! Если Вы обнаружили на странице ошибку, выделите мышью слово или фразу и нажмите сочетание клавиш Ctrl+Enter (подробнее).  Закрыть

 
Короткий адрес страницы: fornit.ru/215

Вакуум, кванты, вещество

Эта статья - некое резюме сборника статей по фундаментальным теориям, касающееся только того, что представляется наиболее достоверным и обоснованным. Несмотря на большое число статей, говорящих о кризисе классического направления исследований, именно оно оказывается самым надежным и непротиворечивым стержнем, способным описать реальность. При этом самый важный принцип науки: исходить из уже твердо познанного, приближаясь к еще неизученному, а не наоборот, привел к описательному характеру современной теории, которая, не делая попытки определить изначальные причины и свойства, описывает лишь взаимосвязь доступных для восприятия явлений. Такая теория по этой причине никогда не может быть опровергнута, настолько же насколько не могут измениться сами законы взаимодействия, характер которых просто формализован в виде уравнений.

Например, теория Фридмана не претендует на законченность понимания строения мира. Она носит описательный характер и обобщает те явления, которые мы способны наблюдать. Она создает формальное описание законов взаимодействия и состояний. Она вовсе не претендует на понимание, из чего же состоит базовый элемент материи потому, что начинает описание мира не с его возникновения, а с тех аксиом, что уже известны. Поэтому такая теория в принципе не может опровергаться другой теорией. Она уже включает в себя любую другую теорию в пока еще неформализованном виде. Об этом - в статье Физический вакуум и космическая анти-гравитация.

Другое дело, что сталкиваясь с еще не познанными явлениями, часто почти не имея данных для логической экстраполяции, физики начинают теоретизировать, подбирая варианты, которые непротиворечиво и естественно бы вписывались в существующую картину. Надо сказать, что в этом они, подчас, заходят слишком далеко, чем и пользуются все критики "ортодоксальной" науки, подменяя понятие гипотеза понятием теория. Однако, конечным критерием верности гипотез всегда выступает эксперимент.

 

Чтобы составить достаточно глубокие представления о том, что считается всеми ведущими физиками-теоретиками мира наиболее достоверными обобщениями изученных явлений природы, предлагаются следующие подборки.
О теории относительности
Квантовая механика
Теория суперструн
Теория петлевой квантовой гравитации

Теория относительности и квантовая механика описывают один и тот же мир на разных уровнях, различными абстракциями. Это пример того, как, казалось бы, совершенно разные и мало друг с другом связанные теории обе оказываются истинными в рамках используемых ими абстракций. Аналогия: как если бы жизнь города описывать или языком экономических закономерностей или языком культуры и искусства, которые между собой почти не пересекаются.
Но попытка более полного, более общего описания, в которую вошла бы и теория относительности и квантовая механика - создание суперструнных теорий и теории петлевой квантовой гравитации.
Очень непросто в этом разобраться и понять, но вот попытка передать суть популярно. Попытка не претендующая на точность и строгость, конечно, а лишь на популяризацию самых общих представлених.

 

Начнем с представлений о вакууме. Более подробно рекомендую посмотреть в Полевая природа материи.
Из новых достижений - Новый взгляд на природу элементраных частиц.

 

Вакуум, хотя в среднем это - абсолютное ничто - нулевой баланс любых полей, обладает свойством флуктуировать (потому, колебания обязаны проявляться волнами в своих пиках вокруг глади среднего нуля), в самом широком спектре частот вызывая деформации, которые проявляют себя как не до конца реализованные, "виртуальные" частицы. Это наблюдается во многих явлениях экспериментально (например, в излучении электрона в возбужденном состоянии, в лэмбовском сдвиге спектральных линий атомов и эффекте Казимира), что после множества исследований уже никак не может вызывать сомнений.

Поэтому энергия всей совокупности виртуальных частиц и есть энергия вакуума. Можно сказать, энергия вакуума — это наинизшее энергетическое состояние частиц и полей в природе, но это состояние не обязано быть равным нулю. Т.е. вакуум может обладать температурой, а значит и излучением, соотвествующим излучению абсолютно черного тела с такой температурой. (Это - то самое "реликтовое" излучение).

 

Что за флуктуации? Они проявляются в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга и с тем, что квантам деформации вакуума присуща волновая, осцилляторная природа. Почему это так, пока не знает никто. Но это - данность, та самая базовая аксиома, которая непреложно выполняется в любых экспериментах всегда и точно и на основе которой приходится строить все остальные представления. Взаимно компенсированные поля, представленные своими квантами, обязаны с частотой своей осцилляции появляться и исчезать относительно нулевого уровня.

