".
Сперва гравитация вакуума была ниже, чем гравитация обычного
вещества. Однако в процессе расширения наступил момент, когда она ее
превзошла. Именно это обстоятельство
и должно было вызывать "распухание" Вселенной, которое происходило со
скоростью, во много раз превышающей скорость света. Это "распухание"
сопровождалось стремительным уменьшением плотности обычного вещества и
не менее стремительным понижением температуры.
И хотя, согласно теории, эта стадия продолжалась всего около 10~30с,
за этот малый промежуток времени первоначальный объем Вселенной возрос
примерно в 1050раз! ,
Происходило это "раздувание" по экспоненциальному закону (типа ех),
то есть подобно тому, как растут в мире цены в соответствии со скоростью
инфляции. Поэтому-то "раздувающуюся" Вселенную и называют "инфляционной"
Вселенной.
Во время инфляционного расширения каждые 10~34с все области
нарождающейся Вселенной сперва удваивали свои размеры, а в дальнейшем
этот процесс развертывался в геометрической прогрессии. Все части
Вселенной разлетались как при взрыве. Это и был фактически Большой
взрыв!
Из вакуума родилось огромное количество реальных частиц вещества с
общей массой около 10" г. При этом вся энергия вакуума перешла в
тепловую и Вселенная разогрелась до чрезвычайно высокой температуры.
Одновременно с этим исчезло и свойственное состоянию "ложного вакуума"
гравитационное отталкивание, сменившись обычной гравитацией, замедляющей
расширение. С этого момента дальнейшая эволюция происходила в
соответствии с теорией горячей расширяющейся Вселенной. Таким образом,
пустое пространство самопроизвольно "взорвалось" благодаря отталкиванию,
присущему ложному вакууму.
Если бы образование "пространства-времени" происходило в состоянии
истинного вакуума, то инфляция не могла бы развиться и Большой взрыв
свелся бы к слабому всплеску.
Теория "распухающей" Вселенной способна разрешить многие из загадок,
о которых упоминалось выше, например, формирование однородности и
изотропии современной Вселенной. До начала раздувания внутри общего
"горизонта" в близких точках должна была установиться приблизительно
одинаковая температура и другие физические условия. Но в период
раздувания со сверхзвуковой скоростью эти точки оказались стремительно
разнесенными на огромные расстояния друг от друга.
Но что значит "раздувание со сверхсветовой скоростью"? И не просто со
сверхсветовой, а, как показывают расчеты, со скоростью, превышающей
скорость света в огромное число раз? Не противоречит ли подобное
утверждение одному из фундаментальных положений современной физики,
согласно которому передача любых физических взаимодействий в нашей
Вселенной не может происходить со скоростями, большими, чем скорость
света.
Таким образом, возникает парадоксальная ситуация, требующая
специального объяснения. И подобное объяснение существует...
Прежде всего попытаемся разобраться в том, каким способом можно
измерить скорость тела, которое проносится мимо неподвижного
наблюдателя, скажем, скорость гоночного автомобиля. Для этого выбирается
некий "жесткий масштаб", своеобразная "мерная линейка", и отмечаются
моменты времени, когда наш автомобиль поравняется с ее началом и концом.
Поделив длину нашей "линейки" на разность зарегистрированных моментов
времени, мы и определим интересующую нас скорость. Все очень просто...
Между прочим, примерно таким способом пользуются при определении
скоростей гоночных автомобилей во время рекордных заездов. А теперь
рассмотрим более сложную ситуацию, когда наблюдатель находится от
движущегося тела- того же автомобиля на очень большом расстоянии. Что
может послужить нам "мерной линейкой" в подобных условиях? Ведь без нее
не обойтись! Необходимо хотя бы мысленно связать с наблюдателем некую
систему отсчета, некий жесткий "каркас". И продолжить этот "каркас" к
тому месту, где находится движущееся тело. Измерив по отношению к нему
скорость движения автомобиля, мы тем самым определим и его скорость по
отношению к наблюдателю. В общем это тоже довольно обычный процесс
измерения относительной скорости двух удаленных друг от друга тел.
Но при этом должно выполняться одно непременное условие! Наша система
отсчета - "каркас" - обязательно должна быть жесткой и жестко связанной
с наблюдателем. Нетрудно сообразить, что любые деформации системы
отсчета неизбежно приведут к тому, что скорость движения автомобиля,
измеренная по отношению к этой системе в том месте, где автомобиль
движется, уже не будет скоростью по отношению к наблюдателю.
Возможно ли ввести такую жесткую систему отсчета, необходимую для
измерения относительной скорости, в период начального "раздувания"
Вселенной? Принципиально невозможно! Мощные силы гравитационного
отталкивания, действующие в состоянии "ложного вакуума", будут неизбежно
деформировать любой достаточно протяженный "каркас". А это значит, что в
подобном состоянии понятие относительной скорости для удаленных друг от
друга точек просто-напросто теряет физический смысл. Поэтому-то
"распухающая" Вселенная и может раздуваться как угодно быстро, без
нарушения фундаментального принципа предельного характера скорости
света.
