Во вселенной есть вакуум

Досье на вакуум вселенной

В разделе сайта Теории Мироздания собраны статьи в стиле междисциплинарной популяризации об основных уже хорошо изученных взаимодополняющих областях (классическая механика, теор ия относительности, квантовая механика, теор ии суперструн и квантовой гравитации) и гипотетические попытки обобщения. Моей личной попыткой — была статья, обобщающая материалы сборника: Вакуум, кванты, вещество. Но это — популярное представление, без попыток показать почему именно возникло такое обобщение, без опоры на определенные достоверные данные исследований — аксиом атику.

Сейчас попробую обосновать эти представления, основываясь на том, что кажется уже вполне достоверно известным. Во всяком случае, на том, что не вызывает непримиримых споров о самом факте существования у передовых физиков. Кстати, что значит моя уверенность насчет передовых физиков? 🙂 Это означает, что факты, на которые я собираюсь опираться (выделенное словом известно), не отрицаются ими (если кто-то заметит высказывание передовых физиков, противоречащие этому, плиз, сообщите!), хотя могут ими интерпретироваться иначе. Известные представления показываются с помощью системы аксиом атики: Аксиоматика вакуум, кванты, вещество: взаимодействия и Аксиоматика Флуктуации вакуума.

Известно , что дальнодействие не обнаруживается [44] , оно явно не характерно (т.е. не составляет сути взаимодействий), что взаимодействие передается даже в вакууме со вполне определенной скоростью, в том числе и само распространение кванта поля в вакууме имеет эту скорость (т.е. ограничение на скорость распространения деформации). В вакууме неизвестно ничего, чтобы могло бы обеспечивать передачу деформации — «движение», кроме эффекта флуктуации вакуума. Механистические представления о том, что квант — кусок волны, летящей в виде частицы в полной пустоте, вызывают необходимость ввести понятие абсолютного пространства и времени, но известно, что эти метрики — непосредственно сопутствуют материальному объекту и сами по себе не существуют (в виде чего бы?) и еще встает проблема ограничения скорости движения (взаимодействия). Это не оставляет ничего другого, как предположить, что флуктуации вакуума — и есть та среда, которая передает взаимодействия (такая вот альтернатива эфиру :). Это означает, что движение кванта это — передача некоего характеристического параметра частицы рядом возникающей виртуальной частице.

Известно , что квант и соответствующие ему частица с античастицей обладают свойством взаимно переходить друг в друга, например, электрон-фотон-позитрон. Фотон достаточной энерги и образует сразу пару: электрон и позитрон [46] . В настоящее время парная природа элементарных частиц является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.

Известно , что квант в виде частицы описывается волновой функцией в виде стоячей волны [47] , в отличие от волновой функции свободно распространяющегося кванта. Такие волновые функции хорошо изучены, особенно для случая электрона. Они описывают только результат распространения кванта, но не его суть как частицы. Т.е. условный параметр, который определяет вектор распространения, нужно дополнять параметром, определяющим свойства частицы во взаимодействиях — характеристическим параметром (это может быть целое сочетание параметров — степеней свободы частицы).

Вывод: свободное распространение кванта возможно так «закольцевать», что образуется самоналагающаяся волна — стоячая волна, которая будет иметь уже более стационарное положение, а не распространяться со скоростью максимально возможного взаимодействия.

Известно , что у каждой частицы есть свой антагонист — античастица, при взаимодействии которых закольцовки взаимно нарушаются и частицы начинают распространяться как свободные кванты — в противоположных направлениях [195] . Наоборот, в определенных условиях два кванта во встречном пучке (и только так) могут привести к образованию пространственно разнесенных закольцовок — частиц [193] .

Известно , что в вакууме появляются и исчезают «недореализованные» частицы-антагонисты (например, электрон-позитрон) [199] .
В статье Флуктуации вакуума впервые измерили напрямую: «Квантовые флуктуации вакуума представляют собой одно из фундаментальных свойств нашего мира и являются следствием принципа неопределённости Гейзенберга. Согласно этому принципу, электрическое и магнитное поля не могут быть одновременно точно равны нулю даже в абсолютной пустоте в отсутствии каких-либо волн. Это приводит к тому, что в вакууме существуют так называемые виртуальные фотоны, которые проявляют себя как электромагнитный шум.».
Во взаимно-скомпенсированном состоянии (отсутствие материи) могут быть только взаимно-аннигилирующие частицы, а не свободные кванты поля потому, что экспериментально установлено, что поля не взаимодействуют между собой. Т.е. флуктуации вакуума — это всегда именно закольцовки — частицы.

