Чтение онлайн

1.6. Энергия физического вакуума

(вакуумная или нуль-энергия)

О сушествовании вакуумной энергии прекрасно знали народы далекого прошлого. Сегодня о ней знают народы Востока: в Индии эту энергию называют прана, в Китае — ци, в Японии — ки (а совсем недавно в гитлеровской Германии ее называли вриль). Когда индийский йог или китайский монах делают различные упражнения с поглощением праны или ци, они работают именно с той вакуумной энергией, которая заставляет гореть электрическую лампочку и разрушает мост под сапогами марширующих солдат. Среди народов Запада знание об энергии вакуума сохранилось у экстрасенсов, магов и колдунов, а также у работников цирка (особенно у тех, кто работает в жанре фокуса, иллюзии или жонглирования). Если мы возьмем старое пособие по обучению цирковых артистов исскуству фокуса, написанное в 19м веке или ранее, то найдем там информацию о существовании глобальной энергии, заполняющей пространство Вселенной, и с помощью которой можно творить всевозможные чудеса.

Цирк появился как следствие изгнания жрецов старых дохристианских религий. Когда старая религия сменялась новой или приходили иноземные племена с другими верованиями, жрецы прежних религий вынуждены были бежать и скитаться. И сразу возникала проблема пропитания. Если раньше они могли рассчитывать на жертвоприношения местного населения, то теперь должны были сами зарабатывать на кусок хлеба. Но что они могли делать? Пахать землю, охотиться или рыбачить, изготавливать одежду или посуду они были не обучены. Но владея искусством работы с вакуумной энергией, они могли на ярмарках показывать различные трюки и фокусы, веселить местных жителей и тем самым зарабатывать на жизнь. Переходя с ярмарки на ярмарку, из одной страны в другую, они постепенно привыкали к такой жизни. Так рождался передвижной цирк шапито. Постепенно все старые знания жрецов утрачивались и оставалось лишь то, что было нужно для выполнения изощренных фокусов и трюков: знание об энергии вакуума.

До недавнего времени существование вакуумной энергии академической наукой Запада отвергалось. Но в последние годы новые открытия астрономии заставляют пересмотреть старые убеждения. С 1998 года в астрономии появились новые понятия темной материи и темной энергии. Строго говоря, термин темная материя нельзя назвать совершенно новым. Незадолго до начала второй мировой войны американский астроном швейцарского происхождения Франц Цвикки заявил, что согласно его измерениям орбитальные скорости звезд в рукавах спиральных галактик заметно превышают значения, при которых звезды еще могут удержаться на своих орбитах.

Для решения данного парадокса Цвикки предположил, что в галактиках имеется гораздо больше вещества, чем ранее считалось, но большая часть вещества по каким-то причинам не излучает свет и потому невидима. В те времена от результатов швейцарского астронома предпочли отмахнуться и проблема темной материи была забыта.

В 1970х годах астроном Вера Рубин из Института им.Карнеги выполняла аналогичные измерения орбитальных скоростей в рукавах спиральных галактик и получила такой же результат. Вначале ей также не поверили, но через несколько лет появились новые доводы в пользу существования темной материи, полученные другими учеными. Постепенно идея темной материи становилась привычной. А в 1998 году сразу две группы астрономов — одна под руководством Саула Перльмуттера из Национальной Лаборатории им. Лоуренса и другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом из Австралийского Национального Университета — обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, как считали ранее, а ускоряется. Этот факт они попытались объяснить с помощью концепции темной энергии, особой формы энергии, существующей повсюду в пространстве и формирующей силу расталкивания. Попутно им удалось измерить возраст Вселенной, он оказался равным 13.7 млр.лет. В настоящее время считают, что: 1) Вселенная состоит на 4% из обычной видимой материи, на 23% - из темной материи и на 73% - из темной энергии; 2) расширение Вселенной вначале происходило с замедлением, но через 8 млр.лет после Большого Взрыва замедление сменилось ускорением.

Следует отметить, что концепция темной энергии в кругу тех энергетиков, которые придерживались нетрадиционных взглядов, была известна задолго до того, как она возникла в астрономии. Только называлась она иначе: свободная, новая, эфирная, нуль-энергия и т. д. Общепринятого названия у этой энергии до сих пор нет.

В период между первой и второй мировыми войнами учеными был выполнен следующий эксперимент. На тонкий свинцовый экран направляли поток гамма-квантов, которые частично поглощались мишенью, частично отклонялись атомами мишени в стороны. Но иногда в редких случаях ученые фиксировали вылет из мишени пары электрон+позитрон. Появление электрона легко объяснялось его выбиванием из атома свинца. Но откуда брался позитрон? В составе атомов они отсутствуют. Результаты эксперимента объяснили тем, что гамма-квант внутри мишени распадается на электрон и позитрон. Хотя многие понимали, что такое объяснение сильно "хромает", но в те времена никто не мог предложить иную более приемлемую альтернативу. Так это объяснение и осталось в истории. Сегодня мы можем дать новое более правильное объяснение данному эксперименту: гамма-квант выбивает электрон-позитронную пару не из атома свинца, а из физического вакуума внутри свинцовой мишени.

