Физический вакуум

Введение  

   Понятие вакуум в истории  философии и науки обычно употреблялось  для обозначения пустоты, "пустого"  пространства, т.е. "чистой" протяженности,  абсолютно противопоставляемой  телесным, вещественным образованиям. Последние рассматривались как  чистые вкрапления в вакуум. Такой  взгляд на природу вакуума  был свойственен древнегреческой  науке, основоположниками которой  являлись Левкипп, Демокрит, Аристотель. Атомы и пустота - две объективные реальности, фигурировавшие в атомистике Демокрита. Пустота так же объективна, как и атомы. Только наличие пустоты делает возможным движение. Эта концепция вакуума получила развитие в работах Эпикура, Лукреция, Бруно, Галилея и др. Наиболее развернутую аргументацию в пользу вакуума дал Локк.   

 Концепция вакуума  была наиболее полно раскрыта  с естественнонаучной стороны  в учении Ньютона об "абсолютном  пространстве", понимаемом как  пустое вместилище для материальных  объектов. Но уже в 17 веке все  громче раздаются голоса философов  и физиков, отрицающих существование  вакуума, так как неразрешимым  оказался вопрос о природе  взаимодействия между атомами.  По Демокриту, атомы взаимодействуют друг с другом только путем непосредственного механического контакта. Но это вело к внутренней противоречивости теории, так как устойчивый характер тел мог быть объяснен только непрерывностью материи, т.е. отрицанием существования пустоты, исходного пункта теории. Попытка Галилея обойти это противоречие, рассматривая малые пустоты внутри тел как связующие силы, не могла привести к успеху в рамках узкомеханистической трактовки взаимодействия. С развитием науки, в дальнейшем эти рамки были сломаны, - был предложен тезис о том, что взаимодействие может передаваться не только механическим путем, но и электрическими, магнитными и гравитационными силами. Однако это не решило проблемы вакуума. Боролись две концепции взаимодействия: "дальнодействия" и "близкодействия". Первая основывалась на возможности бесконечно большой скорости распространения сил через пустоту. Вторая требовала наличия некоторой промежуточной, непрерывной среды. Первая признавала вакуум, вторая его отрицала. Первая метафизически противопоставляла вещество и "пустое" пространство, вносила в науку элементы мистики и иррационализма, вторая же исходила из того, что материя не может действовать там, где ее нет. Опровергая существование вакуума, Декарт писал: "...что касается пустого пространства в том смысле, в каком философы понимают это слово, то есть такого пространства, где нет никакой субстанции, то очевидно, что в мире нет пространства, которое было бы таковым, потому что протяжение пространства как внутреннего места не отличается от протяжения тела".  

 Отрицание вакуума  в работах Декарта и Гюйгенса  послужило отправной точкой для  создания физической гипотезы  эфира, продержавшейся в науке  до начала 20-го века. Развитие  в конце 19-го века теории  о поле и появление в начале 20-го века теории относительности  окончательно "похоронило" теорию "дальнодействия". Была разрушена и теория эфира, так как было отвергнуто существование абсолютной системы отсчета. Но крушение гипотезы существования эфира не означало возврата к прежним представлениям о наличии пустого пространства: сохранились и получили дальнейшее развитие представления о физических полях. Проблема, поставленная еще в античные времена, решена практически современной наукой. Вакуумной пустоты не существует. Наличие "чистой" протяженности, "пустого" пространства противоречит основным положениям естествознания. Пространство не есть особая сущность, обладающая бытием наряду с материей. Как материя не может быть лишена своих пространственных свойств, так и пространство не может быть "пустым", оторванным от материи. Этот вывод находит свое подтверждение и в квантовой теории поля.  

 Открытие У.Лэмбом  сдвига уровней атомных электронов  и дальнейшие работы в этом  направлении привели к пониманию  природы вакуума как особого  состояния поля. Это состояние  характеризуется наименьшей энергией  поля, наличием нулевых колебаний  поля. Нулевые колебания поля  проявляются в виде экспериментально  обнаруженных эффектов. Следовательно,  вакуум в квантовой электродинамике обладает рядом физических свойств и не может рассматриваться как метафизическая пустота. Более того, свойства вакуума определяют свойства окружающей нас материи, а сам по себе физический вакуум является исходной абстракцией для физики.  

Эволюция взглядов на проблему физического вакуума  

   С древнейших времен, со времени  появления физики и философии  как научной дисциплины умы  ученых беспокоила одна и та  же проблема - что есть вакуум. И, несмотря на то, что к настоящему  моменту многие загадки строения  Вселенной решены, до сих пор  остается нерешенной загадка  вакуума - что он из себя  представляет. В переводе с латыни  вакуум - пустота, но стоит ли  называть пустотой то, что таковой  не является?  

