Физика веры Тихоплав Виталий

В развитии теоретической физики можно выделить три этапа: предварительный, классический макроуровневый и релятивистский (релятивистская физика — это физика больших скоростей, 18, с, 635).

Сейчас начинается новый четвертый классический микроуровневый этап, вызванный прежде всего, доказательством реального существования материальной субстанции в мировом пространстве — физического вакуума. Начало нового этапа развития физики, видимо, придется отсчитывать с момента признания ученой общественностью достоверности решения коренных фундаментальных проблем теоретической физики. Это решение заключается в разоблачении ошибочной сути постулата постоянства скорости света с параллельным доказательством реальности материального физического вакуума(19, с. 322).

Согласно философской концепции великого древнегреческого философа Демокрита все вещества состоят из частиц, между которыми находится пустота. Известно, что расстояние между молекулами воды примерно в десять тысяч раз (а между молекулами газа — примерно в сто тысяч раз) больше, чем размеры самих молекул; значит, по Демокриту, основная по объему часть вещества представляет пустоту,

Но, согласно философской концепции другого не менее знаменитого древнегреческого философа Аристотеля, в мире нет ни малейшего места, где бы не было “ничего”; значит, по Аристотелю, между молекулами вещества должна быть какая-то среда. Эта концепция использовалась учеными для объяснения различных явлений, а среда, находящаяся между частицами тел, а также пронизывающая безграничное пространство Вселенной, называлась эфиром.

2.1.1. Превратности эфира

Античность завещала свой эфир средним векам, и в европейской науке этого времени эфир рассматривался как пятая стихия: земля, вода, воздух, огонь и эфир. Ученые XVIII—XIX веков, принявшие учение об эфире как мировой среде, с самого начала оказались в очень затруднительном положении. В отличие от античных философов и средневековых схоластов, они были представителями новой науки, опирающейся на громогласно провозглашенный Френсисом Бэконом принцип экспериментальной проверки теоретических положений.

При рассмотрении различных явлений ученые приписывали эфиру разные свойства, но оставалось неясным, что же из себя представляет эфир.

У великого физика Ньютона отношения с эфиром были сложные, трудные, даже трагические. Ньютон в течение всей своей жизни то утверждал, то отрицал существование эфира как мировой среды. Анализируя многочисленные данные наблюдений движения планет, Ньютон открыл закон всемирного тяготения, согласно которому определяется сила взаимодействия небесных тел. В дальнейшем в соответствии с этим законом было экспериментально подтверждено взаимодействие тел на Земле. Закон всемирного тяготения — одна из вершин классической физики, Он — типичный классический закон дальнодействия. Но не все в этом законе удовлетворяло Ньютона- Что вне все”? Неизбежное в теории дальнодействия — мгновенное действие сил тяготения через большие расстояния, Ньютон понимал, что его законы могут иметь смысл, только если пространство обладает физической реальностью. В письме одному из своих друзей Ньютон писал:

“Мысль о том, ...чтобы одно тело могло воздействовать на другое через пустоту на расстоянии, без участия чего-то такого, что переносило бы действие и силу от одного тела к другому, — представляется мне столь нелепой, что нет, как я полагаю, человека, способного мыслить философски, кому она пришла бы в голову” (105, с. 182).

В своем творчестве Ньютон систематически возвращался к этому вопросу, стремясь дать теоретическое обоснование гравитации; при этом он возлагал большие надежды на эфир и считал, что раскрытие сущности эфира позволило бы получить решение и этого важнейшего вопроса. Эфир был нужен и полезен теории Ньютона. Но, придерживаясь принципа точных наблюдений и строгих экспериментов и не имея возможности доказать существование эфира, Ньютон предупреждает, что при изложении гипотезы эфира будет “иногда говорить о ней так, как будто бы я ее принял и верю в нее”, однако всего лишь “во избежание многословия и для более ясного представления” (69, с. 31).