Существование таких взаимнокомпенсированных полей и их флуктаций непосредственно проявляется экспериментально, например, в лэмбовском сдвиге спектральных линий атомов и эффекте Казимира. Кроме того это свойство непосредственно создает явление гравитации.

Если суммировать энергию нулевых колебаний по всем возможным частотам вплоть до бесконечности, то результатом и будет бесконечная энергия и бесконечная плотность энергии вакуума. (Не плотность вещественной среды, а энергии, что многие путают, говоря о передаче волновых колебаний эфирной средой! При сравнении плотности вакуума с плотностью других компонентов космоса имеется в виду плотности энергии, которая, например, для элементарных частиц намноги ниже плотности энергии вакуума потому, что частицы образованы замкнутым полем определенной энергии, а вакуум - сумма всех полей.)

 

Поле едино (на чем и основывается единая теория поля) но проявляется виде различных типов его смещений (потоков индукции): заряды образуют электрические потоки, движущиеся заряды - магнитные потоки. Согласно современным представлениям, состояние поля с наименьшей энергией называется вакуумом.

Смещения поля (потоки индукции поля, самопроизвольно проявляющиеся в виде флуктуация вакуума) материальны в том смысле, что обладают энергией, (определяемой величиной сдвига  или деформации, потенциала и скоростью его нарастания), массой и имеют дискретность.

Сущность же самой деформации (сдвига, поляризации) вакуума, проявляющегося возмущениями различных типов как поле, кванты или вещество, пока не представима. Так же как и не ясна причина дискретности этих деформаций. Это просто факт, который вытекает из обобщения экспериментальных данных: всегда наблюдаются только неделимые, дискретные возмущения вакуума: поле, кванты и стационарные частицы.

 

Частица от кванта отличается только тем, что квант, образующий частицу, зацикливается (самонаклыдывается в стоячую волну) и его характеристика нарастания смещения поля становится статической (занимающей в пространстве определенное место относительно других частиц), что выражается зарядом (что это -чуть ниже), а сама энергия проявляет себя в виде массы (что это - ниже), что является так же следствием статичности. Условия стабильности такой закольцовки выводятся строго из волновых уравнений.

 

Элементарный электрический заряд - это электрическая составляющая 1 кванта электромагнитного (ЭМ) поля. Т.о. электрон - 1 квант зацикленного ЭМ, различающиеся энергетическими уровнями: энергией (частотой) ЭМ. Электрон может поглотить квант ЭМ и перейти на высокий энергетический уровень, состоя при этом уже из 2 квантов, что делает систему неустойчивой и лишний квант излучается. Неустойчивость, кстати, реализуется вследствие влияния окружающих флуктуаций вакуума. Иначе возбужденное состояние могло бы длиться сколь угодно долго.

 

Заряд начинает характеризоваться знаком + или - в зависимости от того, каков вектор нарастания деформации поля относительно частицы. Так, фотон может закольцеваться обоими способами, образовывая или электрон или позитрон. При взаимодействии же позитрона и электрона эти закольцовки дестабилизируются, высвобождая кванты. Это и есть процесс аннигиляции, где вещество в виде стационарных закольцованных квантов переходит в состояние свободных квантов, несущих всю энергию этого вещества. Естественно, ничего при этом не исчезает и не появляется!

Квант, закольцованный вокруг атомного ядра, не может "упасть" на ядро, несмотря на разные заряды, из-за самого характера закольцованного распространения сдвига поля со скоростью света (образуется стабильный вихрь) хотя положение вокруг ядра сохраняется именно вследствие взаимодействия противоположных зарядов. Стационарными являются лишь те орбиты, на которых укладывается целое число волн, обеспечивая синфазность стоячей волны.

Вихрь закольцовки способен существовать и сам по себе, например в виде свободного электрона.

Заряд вызывает деформацию (поляризацию, возмущение) окружающего пространства (нулевого вакуумного состояния полей), что проявляется в виде электрического поля (цепь распространения возмущений в вакууме). Т.е. вакуум проявляет диэлектрические свойства: возмущение распространяется в виде поляризации, а не в виде движения реальных зарядов.

Это возмущение и вызывает взаимодействие зарядов.

Надо сказать, что квант электромагнитного поля описывается уравнением Максвелла как вихрь распространения деформации поля, которое показывает возможность распространения такого возмущения не как волна в среде (для чего было бы необходимо понятие эфира), а как фронт распространения поляризации вакуума. Возмущение в вакууме распространяется не по принципу толкания предыдущей частицы среды последующей, а изменением некоего фундаментального свойства - поляризацией некоего (пока не воспринимаемого в какой-либо аналогии) свойства поля, по принципу, как это происходит в диэлектрике.