Известно, что поля не взаимодействуют между собой, это — не характерно для них (т.е. не составляет их сути), и только прямые встречные столкновения с достаточной энерги ей дают в результате образование частиц ( [45] ). Возможно, что свободные кванты не взаимодействуют только потому, что практически невозможно создать условия, когда два кванта, распространяющиеся друг к другу в точке наложения должны быть строго взаимодополняющими по всем своим параметрам. Нет кванта и антикванта потому, что такой антагонизм появляется в виде особенности закольцовки (в ту или противоположную «сторону») в ипостаси стоячей волны. Это означает, что два не закольцованных кванта не могу взаимно компенсироваться в ничто и, соответственно, флуктуации вакуума проявляются в виде только закольцованных квантов — виртуальных частиц.

В вакууме флуктуируют не реализованные полностью частицы, т.е. они не разнесены так, что оказываются существующими самостоятельно. Это — некое временное рассогласование ранее скомпенсированного в ничто, связанное с принципом неопределенности (см. Природа флуктуаций вакуума). Попробуем это представить. Частица — стоячая волна кванта. Частицы-антагонисты, локально образующие общую стоячую волну (занимающие одно место), имеют некий параметр (или набор параметров), определяющий вид волновой функции со взаимно противоположным вектором «распространения» кванта. Т.е. если бы квант был свободен, то этот параметр обеспечивал его «поступательное движение» с максимальной скоростью взаимодействий. В состоянии же стоячей волны, этот параметр как бы обеспечивает «движение» в закольцовке с наложением волны самой на себя (при этом так же используются соседние виртуальные частицы для передачи параметра.

Но, может быть, закольцовка — образование самодостаточное, не требующее посредничества соседних виртуальных частиц для распространения волны? Вряд ли, потому, что стоячая волна электрона («электронное облако») имеет протяженность, соизмеримую с размерами атома (и более) и бывает нескольких форм (s, d, p , f- электроны). Похоже — закольцовки — то же распространение волны, но с «искривлением» вектора распространения до самоналожения.

Две закольцовки частиц-антагонистов образуют суперпозиции рассогласования ранее скомпенсированного в ничто, которые проявляются во временной реализации частиц. В такие моменты параметр частицы, который определяет базовое свойство специфики ее как кванта (электрон это или другая частица), оказывается способен к взаимодействию с другими частицами и свободными квантами. Рассогласования непосредственно следуют специфике «неопределенности» состояния частицы в ее волновой функции — то, что проявляется в виде принципа неопределенности.

Реализация частиц из ничто — всего лишь — появление способности к взаимодействиям с другими частицами — появлению характеристического параметра. Но в случае если нет такой способности, частица, вроде как все же «виртуально» недореализована в виде объекта с временно выделившимися («расцепившимися» из компенсации) параметрами, делающими ее «материальной», хотя нет пространственно-временного проявления ее сущности.

Надо ли понимать это как то, что вакуум — изначально заполнен неким плотным компонентом — прочастицами всех видов и энерги й? Вряд ли. Можно было бы допустить, что вакуум изначально заполнен прочастицами одного базового вида (- объектами, с недовыраженными параметрами, определяющими их специфику в случае реализации), которые в силу некоего фактора, заставляющего проявляться ее характеристическим параметрам, делает явной в виде то одной, то другой частицы с разными энерги ями. Этот фактор не может носить волнового, периодического характера потому, что в нереализованном состоянии не проявляется пространственно-временных характеристик. Это — принципиально вне материальное свойство, заставляющие вакуум флуктуировать.

Поэтому ранее сказанное про то, что флуктуации — проявление суперпозиций рассогласований, стоит дополнить: не волновых суперпозиций. Что это такое гадать не берусь. Возможно, что вовсе и не нужно наделять вакуум заранее существующими прочастицами. А некоторое доматериальное свойство поляризует ничто в раскомпенсированном виде уже «чего-то» в условиях безвременья, когда возможна реализация любой невероятности (бесконечность, деленная на бесконечность :), любого чего-то, вплоть до готовенькой вселенной в сингулярном виде.

Получается, что частица и античастица взаимно раскольцовываются (аннигилируют) при взаимодействии — при сближении на некоторое критическое расстояние такого взаимодействия [195] . Но если бы они оказались вдруг строго в одном месте и обладали бы полностью одинаковыми параметрами, то они бы взаимно уничтожились в ничто. Отсюда можно попытаться понять, что за » энерги я» нужна для реализации частиц из ничего, и какая «‘ энерги я» мешает частицам взаимно превратиться в ничто. Короче, — суть принципа сохранения энерги и — как уже существующего, реализованного в виде материи. Ведь появление вселенной как, предположительно, результата супер-флуктуации в условиях вневременья — по сути — появление материи из ничего. И эта материя — раскомпенсация взаимно-дополняющих видов вовсе не «виртуально», а реально разведенных на достаточное расстояние закольцовок так, что они уже взаимно не компенсировались в ничто, а могли только аннигилировать, оставаясь в ипостаси материи.