 Греческая наука первой  ввела четыре первоэлемента, образующих  мир - вода, земля, огонь и воздух. Каждая вещь на свете для  них была сложена из частиц  одной или сразу нескольких  этих стихий. Дальше перед философами  возник вопрос: может ли существовать  место, где нет ничего - ни земли,  ни воды, ни воздуха, ни огня? Существует ли подлинная пустота?   

 Левкипп и Демокрит, жившие в 5 в. до н. э. пришли к выводу: все в мире состоит из атомов и разделяющей их пустоты. Пустота по мнению Демокрита позволяла двигаться, развиваться и совершать любые изменения, поскольку атомы неделимы. Таким образом, Демокрит первым отвел вакууму ту роль, которую он играет в современной науке. Он же поставил проблему сущего и небытия. Признавая сущее (атомы) и небытие (вакуум), он говорил, что и то, и другое является материей и причиной существования вещей на равных правах. Пустота, по мнению Демокрита также являлась материей, причем разница в весе вещей определялась разным количеством пустоты, содержащейся в них.   

 Аристотель, считал, что  пустоту можно представить, но  она не существует. В противном  случае считал он, становится  возможной бесконечная скорость, а ее в принципе существовать  не может. Следовательно, пустоты  не существует. Кроме того, в пустоте не было бы никаких различий: ни верха, ни низа, ни правого, ни левого - все в ней находилось бы в полном покое. В пустоте все направления окажутся равноправными, она никак не влияет на помещенное в нее тело. Таким образом, движение тела в ней не определяется ничем, а этого быть не может. Далее понятие вакуума было заменено понятием эфира. Эфиром является некая божественная субстанция - нематериальная, неделимая, вечная, свободная от присущих элементам природы противоположностей и поэтому качественно неизменная. Эфир - всеобъемлющий и поддерживающий элемент мироздания.  

 Как видно, древняя  научная мысль отличалась определенным  примитивизмом, однако она обладала  и некоторыми преимуществами. В  частности, ученые древности не  были скованы рамками экспериментов  и расчетов, поэтому они стремились  к пониманию мира в большей  степени, чем к его преобразованию. Но во взглядах Аристотеля  уже появляются первые попытки  понять строение материи, которая  нас окружает. Он определяет некоторые  ее свойства, исходя из качественных  предположений.  

 Теоретическая борьба  с пустотой продолжалась и  в средние века. "...Я утвердился  во мнении, - подвел итог своим  опытам Блэз Паскаль, - которое всегда разделял, а именно, что пустота не есть что-либо невозможное, что природа вовсе не избегает пустоты с такой боязнью, как это многим кажется". Опровергнув опыты Торричелли с получением пустоты "искусственно", он определил место пустоты в механике. Появление барометра, а затем и воздушного насоса является практическим результатом этого. Первым же, кто определил место пустоты в классической механике, был Ньютон. По Ньютону, небесные тела погружены в абсолютную пустоту. И она всюду одинакова, в ней отсутствуют различия. Фактически Ньютон для обоснования своей механики привлек то, что Аристотелю не позволяло признать возможность пустоты. Таким образом, существование пустоты было уже доказано экспериментально, и даже положено в основу самой влиятельной в то время физико-философской системы. Но, несмотря на это, борьба с этой идеей разгорелась с новой силой. И одним из тех, кто решительно не был согласен с идеей существования пустоты, был Рене Декарт.  

 Предсказав открытие  пустоты, он заявил, что это  не настоящая пустота: " Мы считаем  сосуд пустым, когда в нем нет  воды, но на самом деле в  таком сосуде остается воздух. Если из "пустого" сосуда  убрать и воздух, в нем опять  что-то должно остаться, но это  "что-то" мы просто не почувствуем...". Декарт пытался оттолкнуться  от понятия пустоты, введенного  ранее, дал ей имя эфир, которое  использовалось еще древнегреческими  философами. Он понимал, что называть  вакуум пустотой неправильно,  ибо он не является пустотой, в прямом смысле этого слова.  Пустоты абсолютной, по Декарту,  не может быть, поскольку протяженность  есть атрибут, непременный признак  и даже сущность материи; а  раз так, то всюду где есть  протяженность - то есть само  пространство - должна существовать  и материя. Именно поэтому он  упорно отталкивался от понятия  пустоты.  