При этом вакуум - вовсе не некая существующая в виде чего-то реальность (как в случае эфира обладающая плотностью), а нереализованное, нулевое состояние энергий - фундаментальное свойство среды, которое обладает вполне определенными свойствами, не будучи еще материей. Его нематериальность проявляется в законах сохранения энергий (возмущений этой среды), т.е. невозможности образования этих энергий самопроизвольно или их исчезновении. Но, любое возмущение вакуума уже проявляется как материальный объект: поле, квант или вещество. Заряд, появившись из кванта, вызывает вокруг себя распространяющийся с конечной скоростью фронт поляризации вакуума, ослабевающий с расстоянием. И эта поляризация проявляет себя во взаимодействии с другими зарядами как материальное поле заряда.

Минимальное возмущение поля возможно только в виде кванта деформации. Если возникла такая деформация то не может не возникнуть и соответствующая "дырка", что проявляется флуктуацией вакуума.

В случае ЭМ волн вызывая изменение "электрической" деформации, которая как тень неотделима от своей "магнитной" ипостаси, распространяющейся перпендикулярно. Т.е. магнитная составляющая - это побочный эффект изменения электрического поля, обусловленный релятивистскими причинами (электрическое поле при смещении точечного заряда не просто переместится вместе с зарядом, как в случае бесконечно большой скорости распространения поля, а меняется более сложным образом. Возникают эффекты, связанные с запаздыванием появления поля на больших расстояниях от заряда, которые могут быть описаны введением индукции магнитного поля) По этой причине и нет магнитных зарядов. При вращательном движении цилиндрического магнита с осью вращения, проходящей через полюса, вихревое электрическое поле не возникает. Если же вращать электрически заряженный цилиндр, то круговое движение электрических потоков создает магнитное поле. При вращательном движении цилиндрического магнита с осью вращения, проходящей через полюса, магнитная сила на покоящийся заряд не действует. Если же, наоборот, заряд будет двигаться вокруг покоящегося магнита, то на заряд будет действовать магнитная сила Лоренца.

Флуктуации вакуума показывают возможность самопроизвольного появления взаимно противоположных, компенсирующихся деформаций.

Чем больше плотность кванта (частота возмущения) тем, соответственно, больше его энергия.

Движущееся возмущение среды является источником волн, но при равномерном движении, не превышающем скорость распространения волн, излучение не возникает, так как все вторичные волны, образуя в окружающем пространстве интерференцию, гасят друг друга, представляя движущийся цуг волн. Если среда идеальная, например, полевая, такой движущийся цуг волн не теряет энергию, так как из-за интерференции нет излучения. Это можно наблюдать экспериментально: например, электрон при равномерном движении в диэлектрике (вакууме) представляет движущееся электромагнитное возмущение, но, если скорость электрона не превышает скорости распространения электромагнитных волн в данной среде, то нет излучения Черенкова, так как все возникающие вторичные волны, образуя в окружающем пространстве интерференцию, гасят друг друга. Таким примером являются боровские орбиты.

Расчет островков устойчивости волновых свойств возмущений поля совпадает со свойствами элементарных частиц, что и привело к объяснению их природы как стационарных состояний квантов поля.

Если возмущение поля в виде кванта распространяется (в виде последовательной поляризации) с большой скоростью и не проявляет локальных эффектов, то в стационарном состоянии возникают эффекты зарядов и массы. Масса - проявляется в двух ипостасях.

Инерционная масса - выражается в необходимости приложить воздействие определенной силы для того, чтобы вызвать соответствующее ускорение этой массе. Понятно, что без приложенной силы местоположение массы относительно других масс меняться не обязано :) масса не скачет сама по себе по собственной прихоти, а находится в статическом "покое".

Представим передачу механического воздействия от одного свободного электрона другому. Оба являются зарядами, окруженными полями, через которые они и взаимодействуют. Посчитаем один электрон неподвижным относительно другого, приближающегося к нему. При сближении начинает возникать взаимное влияние через окружающие их поля. Электрон, являясь закольцованной волной, при встрече с деформацией вакуума (полем), порожденной другим электроном, меняет пространственные параметры своей закольцовки с каждым встретившимся квантом деформации, что выражается в его пространственном перемещении. В свою очередь и поле "неподвижного" электрона точно так же влияет на пространственное расположение сближающегося электрона. Это приводит к изменению скоростей обоих электронов. Понятно, что если будет приближаться не один, а два электрона, то и их влияние на "неподвижный" будет вдвое больше. Таким образом, передача момента движения происходит пропорционально количеству зарядов в столкнувшихся веществах, что мы выражаем понятием инерционной массы.

Гравитационная масса обусловлена количеством тех же самых зацикленных квантов, только взаимодействие передаются не через поля этих зарядов в непосредственном соприкосновении, а его механизмов является давление виртуальных частиц вокруг любых зацикленных квантов, которое между двумя телами будет меньшим, чем окружающее (эффект Казимира) .