Если допустить, что вселенная возникала как флуктуация, значит и сейчас возможны такие флуктуации, которые приводят к образованию протон-электронных вполне реализованных пар? Но в вакууме не известны такие процессы за все время изучения. Разница со случаем образования вселенной лишь в том, есть ли окружение уже существующей материи или нет ничего вообще, т.е. — состояние без пространства-времени. Хотя в микро масштабе, там, где взаимодействия не «успевают» проявляться, можно так же посчитать, что есть условия локального безвременья, но, возможно, что появление реальных пар требует больших масштабов, чем такие временные локальности, ведь вакуум флуктуирует буквально настолько близко от любой реализованной частицы, что позволяет взаимодействовать, т.е. на самом деле нет никаких вневременных локальностей в реализованной вселенной. Возможно, что вселенная смогла образоваться «там», где возникли две суперфлуктуации так, что пересекающиеся их части оказались виртуально опять скомпенсированными в ничто, а боковики остались разнесенными так, что возникла материя и антиматерия? Во всяком случае такой сценарий для двух частиц с образованием электрона и позитрона в безмвременье вполне представим. Ну а само безвременье способно обеспечить любую и более сложную невероятность. Сорри, конечно, пока остается только гадать 🙂 но почему бы не дать себе волю в этом.

Специально написал как можно более лаконично, чтобы не запутывать все 🙂 А если уж дать волю воображению, то картина уже была описана в Вакуум, кванты, вещество.

Источник

Вакуум вокруг нас и во Вселенной

Вакуум вокруг нас и во Вселенной

Самое главное, что до сих пор известно о вакууме, это то, что из него никаким способом нельзя извлекать энергию. Вакуум — это такое состояние квантовых полей, в котором энергия этих по­лей минимальна. Это ещё не означает, что энергия, заключенная в вакууме, равна нулю.

О вакууме известно также, что его энергия. бесконечна. Но это мнимая бесконечность, которая не имеет физического смыс­ла. Формальная бесконечность возникает в неправильном мате­матическом расчёте, а правильно вычислять энергию вакуума физики-теоретики пока не умеют. В их расчётах получается, что энергия вакуума бесконечна не только для всей бесконечной Все­ленной (если Вселенная действительно бесконечна); она имеется в бесконечном количестве и в каждом кубическом сантиметре пространства. Причем это не только где-то очень далеко от нас в глубинах Вселенной, а просто везде и всюду, и, в частности, в ком­нате, где находится наш читатель.

Ясно, что это бессмысленная бесконечность, и если бы теоре­тики умели правильно вычислять энергию вакуума, она получи­лась бы у них не бесконечной, а вполне конечной, и скорее всего довольно малой. То есть такой, какой эту вакуумную энергию не­давно обнаружили и измерили астрономы-наблюдатели. Неожи­данным образом вакуум проявил себя в астрономических наблю­дениях своим. антитяготением.

Что это такое — антитяготение? Все тела природы притяги­ваются друг к другу силой взаимного притяжения. Сила взаим­ного тяготения двух тел пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния меж­ду ними. Таков всем знакомый закон всемирного тяготения Ньютона. Он действует и на Земле, и в Солнечной системе, и во всей Вселенной, отчего ньютоновское тяготение и называют всемирным.

Что же касается антитяготения, то оно, как выяснилось, тоже существует в природе, но заметно только в больших, космических масштабах. Астрономы обнаружили, что оно заставляет галак­тики и системы галактик удаляться друг от друга с возрастающей скоростью. Это самое крупное открытие в космологии, а возможно, в естествознании вообще, за последние годы. К этому успеху вела нелегкая дорога гипотез, сомнений и поисков.

О вакууме, о его энергии и о создаваемом им антитяготении пойдет далее речь в этой статье.

Краткая история космологии

Космология берёт начало в первые десятилетия XX в. То была особая эпоха в истории науки. Тогда были созданы теория относительности и квантовая механика, составляющие с тех пор фундамент всей физики. Космология начиналась с первых теоретических поисков, которые почти всем казались поначалу со­вершенно абстрактными и произвольными, если не фантастиче­скими. Затем последовали грандиозные наблюдательные от­крытия, и в результате в космологии возникла новая (богатая содержанием и хорошо обоснованная) картина мира как едино­го целого.

История космологии складывается, если говорить совсем ко­ротко, из четырех крупнейших событий. Это открытия, которые и определили лицо науки о Вселенной к началу XXI в.