В 1679 году Ньютон в письме великому физику Роберту Бойлю излагает свое предположение о некоем вездесущем тонком веществе по имени “эфир”. Оно имеет разную плотность, состоит из частиц “тонких”, причем тонких в разной степени. Чем ближе тело (любое) к центру тяготения, тем все более тонкие частицы эфира заполняют поры этого тела, вытесняя из них эфирные частицы более крупные, более грубые. Такое движение эфира и заставляет тело стремиться к центру тяготения, вызывая падение тела на Землю.

Однако в первом издании генерального труда о всемирном тяготении (хотя и не только о нем), в “Математических началах натуральной философии”, вышедшем в свет в 1687 году, всякое предположение об эфире отсутствует. Но во втором издании этого труда в 1713 году Ньютон уделяет серьезное внимание “некоторому тончайшему эфиру, проникающему во все сплошные тела и в них содержащемуся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие малые тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь именно колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам” (69, с. 32).

В течение своей долгой и плодотворной жизни великий ученый менял свои позиции многократно. Время от времени Ньютон просто замечал, что об эфире ничего достоверно неизвестно, неизвестно даже, есть он или нет, и потому не желает он, Ньютон, даже мнения своего высказывать по этой проблеме! А потом все-таки снова и снова высказывает мнение, и оно то за существование эфира, то против него.

Кандидат физико-математических наук С. Смирнов, специально изучавший проблему сложных отношений Ньютона с эфиром, пришел к разрешению этой загадки благодаря существованию воспоминаний друзей Ньютона. и выяснилась удивительная вещь: 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 — это и есть эфир! С точки зрения церкви — это ересь, И вот Ньютон (добрый христианин и добрый физик) не смеет писать об этом своем убеждении, а только иногда проговаривается в дружеских беседах (69, с- 34).

Интуиция никогда не подводила Ньютона. Не подвела она и с эфиром.

Особая материальная субстанция, пронизывающая все пространство и регулирующая ВСЕ силы взаимодействия, правда, существенно отличающаяся от того эфира, который представляли во времена Ньютона, была обнаружена учеными XX века, исследована и названа физическим вакуумом.

Авторитет Ньютона прибавил авторитета и эфиру. Современники и потомки обратили гораздо больше внимания на те высказывания великого физика, которые утверждали существование эфира, чем на другие, ставившие это существование под сомнение.

Под понятие ”эфир” стали подводить все, что, как мы теперь знаем, вызывается гравитационными и электромагнитными силами. Но поскольку другие фундаментальные силы мира до возникновения атомной физики практически не изучались, то с помощью эфира брались объяснять любые явления и любой процесс.

Особенно возрос интерес к эфиру после открытия электромагнитного поля. Вот где особая упругая среда казалась незаменимой для последовательного преобразования электрических и магнитных полей одно в другое, Искусный теоретик электромагнитных волн Д. Максвелл в своих построениях словно воочию видел возникающие при этом натяжения эфира. Что-то вроде поля упругих сил, действующих в деформированном растянутом или сжатом куске резины.

Эфир должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения; эфир оказывался средой, по которой идут световые волны; эфир нес ответственность за все проявления электромагнитных сил; да вообще ответы на почти все загадки природы: физические, химические, биологические — требовалось найти именно в эфире. Для одновременного выполнения всех этих функции ему надлежало обладать весьма разными и часто слишком противоречивыми свойствами.

Например, бурное развитие волновой теории света заставило наделить эфир просто фантастическими свойствами. Когда англичанин Томас Юнг и француз Оггостен Френель пришли к выводу, что свет представляет собой не продольные, а поперечные колебания, им было трудно осмыслить результат как реальный. Чтобы обеспечить движение поперечных световых волн со скоростью, определенной достаточно точно еще в XVII веке, эфир должен был обладать фантастической упругостью, Большей, чем самая упругая сталь. Упругость же — свойство, прежде всего, твердого тела, да и то не всякого, В то же время эфир должен быть для света прозрачнее, чем любой газ, и не должен мешать движению звезд и планет.

