9.3.5. Фундамент материи: физический вакуум и его состояния93

Латинское слово materia буквально означает вещество, но в современной науке понимается значительно шире. Еще со второй половины XIX в. видом материи (наряду с веществом) считается также физическое поле. Это установлено работами М. Фарадея, Дж. К. Максвелла и Г. Герца в области электродинамики. Как уже отмечалось, подлинной субстанцией нашей Вселенной современная наука считает так называемый физический вакуум. Он принципиально не может восприниматься нашими чувствами и приборами, так как он ни от чего в нашем мире не отличается; поэтому его и называют vacuum - лат. «пустота».

В то же время, вакуум может рассматриваться как сплошная среда, которой присущи известные свойства, выражаемые рядом физических констант. П. Дирак описал вакуум как море электронов с отрицательной энергией и бесконечной плотностью, в котором постоянно происходит порождение виртуальных пар электрон-позитрон (так называемое море Дирака). Его можно представить и как поле фотонов, либо виртуальных электрон-позитронных пар. А в теориях Великого объединения предлагается рассматривать вакуум как коллективное возбуждение гипотетических хиггсовых скалярных бозонов.

Иногда физический вакуум называют третьей формой материи. Но он может быть истолкован как нулевое состояние квантованного поля, в котором средняя напряженность всех полей равна нулю. Тем не менее, активность вакуума давно доказана рядом физических экспериментов. Два важнейших результата получены еще в 1947 г. Это, во-первых, «эффект Казимира» - притяжение близко расположенных металлических пластин в вакууме. Во-вторых, это так называемый лэмбовский сдвиг - смещение энергетических уровней электрона в атоме в результате его «дрожания» на орбите под воздействием вакуума.

Дело в том, что всякое равновесие в природе имеет динамический характер, то есть, осуществляется через небольшие колебания параметров вокруг точки равновесия. Так и в физическом вакууме постоянно происходят «нулевые флуктуации» (колебания) полей различной природы. В частности, между пластинами в опыте Казимира образуется пространство с отрицательной плотностью энергии. Согласно квантовой теории поля, флуктуации полей сопровождаются порождением так называемых виртуальных частиц (принцип корпускулярно-волнового дуализма). Их действием на обычные частицы можно объяснить и лэмбовский сдвиг, и принципиальную неопределенность состояния квантовых объектов вообще. О действии вакуума на тела догадывался еще Эпикур, в IV в. до н. э. предложивший свое знаменитое «clinamen» - «самопроизвольное» отклонение атомов от движения по прямой линии.

Слово virtualis в средневековой латыни означало «возможное», а по смыслу восходит к аристотелевской оценке возможного бытия как бытия несовершенного. И сегодня виртуальное понимается именно как неполноценное бытие, вроде «виртуальной реальности» в компьютерном пространстве. То же относится к виртуальным частицам. Время их жизни ограничено соотношением неопределенностей Гейзенберга. Это величина порядка 10^-43с (так называемый планковский масштаб времени), то есть в миллиарды миллиардов раз меньше, чем время жизни резонансных частиц.

Ее незначительность не позволяет зафиксировать такие частицы на опыте. Можно сказать, что они ни мгновения не существуют в ставшем виде, а существуют только в становлении, возникают и тут же исчезают, как лопнувшие мыльные пузыри. Интересно, что для них (вследствие того же соотношения неопределенностей Гейзенберга) не выполняется обычное соотношение между импульсом и энергией. Тем не менее, они успевают подействовать на другие квантовые объекты, а в некоторых случаях могут рассматриваться как переносчики взаимодействия между частицами.

Флуктуации вакуума проявляются не только в порождении виртуальных частиц, но и в спонтанных нарушениях исходной симметрии вакуума. В результате получаются состояния с наименьшей возможной энергией, при отличном от нуля значении некоторых силовых полей. Может образоваться и так называемый вакуумный конденсат - состояние с отличным от нуля вакуумным средним. Возможен непрерывный спектр таких вырожденных состояний поля, которые различаются числом (гипотетических) голдстоуновских бозонов с нулевой массой и спином.

Но это такие асимметрии, которые зиждутся на существовании исходной симметрии, и выступают только как следствия ее неустойчивости под воздействием некоторых макроскопических ситуаций. А в момент (или в пунктах) порождения Вселенной вакуум (как ныне считается) пребывает в «ложном», то есть сильно неравновесном состоянии. Оно нестабильно и кратковременно, но характеризуется большим выходом энергии. Эта энергия и проявляется в «Большом взрыве» или вздувании (инфляции) «пузырей вакуума», образующих начало нашей Вселенной. Одновременно это начало космической эволюции вещества.