Первое из трёх важнейших открытий сделано Эдвином Хабб-лом: в 1929 г. он обнаружил разбегание галактик, которое теперь понимают как всеобщее расширение Вселенной. Вскоре после этого, в 1933 г., Фриц Цвикки заметил признаки существования во Вселенной тёмной материи, которую называют ещё и скрыты­ми массами. Третье событие — регистрация реликтового излуче­ния, равномерно заполняющего всё пространство мира; это было сделано в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом Вилсоном (Нобе­левская премия 1986 г.). Наконец, четвертое и самое свежее со­бытие — открытие всемирного антитяготения двумя группами ас­трономов; оно произошло совсем недавно, в гг.

Замечательно, что три из четырех крупнейших наблюдатель­ных открытий были заранее предсказаны теоретиками. Расшире­ние Вселенной было предсказано Александром Александрови­чем Фридманом в 1922 г. Реликтовое излучение тоже было пред­сказано — это заслуга Георгия Антоновича Гамова (е годы), некогда студента профессора Фридмана в Ленинградском университете. Существование же всемирного антитяготения предвидел Эйнштейн (1917 г). Только темная материя явилась в космологию неожиданно — о её существовании никто заранее не подозревал.

Предсказание Эйнштейна дольше всего ждало своего наблю­дательного подтверждения. И вот это, наконец, произошло. Как и полагается в истории самых важных открытий, оно оказалось сюрпризом почти для всех, а некоторых теоретиков и вовсе застало врасплох. Никто не мог представить себе, что судьбу эйнштей­новской идеи удастся выяснить уже сейчас и притом с такой вы­сокой степенью определенности и надежности.

В 1915 г. Эйнштейн создал общую теорию относительности. Двумя годами позднее он сделал попытку применить ее к изуче­нию мира, рассматриваемого как некое единое целое. Новая теория впервые позволила поставить столь дерзкую цель в каче­стве точно формулируемой и притом строго решаемой научной задачи. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную фи­зическую систему. Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу. отсутствовало. Ньютоновское все­мирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал ещё один силовой фактор — всемирное антитяготение, которое полностью компен­сировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.

Ничего подобного прежняя, доэйнштейновская физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из об­щей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Она органично и в исключительно экономной форме была введе­на в структуру общей теории относительности, в её математиче­ские уравнения.

Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной и притом постоянной физической величиной, одним чис­лом, которое получило позднее название космологической кон­станты.

Космологическая константа, обозначаемая греческой буквой Л (лямбда), обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения — без неё теория не допускала бы статич­ности мира.

Последнее понятно: в мире, где безраздельно господствует одно лишь всемирное тяготение, все тела должны «падать», двигаясь под действием взаимного притяжения. Статичнось, по­кой и вечная неизменность в таком случае совершенно невоз­можны.

События в космологии тех лет развивались стремительно. В 1922 г. Фридман доказал, что уравнения общей теории относи­тельности — даже при наличии в них космологической констан­ты — допускают не только статические модели, но и модели дина­мические, в которых Вселенная как целое могла расширяться или сжиматься. Фридман явно предпочитал модель расширяющейся Вселенной. Она и подтвердилась в 1929 г. в астрономических на­блюдениях Хаббла.

Как только стало ясно, что во Вселенной никакого покоя на самом деле нет, многие сочли, что идея всемирного антитяготе­ния провалилась, а в космологической константе нет нужды. Так считал и сам Эйнштейн, который однажды в разговоре с Гамо-вым назвал идею космологической константы своим самым до­садным промахом в науке. Против этой идеи были и другие тео­ретики, среди них и В. Паули. Об умонастроении Ландау в гг. пишет : » даже слышать не хотел о
λ-члене, но добиться от него объяснения при­чины такой позиции мне не удалось».

И, тем не менее, интерес к гипотезе Эйнштейна не пропадал. Десятилетие за десятилетием, начиная с работ В. де Ситтера и Ж. Леметра, складывалось понимание того, что же в сущности стоит за этой новой константой природы, — если только она не равна нулю. В результате возникло представление, что космоло­гическая константа Эйнштейна описывает некую новую, совсем необычную космическую среду. Эта среда, не известная до того ни в теории, ни в эксперименте, заполняет все пространство мира с всюду и всегда одинаковой плотностью. Она действует на погру­женные в неё космические тела так, что их взаимное притяжение может быть ослаблено или даже полностью устранено — как в космологической модели Эйнштейна. Более того, эта среда способ­на не только скомпенсировать всемирное тяготение, но и переси­лить его, заставить тела не притягиваться друг к другу, а удалять­ся друг от друга. Такая точка зрения была впервые высказана Эрастом Борисовичем Глинером в 1965 г. Сейчас она получила самое широкое распространение.

Антигравитирующую космическую среду мы называем ваку­умом Эйнштейна-Глинера. И, как уже сказано, вакуум — это от­нюдь не пустота. У вакуума есть энергия, и эта энергия обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в пространстве плотностью — и притом в любой системе отсчёта. Этим вакуум прин­ципиально отличается от всех других форм космической среды, плотность которых неоднородна в пространстве, падает со време­нем в ходе космологического расширения и может быть разной в разных системах отсчета.