Каждое новое достижение волновой теории света заставляло наделять эфир все новыми и новыми свойствами. Это — с одной стороны, а с другой — не было и экспериментов, которые позволили бы отрицать эфир. Постепенно, однако, объяснения световых явлений на основе эфирной гипотезы стали выглядеть все более искусственными. Стало складываться убеждение о несовершенстве основ классической физики. С целью выхода из кризиса был взят курс на разработку специальной физики — физики больших скоростей, близких к скорости света (релятивистская физика).

В первую очередь следовало проверить действенность основных положений классической физики при световых и околосветовых скоростях.

Классическая физика базируется на трех законах Ньютона, причем все законы вытекают как частный случай из законов общей теории. Классическая физика, таким образом, представляет собой пример великолепно разработанной теории, детали и общие принципы которой не претерпевают никаких изменений или исправлений уже несколько столетий.

В основе классической физики лежит абсолютность пространства и времени, согласно которой ход времени (длительность его единицы, например, секунды) и размер тела (величина единицы длины, например, метра) неизменны в любых системах отсчета и не зависят от того, покоится система отсчета или движется каким-либо образом.

Важнейшей основой классической физики является также принцип относительности Галилея, утверждающий, что опыты, проводящиеся в неподвижной системе, и такие же опыты, проводящиеся в системе, движущейся равномерно и прямолинейно, дадут одинаковые результаты, то есть все законы механики сохраняются для любых инерциальных систем отсчета. Инерциальные системы отсчета — системы, свободные от внешних воздействий и которые, следовательно, движутся равномерно прямолинейно или находятся в состоянии покоя (18,с.220).

И, наконец, к основным положениям классической физики относится правило сложения скоростей: если источник движения, сообщающий телу скорость или среда. в которой тело движется со скоростью U, имеют в том же направлении скорость V относительно неподвижного наблюдателя, то скорость тела W относительно этого наблюдателя определяется правилом сложения скоростей, согласно которому W = V + U (20, с. 24).

2.1.2. Опыт Физо

Прежде всего, возник вопрос о справедливости правила сложения скоростей при световых явлениях. Для его решения необходимо было провести эксперимент по сложению скорости движения среды (например, воды) со скоростью распространения света в этой среде. Но как провести такой эксперимент? Трудности его проведения заключались в том, что скорость света в воде U = с/n = 225 000 км/с, где с — скорость света в вакууме, с = 300 000 км/с; n — показатель преломления воды, n = 1,33. Скорость воды можно было бы сделать примерно 10 м/с, что в десятки миллионов раз меньше скорости света. Поэтому такой эксперимент долго не удавалось осуществить.

Но оказалось, что указанное небольшое изменение скорости света можно измерить, если использовать явление интерференции. Интерференция — это сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы: волн на поверхности жидкости; упругих (например, звуковых); электромагнитных (например, радиоволн или световых). Причем интерферируют только когерентные волны, то есть волны, имеющие постоянную разность фаз во времени (70, с. 290), Такими когерентными волнами-лучами являются, например, лучи, исходящие из одной точки источника света. Если два луча от одной точки источника света пустить по разным направлениям, а затем привести в одну точку, то в этой точке будет происходить интерференция света; если разность хода лучей, измеренная в количестве совершенных полуволн, составит четное число, то происходит сложение энергий этих лучей, и точка будет наиболее светлой; если же разность хода составит нечетное число полуволн, то энергии лучей вычитаются, и точка будет наиболее темной.

Таким образом, в зависимости от разности хода лучей освещенность в точке их встречи будет меняться. Зная длину волны света (от 0,4 микрона до 0,7), можно рассчитать, какую величину изменения скорости света можно измерить. Расчеты показали, что можно сделать установку, позволяющую определить изменение скорости света на одну стомиллионную долю, что даже лучше, чем требуется.

Такую установку впервые изготовил, а затем осуществил на ней уникальный опыт в 1851 году известный французский физик А. И. Физо.

В установке Физо луч от источника света с помощью полупрозрачной пластины разделялся на два луча, один из которых, отражаясь от зеркала, проходил через текущую воду по направлению ее движения, а второй — против движения. Скорость движения воды изменялась от 0 до 7 м/с. Оба луча направлялись далее в интерферометр, где наблюдалась интерференционная картина. По смещению интерференционных полос определялась разность времени прохождения лучей света в движущейся воде (по течению и против течения, 18, с, 818).