Таким образом, движение вещественных тел воплощается как изменение распространения всех закольцовок элементарных составляющих тел, относительно других тел, но никак не относительно вакуума. Но это распространение самым непосредственным образом вызывает попутные деформации вакуума (раскомпенсацию квантов его энергий).

Что будет происходить, если в тело с одной стороны бьют постоянно другие тела. так что придают все больше ускоряющих импульсов? Смещение начнет приближаться к максимальной скорости передачи деформации в вакууме, но никогда не сможет достичь ее в пределе. Ясно, что смещение закольцовок не может быть больше, чем предел возможности в распространении деформации вакуума, который определяется скоростью раскомпенсированных квантов (так же как скорость вихря в среде не может быть больше скорости звука - отдаленная аналогия, т.к. вакуум- "среда", не связанная причинно). И чтобы приближаться к нему, необходимо затрачивать все больше "энергии", которая преобразуется во все большее рассогласование закольцовок, приближающееся к условиям раскольцовки и свободно распространяющейся в виде квантов деформации. Тогда масса полностью перешла бы в "энергию" свободно распространяющихся квантов, как это бывает при аннигиляции (формула соответствия массы и энергии).

Эта добавочная энергия движущегося тела (в виде степени рассогласования закольцовок) определяет массу вещества относительно других тел и с увелиением относительной скорости растет. Кроме того, критерий того, насколько элементарные частицы, составляющие вещество, имеют рассогласованные закольцовки, определяеющие вектор перемещения относительно других тел (но не вакуума), говорит о том, насколько все процессы, протекающие в таком теле, более замедлены по сравнению с процессами, протекающими в веществах с меньшей степенью рассогласований закольцовок. В пределе (чисто теоретическом), процессы в теле, которое бы двигалось со скоростью света, вообще не могли бы происходить потому, что все процессы определяются именно относительными скоростями деформаций вакуума в сравнению с предельно возможной скоростью деформаций - скоростью свободного распространенная кванта.

 

Итак, это была попытка формализовать основополагающие представления, которые представляются мне наиболее обоснованными, не покушаясь на области пока не известного. Это та основа, которая может уже направлять понимание более частных вопросов и дать основу для оценки других взглядов на явления.

Понятно, что каждый тут должен выработать свое базовое понимание, но при этом неизбежно следует учитывать те явления, что достоверно проявляются в экспериментах. Любая обобщающая теория обязана не просто дать намеки на вариант объяснения их, но точно быть способна описывать закономерности, количественно поверяемые экспериментом.


Что же касается пока неизвестного, сущности того единого, что обуславливает все взаимодействия и свойства самого "вакуума", того, куда направлены никогда для нас не кончаемые процессы коллапса Черных дыр и откуда возникла наша Вселенная, то пока можно делать еще очень неясные предположения.
Теория петлевой квантовой гравитации приходит к выводу о квантованности метрик как пространства так и времени, что, в принципе, не ново само по себе. Фактически она пользуется абстракциями, описывающими кванты элементарного действия единого поля, которые и составляют суть деформаций поля, о котором говорилось в начале. Это многое ставит на свои места, в том числе и странное предположение о сингулярных точках.
Исходя из представлений теории петлевой квантовой гравитации, становится более осмысленной представление о том, что может происходить, когда колапсирующая материя приближается к пределу одного кванта. Если учесть, что в целом энергия материи, воплощенной известными взаимодействиями - нулевая, то понятно, что при коллапсе она взаимнокомпенсируется по мере суперпозиции комплементарных квантов, приводя к состоянию первичного вакуума - как состоянию наибольшей плотности энергии. В целом вовсе не обязательно принимать то, что недостижение исчезающе малой точки сингулярности должно означать предшествовавшее "схлопывание".
Оно может означать, что достигая состояния полной взаимной компенсации, вырождаясь в "ничто" и, лишивший метрики, лимитирующей происхождение чрезвычайно мало вероятных событий, начинают реализовываться любые невероятные флуктуации с разкомпенсацией самых разных порций энергии. Те из этих порций, которые, согласно антропному принципу, прекрасно описанному С.Хокингом, не противоречат эволюции материи в виде вселенных, где способна зарождаться жизнь, окажутся для живых существ подобием нашей вселенной.
Более зримо как происходило развитие этого процесса вплоть до образования жизни, можно посмотреть в Эволюция живых существ на Земле.

О самой таинственной части квантовой механики, про основу "квантовой телепортации", "квантовой криптографии" и почти мистические, но совершенно реальные следствия спора Эйнштейна с Бором.: Квантовая телепортация.

Обсуждение Еще не было обсуждений.