В гг. две группы астрономов-наблюдателей сооб­щили об открытии всемирного антитяготения. В работе участво­вало большое число исследователей (около ста в общей сложно­сти), одной группой руководил Адам Райес, другой — Сол Перлмуттер. Астрономы обнаружили, что в наблюдаемой Вселенной присутствует вакуум, — скорее всего, именно тот вакуум Эйнштейна-Глинера, который математически описывается космоло­гической константой. Оказалось, что по плотности энергии он превосходит все обычные формы космического вещества вместе взятые. Вакуум создает космическое антитяготение, которое не то что компенсирует всемирное тяготение, но определенно пере­силивает его и почти безраздельно управляет динамикой космо­логического расширения в современную эпоху.

Открытие сделано на основании изучения вспышек далеких сверхновых звёзд. Из-за исключительной яркости таких вспы­шек сверхновые звёзды можно наблюдать на очень больших, по-настоящему космологических расстояниях. Опуская другие детали, скажем, что использовались данные о сверхновых звёз­дах определенного типа (Iа), которые принято считать стандарт­ными свечами; их собственная светимость в максимуме блеска действительно лежит в довольно узких пределах (эксперты по сверхновым звёздам продолжают между тем спорить, в каких именно). Это позволяет проследить, как видимая, регистрируе­мая яркость источников зависит от расстояния до них. Конечно, на небольших расстояниях это классический закон обратных квадратов; но на очень большом удалении источников становят­ся существенными космологические эффекты, и, значит, харак­тер этой зависимости позволяет в принципе узнать нечто новое о всей Вселенной.

Одно плохо со сверхновыми звёздами — этих звёзд очень ма­ло. В среднем на обычную галактику приходится одна вспышка сверхновой звезды за примерно сто лет, да и длится эта вспышка всего несколько месяцев, а то и недель. Поэтому статистика космологических сверхновых звёзд не очень пока богата (около двухсот звёзд к лету 2007 г.).

Первая группа наблюдателей, сообщившая о своих результа­тах в 1998 г., располагала данными о всего нескольких сверхно­вых звёздах нужного типа на нужных расстояниях; но уже и это­го было достаточно, чтобы заметить космологический эффект в законе убывания видимой яркости с расстоянием. Оказалось, что убывание яркости происходит в среднем несколько быстрее, чем этого следовало бы ожидать по космологической теории, кото­рая до того считалась стандартной. Но это возможно тогда (и, как все сейчас думают, только тогда), когда космологическое расши­рение происходит с ускорением, т. е. когда скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Уско­рение же может создать только космический вакуум: его антитя­готение стремится удалить тела друг от друга и тем самым подго­няет разлет галактик и скоплений.

Именно благодаря этому эффекту ускорения и удалось распо­знать космический вакуум и даже весьма точно измерить плот­ность его энергии. Оказалось, что плотность энергии вакуума со­ставляет 7 • 10-30 г/см3, если выразить её в единицах плотности массы. (Как известно, масса и энергия связаны между собой зна­менитой формулой Е = mс2; чтобы пересчитать плотность массы на плотность энергии, нужно умножить её на с2.) Эта плотность заметно больше плотности других видов космического вещества и энергии.

Энергия вакуума составляет приблизительно 70% от полной энергии (или массы) Вселенной. При этом на темное вещество приходится 25%, на обычное вещество из протонов, нейтронов и электронов — 4%, а вклад реликтового излучения меньше 1%.

Напомним, что тёмное вещество — это холодный (нерелятиви­стский) газ элементарных частиц, природа которых пока не уста­новлена. Их не удается до сих пор «поймать» и изучить в лабора­тории. Но точно известно, что это не те частицы (протоны, ней­троны, электроны), из которых состоит обычное вещество. Час­тицы темного вещества не имеют электрического заряда, они не излучают света и потому невидимы; они вообще не участвуют в электромагнитном взаимодействии. Предполагается, что они спо­собны участвовать в слабом взаимодействии (ответственном, на­пример, за бета-распад атомных ядер); они подвержены также взаимному притяжению и подчиняются закону всемирного тяго­тения Ньютона. Тёмного вещества во Вселенной приблизительно в 6 раз больше по массе, чем обычного вещества.

Суммарная плотность вакуума и трех других компонент кос­мической среды точно (или почти точно) равна так называемой критической плотности: это означает, согласно теории Фридма­на, что трехмерное пространство расширяющейся Вселенной яв­ляется плоским, евклидовым (или очень близким к нему). Все эти данные были подтверждены позднее другими астрономическими наблюдениями и сейчас считаются надежно установленными.