 Материя бывает, как  утверждал Декарт, трех родов,  состоит из трех видов частиц: земли, воздуха и огня. Частицы  эти "разной тонкости" и двигаются  по-разному. Поскольку абсолютная  пустота невозможна, то всякое  движение любых частиц приводит  на их место другие, и вся  материя находится в непрерывном  движении. Из этого Декарт делает  вывод, что все физические тела - результат вихревых движений  в несжимаемом и нерасширяющемся эфире. Эта гипотеза, красивая и эффектная, оказала огромное влияние на развитие науки. Идея представить тела (и частицы), как некие вихри, сгущения в более тонкой материальной среде оказалась очень жизнеспособной. А то, что элементарные частицы следует рассматривать как возбуждения вакуума, - признанная научная истина. Но, тем не менее, такая модификация эфира, ушла с физической сцены, ибо была слишком "философской", и пыталась объяснить сразу все в мире, наметив строение мироздания.  

 Отношение к эфиру  Ньютона заслуживает отдельного  упоминания. Ньютон то утверждал,  что эфир не существует, то  наоборот боролся за признание  этого понятия. Эфир был незримой  сущностью, одной из тех сущностей,  против которых категорически  и весьма последовательно возражал  великий английский физик. Он исследовал не виды сил и их свойства, а их величины и математические соотношения между ними. Его всегда интересовало то, что можно определить при опыте и измерить числом. Знаменитое "Гипотез не измышляю!" означало решительный отказ от домыслов, не подтвержденных объективными опытами. И в отношении к эфиру Ньютон не проявлял такой последовательности. Происходило это вот почему. Ньютон не только верил в бога, - вездесущего и всемогущего, но и не мог представить его себе иначе, чем в виде особой субстанции, пронизывающей все пространство и регулирующей все силы взаимодействия между телами, а тем самым - все движения тел, все, что происходит в мире. То есть бог - эфир. С точки зрения церкви - это ересь, а с точки зрения принципиальной позиции Ньютона - домысел. Поэтому Ньютон не смеет писать об этом убеждении, а только изредка высказывает его в беседах. Но авторитет Ньютона прибавил значимости понятию эфира. Современники и потомки обратили больше внимания на высказывания физика, которые утверждали о существовании эфира, чем на те, что отрицали его существование.   

 Под понятием "эфир" в ту пору подводилось все,  что, как мы знаем теперь, вызывается  гравитационными и электромагнитными  силами. Но поскольку другие фундаментальные  силы мира до возникновения  атомной физики практически не  изучались, то с помощью эфира  брались объяснить любое явление  и любой процесс. Слишком многое  возлагалось на эту загадочную  материю, что даже реальное  вещество не в состоянии было  оправдать такие надежды и  не разочаровать исследователей.   

 Надо заметить и  еще об одной роли эфира  в физике. Эфир пытались использовать, чтобы объяснить идеи мирового  единства, для связи между частями  Вселенной. Эфир в течение столетий  служил для многих физиков  средством в борьбе против  возможности дальнодействия - против той идеи, что сила может передаваться от одного тела к другому через пустоту. Еще Галилей твердо знал, что энергия от одного тела к другому переходит при непосредственном их соприкосновении. На этом принципе основаны законы механики Ньютона. Между тем сила тяготения, оказывалось, действует вроде бы через пустое космическое пространство. Значит, оно не должно быть пустым, значит, его сплошь заполняют некие частицы, передающие силы от одних небесных тел к другим или даже сами своими движениями обеспечивающие действие закона всемирного тяготения.   

 В 19-м веке идея  эфира стала на время теоретической  основой для активно развивающейся  области электромагнетизма. Электричество  стали рассматривать, как некую  жидкость, которую можно было  отождествить лишь с эфиром. При  этом всячески подчеркивалось, что  электрическая жидкость - одна-единственная. Уже в ту пору крупнейшие  физики не могли примириться  с возвращением к множеству  невесомых жидкостей, хотя в  науке вопрос о том, что эфиров  несколько, поднимался не раз.  К концу 19-го века эфир, можно  сказать, стал общепризнан, - о  том, что он есть, не спорили.  Другой вопрос, что никто не  знал, что он себя представляет. Джеймс Клерк Максвелл с помощью  механической модели эфира объяснял  электромагнитные воздействия. Магнитное  поле согласно построениям Максвелла  возникает потому, что его создают  крошечные эфирные вихри, нечто  вроде тоненьких вращающихся  цилиндров. Чтобы цилиндры не  соприкасались между собой и  не мешали друг другу вертеться,  между ними были помещены мельчайшие  шарики (наподобие смазки). И цилиндры, и шарики были эфирные, но  шарики при этом играли роль  частиц электричества. Модель  была сложной, но демонстрировала  и объясняла привычным механическим  языком множество характерных  электромагнитных явлений. Считается,  что Максвелл вывел свои знаменитые  уравнения, опираясь на гипотезу  об эфире. В дальнейшем, обнаружив, что свет - разновидность электромагнитных волн, Максвелл отождествил "светоносный" и "электрический" эфир, которые одно время существовали параллельно.