Возможно, подобные рассуждения показались вам несколько
искусственными и недостаточно убедительными. Но, поверьте, они проведены
со всей необходимой в физике строгостью... Итак, точки, удаленные в
настоящее время на расстояния, превосходящие расстояние "оптического
горизонта", в самом начале "раздувания" Вселенной могли располагаться
"по соседству" и обмениваться друг с другом физическими сигналами.
Однако и среда в результате стремительного расширения тоже не была
абсолютно однородной. Этому помешало возникновение небольших
неоднородностей плотности, которые в дальнейшем стали центрами
формирования скоплений галактик.
Так с помощью новой теории была преодолена одна из главных
трудностей, с которой столкнулись авторы "сценария" горячей
расширяющейся Вселенной. Естественное объяснение получила и близость
средней плотности вещества в современной Вселенной к критическому
значению. Дело в том, что, согласно теории, плотность "ложного вакуума"
в "распухающей" Вселенной в точности равна критической. Поэтому и
плотность вещества, возникшего при распаде "ложного вакуума", также
должна быть равна критической плотности.
Существует и еще одно весьма любопытное следствие стремительного
"раздувания" Вселенной. Из теории вытекает, что после стадии
"распухания" в областях, которые в начальный период достаточно далеко
отстояли друг от друга, могли сформироваться различные физические
условия. И между такими областями - "доменами", в процессе "раздувания"
должны были возникнуть "доменные стенки".
В процессе дальнейшего расширения из таких областей образовались
"мини-вселенные", а разделяющие их стенки отдалились очень далеко друг
от друга, в частности, и от нас - за расстояние "оптического горизонта".
В этих достаточно удаленных друг от друга областях, различающихся
своими физическими свойствами, возможно, поразному протекали и процессы
свертывания многомерного пространства. В результате в различных
"мини-вселенных" могли сформироваться пространства разной размерности.
Вполне логичные объяснения получают и в рамках теории "раздувающейся"
Вселенной и некоторые другие свойства мироздания, не находившие
истолкования в прежних теориях. Теперь, как всегда, слово за
наблюдателями. Ибо только наблюдения могут подтвердить или опровергнуть
теорию "раздувающейся" Вселенной.
Инфляционная теория не только помогла'преодолеть трудности, возникшие
в теории горячей расширяющейся Вселенной - из нее вытекал ряд важных
следствий. В частности, выяснилось, что в процессе "раздувания" могли,
как мы уже отмечали, сформироваться обособленные пространственные
области - "домены", с различными физическими условиями, которые дали
начало "мини-вселенным". Следовательно, наша Вселенная не единственная в
мироздании, а лишь одна из множества вселенных, обладающих разными
физическими свойствами.
И как бы ни развивалась инфляционная теория в будущем, ее появление -
еще одно свидетельство теснейшей связи между микро- и макропроцессами...
Вселенная из... "ничего"
Идея, согласно которой "из ничего не родится ничто", возникла еще в V
веке до н. э. в эпоху Парменидов. И оказалась одной из самых устойчивых
идей, которая прошла через столетия и сохранялась в естествознании в
неизменном виде почти до самого последнего времени! Еще всего
какие-нибудь десять лет назад гипотезу о самопроизвольном возникновении
в результате чисто физических процессов вещества и энергии из "ничего"
большинство естествоиспытателей считало неприемлемой...
В невозможности возникновения "чего-либо" из "ничего" как будто
убеждает нас и повседневный житейский опыт.
Мы привыкли к тому, что одни предметы или объекты всегда образуются
из других предметов или объектов. И что из этого правила не существует
исключений.
С другой стороны, известный современный английский астрофизик П.
Девис утверждает, что возникновение "чегото" из "ничего" не только в
принципе возможно, но и реально происходит! Из чего, например, - ставит
он вопрос, - возникают мысли, а также идеи? МьГсли, без сомнения,
существуют реально, рассуждает Девис, а для их возникновения требуется
непосредственное участие головного мозга. Однако мозг обеспечивает лишь
реализацию мыслей, но не является их причиной. Сам по себе мозг
порождает мысли не в большей степени, чем компьютер - вычисления. Мысли
могут быть вызваны (порождены) другими мыслями, а также ощущениями или
сведениями, то есть информацией, хранящейся в памяти или поступающей
извне. Однако эти соображения не раскрывают природу самих мыслей.
Многие творческие люди говорят, что их произведения - результат
неожиданного вдохновения. Таким образом, рождение картины, или
стихотворения, или музыкального произведения фактически является
примером рождения "чегото" из "ничего". В пользу подобной точки зрения
свидетельствуют высказывания ряда известных современных поэтов,
писателей и композиторов. Так Андрей Вознесенский утверждает:
"Чувствуешь эту связь, словно кто-то диктует тебе". Об этом же говорил и
Владимир Солоухин: "Писал стихи - так мне всегда казалось, что под
чью-то диктовку". Аналогичные мысли высказывал и выдающийся композитор
А. Шнитке: "Музыка мною не пишется, а улавливается... Вроде как я имею
дело не со своей работой, а переписываю чужую"...
Можно ли, однако, считать, что из "ничего" возникают физические
объекты? В том числе наша Вселенная?
В принципе можно. Подобной точки зрения придерживаются такие
известные современные физики и астрофизики как Алан Гут из
Массачусетского технологического института (М
...Закладка в соц.сетях