Для антитяготеющей среды, после того как она была откры­та, стали придумывать новые названия. Одно из них — тёмная энергия — получила некоторое распространение. Под нею пони­мают, вообще говоря, не вакуум Эйнштейна-Глинера (о свойст­вах которого далее будет говориться подробно), а любую мысли­мую среду, способную создавать антитяготение. И вакуум, и эта гипотетическая среда действительно являются темными в том смысле, что они невидимы, не излучают и не отражают света. В последнее время наблюдательные данные всё более определенно указывают на то, что антитяготеющая среда это именно вакуум Эйнштейна-Глинера (описываемый космологической константой), а не что-либо еще.

Почему же вакуум создает не тяготение, а антитяготение? Все дело в том, что вакуум Эйнштейна-Глинера обладает не только определенной плотностью, но также и давлением. Так он с самого начала задан и описан космологической константой. При этом если плотность вакуума положительна, то его давле­ние отрицательно. Отрицательное давление — не вполне обыч­ное явление в физике. При «нормальных условиях» давление в «нормальной» жидкости или газе, как правило, положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды), и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отри­цательное давление тоже может возникать. Это требует осо­бых, специальных условий, но само по себе не является чем-то исключительным.

Однако в случае вакуума ситуация совсем особая. Давление вакуума не только отрицательно, оно к тому же равно — по абсо­лютной величине — его плотности энергии (напомним, что эти две физические величины имеют одинаковую размерность). Иными словами, давление вакуума есть плотность энергии со знаком ми­нус. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Это абсолютно и исключительно свойство одного вакуума, и только его. Это, и только это, соотношение между плотностью и давлением совместимо с понятием вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, независимо от системы отсчета.

Согласно общей теории относительности, тяготение создает­ся не только плотностью среды, но и её давлением. При этом «эффективная» плотность энергии, создающая тяготение, скла­дывается из суммы двух слагаемых: плотности энергии и трех ве­личин давления. Но при указанной выше связи между давлением и плотностью энергии вакуума такая сумма составляет две вели­чины давления и поэтому оказывается отрицательной. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает «отрицательное» тяготение.

По наблюдательным данным о сверхновых, о которых мы упоминали, плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии. Поэтому в наблюда­емой Вселенной антитяготение сильнее тяготения, и космологи­ческое расширение обязано происходить с ускорением.

В отличие от всемирного тяготения, всемирное антитяготе­ние стремится не сблизить тела, а, напротив, удалить их друг от друга. Если, например, имеются два тела на фоне вакуума, то ва­куум заставляет их двигаться в противоположных направлениях. Так что если эти тела в какой-то момент покоились друг относи­тельно друга, то в следующий момент они начинают двигаться прочь друг от друга.

При общем космологическом расширении наблюдаемые ско­рости разбегающихся галактик тоже приводят к их удалению друг от друга. Это означает, что действующая на них сила антитя­готения направлена вдоль их скорости, и потому она помогает галактикам разбегаться, все время увеличивая их относительную скорость.

Раз наблюдаемое расширение Вселенной происходит с уско­рением, оно будет продолжаться неограниченно долго — ничто уже не способно этому помешать. Действительно, средняя плот­ность вещества и излучения будет при расширении только убы­вать. Но это означает, что создаваемое ими тяготение никогда уже не станет преобладать во Вселенной. Динамическое домини­рование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галак­тик будет происходить все быстрее и быстрее.

Обратимся теперь не к будущему, а к прошлому Вселенной. Вакуум доминировал в мире не всегда. Его плотность не меняет­ся со временем, тогда как плотность тёмного вещества падает при расширении мира и, значит, растёт назад в прошлое. Всё это оз­начает, что антитяготение вакуума было несущественно в доста­точно отдаленном прошлом. В ранней Вселенной господствовало всемирное тяготение не-вакуумных компонент космической сре­ды. Оно замедляло космологическое расширение. А эпоха анти­тяготения и ускоренного расширения наступила только при воз­расте мира в 6-8 млрд лет. Это приблизительно половина от сов­ременного возраста Вселенной, который составляет около 14 млрд лет.

Но если в ранней истории Вселенной космологическое рас­ширение происходило с торможением, точные измерения ускоре­ния по сверхновым звёздам должны прямо на это указать, если только удастся найти сверхновые звёзды, находящиеся от нас на расстоянии в 6-8 млрд и более световых лет. Замечательно, что такие примеры очень далеких сверхновых звёзд в самое послед­нее время были найдены, и они определенно подтверждают, что в далеком прошлом расширение действительно происходило не с ускорением, а с замедлением. Вместе с тем эти примеры служат, очевидно, веским дополнительным аргументом в пользу всей но­вой картины эволюции Вселенной, которая возникла благодаря открытию космического вакуума.

