Коллектив авторов - Современная космология: философские горизонты

История развития понятия «вакуум» такова, что его содержательное, смысловое наполнение постоянно шло в противостоянии с представлениями об эфире. С самого своего возникновения эти понятия соответствовали различным концепциям мира. Характерно, что представление об эфире, начиная с учения пифагорейцев (Филолай) и по сей день, никогда не устранялось из физической науки. И даже во времена господства ньютоновской физики, отстоявшей в полемике с картезианской школой Декарта идею пустого абсолютного пространства и дальнодействия, развивается представление о поле как континуалистской среде, которую и Фарадей, и Максвелл рассматривали как колебания эфира. Абсолютное пространство и абсолютное время предстает в механике Ньютона как нечто, отличное от материи и, бесспорно, противоположное эфиру. Однако впоследствии этим понятиям предстояло возродиться в теориях, исходивших как раз из представлений о неподвижном эфире (имеется в виду лоренцева привилегированная система отсчета). Так что наука удерживала оба понятия — и понятие пустого пространства, и понятие эфира, вплоть до возникновения физики XX века, — возникновения специальной и общей теории относительности. Развитие этих теорий, а также квантовой теории поля привели к отрицанию эфира и наполнили новым содержанием понятие вакуума. Сегодня мы можем констатировать острейшую концептуальную коллизию: вакуум в современной физической теории более соответствует семантическому содержанию термина «эфир», ибо представляет собой не Ничто, не пустоту, а весьма загадочное, сложное, энергетически насыщенное Нечто. Об этом и пойдет речь в настоящей статье. Но прежде нам хочется привести хорошо известное в среде физиков высказывание, сделанное академиком И .Я. Померанчуком. На вопрос о том, что есть вакуум, он отвечал так: «Физика вакуума состоит из двух разделов: раздел 1 — “Насосы и компрессоры”, раздел 2 — “Квантовая теория поля”». Действительно, нельзя не сказать о том, что прошлый век охарактеризован не только невиданным взлетом теоретической мысли, но и бурным развитием прикладной науки и техники. И понятие вакуума как состояния разреженного газа при давлениях ниже атмосферного занимает свое прочное место в технике. В принципе, особых уточнений или расширений смысла технического вакуума в истории науки не произошло. По-иному обстоит дело в представлении о вакууме в квантовой теории физических полей.

Вплоть до тридцатых годов прошлого столетия во всех физических справочниках можно было прочитать, что физика изучает материю в двух проявлениях — веществе и поле. Поле понималось при этом как пустая континуалистская среда. Важный вклад П. Дирака в развитие квантовой теории состоит в том, что он разработал последовательные правила квантования электромагнитного и электрон-позитронного полей. В квантовой электродинамике впервые были сформулированы представления о виртуальных частицах, о сложности вакуума квантовой теории поля. Вакуум стал рассматриваться как наинизшее энергетическое состояние квантованных полей, а его возбуждения стали интерпретироваться как кванты полей. Подразумевалось, что наинизшему энергетическому состоянию соответствует состояние, в котором реальных частиц нет. (Реальными частицами считаются объекты, способные к перемещению на макроскопические расстояния). Так что вакуум в общепринятом смысле понимался хотя и как «Нечто», но все-таки и как «Ничто». В целом же он представляет собой активную среду, в которой постоянно происходят процессы рождения и аннигиляции всевозможных виртуальных частиц. Еще один важный результат теории Дирака состоит в предсказании античастиц. Таким образом, с тридцатых годов XX века на место континуалистского поля приходит представление о поле квантованном. Кроме того, понятие поля стало использоваться не только для описания процессов физических взаимодействий, но и для описания частиц вещества. Поля первого типа получили название «бозонные поля», а поля второго типа — «фермионные поля». В названиях полей отражен тот факт, что различные частицы — кванты различных полей — подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так, кванты фермионных полей являются ферми-частицами (фермионами). Системы тождественных ферми-частиц подчиняются статистике Ферми-Дирака. Все фермионы имеют полуцелое значение спина. А для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип запрета Паули, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули определяет образование электронных оболочек в атомах, поскольку в одном и том же состоянии на одном подуровне могут находиться только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерности периодической системы элементов Менделеева. В чем-то аналогичные закономерности проявляются в структуре атомных ядер (связанных состояний протонов и нейтронов) и в структуре адронов (связанных состояний кварков). Все кванты бозонных полей являются бозе-частицами (бозонами) — частицами с целочисленным значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Принцип Паули для них не имеет места: в одном и том же состоянии может находиться любое число квантов бозонных полей.

Современная квантовая физика приводит к уточнению понятия вакуума. Дело в том, что кванты фермионных и бозонных полей, свойством которых является их способность распространяться на макроскопические расстояния, трактуются как возбуждения вакуума. Под вакуумом же принято понимать такое состояние среды, в которых такие возбуждения отсутствуют. Можно дать следующее определение вакуума: «Вакуум — это среда, имеющая собственные импульсно-энергетические характеристики, способная изменять свое состояние как локально (что может быть зафиксировано, например, с помощью экспериментов на коллайдере), так и глобально, что определяет особенности релятивистских фазовых переходов на ранних этапах эволюции Вселенной (космологический аспект)».

Предполагается, что мир может быть рассмотрен как взаимодействие и взаимопревращение двух подсистем, одна из которых представляет собой собственно вакуум, а другая — возбуждения этого вакуума. Такой подход позволяет провести разделение единой целостности на микромир и макрообстановку, что составляет существо идеологии квантовой физики. Важно понимать, что такое разделение на макро- и микромир является приближенным. И это является следствием глубокой взаимосвязи, взаимопревращаемости, по существу, неразделяемости подсистем. Но пока такое разделение в теории работает, нам удается познавать мир методом локально воспроизводимых экспериментов. В этом случае мир как целостная система изучается через свойства подсистем возбуждений, способных к локализации. При этом возникает возможность говорить и о свойствах вакуума, которая обеспечивается коррелированностью обеих подсистем — согласно общим принципам имеющихся теорий.