Невозможно сказать, из чего именно состоит физвакуум. Да и вряд ли когда-нибудь мы сможем это сделать. Тот факт, что из вакуума выбиваются пары частица+античастица, еще не означает, что он именно из этих частиц состоит. Правильнее будет сказать так: мы не знаем, из чего состоит вакуум, но при своем распаде он дает осколки, которые мы воспринимаем в форме элементарных частиц. Поэтому чисто условно можно полагать, будто вакуум состоит из отдельных квантов, которые в свою очередь состоят из вложенных друг в друга электронов и позитронов (но обязательно условно, а не так, будто именно это реализуется в природе). Так как электрон и позитрон имеют разные заряды и спины, суммарный заряд и спин будет нулевым, и такой квант окажется визуально не наблюдаем, то есть его как бы не будет вообще. Однако нулевой заряд не означает нулевую массу. Масса остается и придает вакууму свойства инерционности и гравитационности, то есть вакуум может реагировать на гравитационное поле материальных тел и показывать эффекты инерции. Эти особенности могут быть причиной многих странных явлений, наблюдаемых сегодня в астрономии.

Пара электрон+позитрон удерживается в границах одного кванта некоторыми силами, которые имеют вполне определенное значение. Если к такому кванту приложить внешнюю силу, превышающую силу сцепления электрона с позитроном, квант распадется на осколки, легко регистрируемые в эксперименте. Визуально это будет проявляться как возникновение электрона и позитрона из пустоты. И подобные процессы действительно наблюдаются: это возникновение электрон-позитронной пары в очень сильных электрических полях с напряженностью выше некоторого критического уровня.

Например, возле ядра атома урана, состоящего из 92х протонов, существует очень сильное электрическое поле с напряженностью, близкой к критическому уровню. А если бы химики сумели создать химический элемент с двумя сотнями протонов в ядре атома, напряженность электрического поля возле такого суперядра стала бы настолько огромна, что вакуум начал бы взрывообразно распадаться на частицы и античастицы. И эта особая взрывообразная радиоактивность распада вакуума уничтожила бы созданный химиками суператом. Возможно, именно по этой причине не существует слишком тяжелых трансурановых элементов.

Может показаться странным данное утверждение о существовании пары вложенных друг в друга электронов и позитронов. Мы привыкли считать, что контакт частицы с античастицей ведет к аннигиляции и взаимному уничтожению. Но это не является экспериментально установленным фактом, как многие думают. Фактом является то, что мы перестаем видеть и фиксировать электрон с позитроном после их столкновения. А все остальное является попыткой объяснения данного факта. Возможны два разных объяснения: 1) электрон и позитрон взаимно уничтожаются и перестают существовать в прямом смысле слова (официальная точка зрения); 2) электрон и позитрон объединяются в единый квант и встраиваются в стуктуру физвакуума, становясь для нас невидимыми (альтернативная точка зрения).

Какая из двух альтернатив верна? Первая? А из каких опытов или теорий это следует? В реальности за всю историю земной науки не было поставлено ни одного опыта по выбору той или иной точки зрения. То, что наши ученые в подавляющем большинстве придерживаются первой альтернативы, обусловлено тем же стереотипом слепоты, которым в свое время страдал Галилей, размышляя о проблеме потенциальной энергии. Очень может быть, что истиной окажется вторая альтернатива и при контакте электрона с позитроном они просто встраиваются в стуктуру вакуума, исчезая из нашего наблюдения. А если затем мы подействуем на вакуум достаточно мощной силой (жесткое излучение, электрическое поле и т. д.), тогда мы снова расщепим вакуум на осколки и будем наблюдать возникающие элементарные частицы.

В мире существует только одна энергия — энергия физического вакуума. Все остальные формы энергии (в том числе и гравитационная) являются частным случаем вакуумной энергии. Поэтому получить формулы расчета энергии физвакуума можно путем анализа некоторых процессов с участием гравитационного поля.

Рассмотрим процесс сжатия космической газовой туманности под действием собственной гравитации. Когда под действием сил тяготения туманность сжимается, ее радиус уменьшается, а гравитационная энергия растет согласно уравнению (1.4.6). Согласно законам термодинамики температура газа увеличивается с его сжатием, следовательно, тепловая энергия туманности тоже растет. Если туманность имела некоторое первоначальное вращение, в процессе ее сжатия скорость вращения повышается, значит энергия вращения также увеличивается. Растут энергии электрического и магнитного полей (если туманность имела электрический заряд и магнитное поле), т. к. эти формы энергии обратно пропорциональны радиусу. Короче, все известные формы энергии при гравитационном сжатии газовой туманности увеличиваются. А что уменьшается? Раньше можно было бы сказать, что уменьшается потенциальная энергия. В реальности уменьшается вакуумная энергия того объема пространства, который занят гравитационным полем туманности.