Три массы вакуума

Как известно, пространство вместе со временем образуют единое многообразие, четырехмерное пространство-время, в ко­тором три координаты относятся к собственно пространству, а четвертая координата есть время. Именно так описывает мир теория относительности. Согласно этой теории, геометрия четы­рехмерного пространства-времени определяется распределением и движением вещества. Вещество распределено в пространстве и движется во времени. Связь между веществом и пространст­вом-временем осуществляет тяготение вещества. Связь эта вза­имная: не только вещество влияет на геометрию пространст­ва-времени, но и пространство-время способно влиять на распределение и движение вещества в нем.

Но вакуум, и только он один, способен влиять, но не испыты­вать на себе обратного влияния. Действительно, тот факт, что плотность и давление вакуума неизменны, означает, что на ваку­ум ничто, нигде и никогда никак не действует. Он воздействует на вещество своим антитяготением, влияет на свойства пространст­ва-времени. И даже полностью их определяет, когда его плот­ность превышает суммарную плотность всех остальных видов ко­смической энергии. А сам не испытывает ни обратного влияния всего вещества мира, ни обратного влияния геометрии мира, ни своего собственного антитяготения. Он оказывает действие, но не испытывает противодействия. Это единственный известный в физике пример, когда действие не равно противодействию, — вопреки третьему закону Ньютона. Причина такой «неподатли­вости» вакуума состоит в том, что у него нет инертной массы; вер­нее, она равна нулю. Инертная масса — это понятие из второго за­кона Ньютона, который гласит, что сила, действующая на тело, равна произведению ускорения на массу тела.

Здесь имеется в виду именно инертная масса. Для всех обыч­ных тел она отлична от нуля. Инертная масса единицы объёма те­ла равна — по общему определению — сумме плотности энергии тела и давления в нём, делённой на квадрат скорости света. Но как мы помним, давление вакуума есть его плотность энергии со знаком минус. Из этого вытекает, что сумма, дающая инерт­ную массу, обращается для вакуума в нуль. Но тогда выходит, что любая сила, приложенная к вакууму, тоже равна нулю.

В физике известен и еще один род массы — это пассивная гра­витационная масса. Она фигурирует в законе тяготения Ньютона. Это масса, которая «чувствует» поле тяготения, создаваемое все­ми остальными телами. Ещё Галилею было известно, что пассив­ная гравитационная масса всегда равна инертной массе. Именно поэтому все тела движутся с одинаковым ускорением в поле тяго­тения Земли. Равенство этих двух масс составляет содержание универсального принципа эквивалентности, который действует в механике Ньютона и полностью сохраняет свою силу в общей теории относительности. Применительно к вакууму эквивалент­ность означает, что его пассивная гравитационная масса равна нулю, как и его инертная масса. Поэтому вакуум — и только он один — не «замечает» никаких полей тяготения, ни чужих, ни сво­его собственного.

Мы уже упоминали выше об эффективной гравитирующей плотности. Ей отвечает масса третьего рода, которая называется активной гравитационной массой, т. е. массой, не чувствующей, а создающей тяготение. Эффективная плотность — это активная масса, приходящаяся на единицу объема. Как мы знаем, для вакуума эффективная плотность отрицательна. Значит, и активная гравитирующая масса вакуума отлична от нуля и отрицательна. Для обычных тел вокруг нас все три рода массы одинаковы и не­различимы, так что можно говорить просто о массе тела во всех трех случаях.

Что же происходит с пространством-временем мира, когда в нём начинает доминировать вакуум? Если пренебречь влиянием всего не-вакуумного вещества, то только вакуум и будет опреде­лять тогда свойства пространства-времени. Как мы знаем, плот­ность и давление вакуума не меняются со временем. С вакуумом вообще ничего не происходит, он всюду и всегда один и тот же. Но раз неизменный вакуум, и только он, определяет свойства пространства-времени, то и само пространство-время всюду и всегда должно быть одним и тем же. Это означает, что мир, в ко­тором безраздельно господствует вакуум, должен быть неизмен­ным во времени, статичным. В полном соответствии с этим рассу­ждением космологическая теория Фридмана (а в ней с самого на­чала учитывалась возможность существования вакуума, предста­вляемого космологической константой) описывает мир вакуума как мир статичный и неизменный. Но каким образом происходит это превращение мира подвижного и расширяющегося в мир не­подвижный? Как из мира исчезает эволюция? Ведь разбегание га­лактик в нём продолжается. Да, галактики удаляются друг от друга в мире вакуума и притом со всё возрастающими скоростя­ми. Но чем быстрее они разбегаются, тем меньше плотность их общего распределения, и, значит, тем слабее их влияние — через их собственное тяготение — на свойства пространства-времени. А влияние вакуума — через его антитяготение — становится тем временем всё более и более сильным. В итоге галактики, да и во­обще всё не-вакуумное вещество, оказываются в мире, свойства которого как целого определяются не ими, а вакуумом. Так эво­люция мира в целом затухает, его пространственно-временной каркас застывает и остается «замороженным» навсегда. Можно сказать, что чем сильнее разгоняется космологическое расшире­ние под воздействием антитяготеющего вакуума, тем ближе наш четырехмерный мир к абсолютной статике, неизменности и пол­ному покою.

В таком мире все события, т. е. четырехмерные точки, нераз­личимы, а это означает, что в нём нигде ничего не происходит, и потому этот мир вечен и неизменен как целое. Такой мир напоми­нает статический мир модели Эйнштейна. Но в модели Эйнштей­на покой достигался равновесием тяготения вещества и антитяго­тения вакуума. В мире вакуума такого равновесия нет: антитяго­тение вакуума ничем не уравновешено и, тем не менее, этот мир тоже находится в покое.

Оказывается, что покой не обязательно предполагает равно­весие сил — если речь идёт о вакууме, это необязательно. Будучи сам неизменным, он делает и мир неизменным — в отсутствие дру­гих сил.

О свойствах вакуума Эйнштейна-Глинера, о всемирном анти­тяготении можно было бы и еще немало рассказать. Но пора, ка­жется, задать главный вопрос:

Что же такое вакуум Эйнштейна-Глинера с точки зрения фундаментальной физики? Из чего он состоит? Какова его мик­роскопическая структура? Приходится сразу признать: об этом ничего достоверно пока не известно. Распространенная точка зрения такова, что хотя этот новоявленный вакуум и называют космическим, это тот же вакуум, что и в атомной физике и мик­рофизике, где он давно известен. В физическом вакууме разыгрываются взаимодействия элементарных частиц. Физический ва­куум представляет собой (как уже сказано) наинизшее энергети­ческое состояние квантовых полей; он непосредственно проявля­ется экспериментально. В экспериментах его присутствие несомненно; но при этом плотность энергии вакуума ускользает от из­мерения. Последнее далеко не случайно. Принципиальное обсто­ятельство состоит в том, что во всех — кроме тяготения — физиче­ских взаимодействиях проявляется только разность энергий фи­зической системы в различные моменты времени и/или в различ­ных точках пространства, но не вся величина энергии в данном состоянии физической системы. Лишь тяготение (гравитация — его синоним) реагирует на саму энергию целиком, всю её, а не на её разности.

Но если не учитывается гравитация, то и само понятие энергии оказывается в теории неполным. Дело в том, что без гравитации уровень, от которого отсчитывается энергия, остается произволь­ным. Но это ничему не мешает. Что принять за нулевой уровень энергии? Да что хотите, если у вас не рассматривается тяготение. При этом результат расчета любых измеряемых физических вели­чин не должен зависеть от принятой калибровки энергии.

Так и обстоят дела в электродинамике и физике ядерных вза­имодействий (сильного взаимодействия и слабого). Это относится также и к вычислению энергии вакуума. То обстоятельство, что при расчётах вакуума в квантовых полях его плотность энергии формально оказывается бесконечной, никого не пугает — эту бес­конечность можно приравнять нулю, т. е. выбрать её за уровень, от которого отсчитывается энергия.

Но когда на сцену выходит тяготение, неполнота теории не­медленно обнаруживается. Гравитация чувствует всю энергию, как мы сказали. Поэтому нулевой уровень энергии оказывается в этом случае не условным, а безусловным и абсолютным. От него и нужно отсчитывать все энергии, и в том числе энергию физиче­ского вакуума. Однако теория не говорит нам, как это следует сделать. Фундаментальная теория не смогла предсказать значе­ние плотности космического вакуума. Даже сейчас, когда величи­на плотности уже измерена астрономами, теория не в состоянии вычислить её значение «из первых принципов». Это не случайное обстоятельство, причина кроется в нынешнем состоянии фунда­ментальной физики.

За фундаментальной физикой значатся грандиозные успехи. Но чтобы справиться с проблемой вакуума, требуется такая тео­рия, которая объединила бы квантовые законы с законами тяго­тения. Тогда полная энергия вакуума квантовых полей (а не толь­ко ее разности) приобрела бы точный физический смысл, а пото­му и ее плотность поддалась бы вычислению. Но такой теории сейчас нет; лишь отдельные её ростки пробиваются на той почве, где квантовая теория соприкасается с космологией, с физикой гравитационных волн и физикой чёрных дыр. Прошло почти сто лет со времени создания квантовой механики и общей теории от­носительности, а синтез этих теорий — мечта Эйнштейна и теоре­тиков многих поколений — остается пока делом не слишком опре­деленного будущего. Возможно, это самая острая задача физики и космологии на XXI век.

Источник