Результаты опыта оказались неожиданными: сложение скорости света в воде со скоростью движения воды не соответствовало требованию классической физики:

W = V + U.

Опыт показал, что сложение скоростей происходит по соотношению

W= U + V(1 -1/n),

где n — показатель преломления воды; n = 1,33.

Многократно проверенный опыт давал все время один и тот же результат. Он показывал, что скорость света не подчиняется правилу сложения скоростей. Напрашивался вывод, что классическая физика при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света, неверна.

Чтобы спасти классическую физику, ученые приняли гипотезу о движении света в эфире, находящемся между частицами воды и воздуха. Если предположить, что эфир не увлекается частицами вещества при их движении или увлекается частично в зависимости от величины показателя преломления, то становится понятным объяснение опыта Физо с позиций классической физики: скорость движения частиц вещества не передается полностью находящемуся между частицами эфиру и поэтому не складывается со скоростью света в эфире в соответствии с правилом сложения скоростей, и для среды с показателем преломления, близким к единице, эфир остается неподвижным.

Таким образом была принята гипотеза существования неподвижного мирового эфира, согласно которой все тела Вселенной движутся в неподвижном мировом эфире. Такая гипотеза объясняла опыт Физо и спасала классическую физику.

Забегая вперед, укажем допущенную этой гипотезой роковую ошибку. Опыт Физо, проводившийся на Земле, свидетельствует о том, что движущееся на Земле вещество не увлекает околоземной эфир. Достаточно было предположить, что только околоземный эфир неподвижен относительно Земли, а не выдвигать гипотезу о неподвижности всего мирового эфира.

Но поскольку гипотеза была принята, перед учеными возник вопрос о ее экспериментальном подтверждении, Известно, что Земля в своем движении вокруг Солнца имеет скорость V = 30 км/с- Поэтому, если поставить опыт по обнаружению этой скорости движения Земли в мировом неподвижном эфире, то тем самым можно будет подтвердить справедливость гипотезы. Технически такой опыт осуществить трудно, и лишь спустя 30 лет после опыта Физо, то есть в 1881 году, впервые этот уникальный опыт был осуществлен американским ученым А. Майкельсоном.

2.1.3. Опыт Майкельсона

Опыт Майкельсона — величайший из всех отрицательных, опытов в истории науки.

Дж. Бернал

Ученые рассчитывали на то, что исключительно высокая скорость света в сочетании с необычайной миниатюрностью его носителя — фотонов позволит уловить ничтожное влияние заполняющего все пространство эфира. Приняв неподвижный и невесомый эфир за реальную сущность, ученые полагали, что скорость Земли относительно этой субстанции можно определить следующим образом. Поскольку Земля движется в пространстве, на что указывает ее вращение вокруг Солнца, постольку она перемещается в эфире. Если находящийся на Земле наблюдатель сумет измерить скорость луча света, движущегося в направлений, совпадающем с направлением движения Земли (по течению в эфире), а также скорость встречного луча света (против течения в эфире), то он легко сможет убедиться в различии этих скоростей.

Хитроумно приспособив для такого рода измерений высокочувствительный интерферометр, американский физик А. Майкельсон произвел свой знаменитый опыт, на основании которого рассчитывал получить различие скоростей в виде интерференционной картины. Каково же было удивление, когда никакого наложения оптических волн в зрительной трубе не получилось! Оказалось, что фотонам совершенно безразлично, куда лететь — по течению, против течения или же куда-то вбок (21,с.27).

Вывод напрашивался один: движения Земли через эфир нет, а, следовательно, гипотеза неподвижного мирового эфира, на которую классическая физика возлагала большие надежды, неверна.

Для спасения гипотезы неподвижного мирового эфира голландский ученый Лоренц (одновременно с американским ученым Фицджеральдом) предложил гипотезу сокращения размеров тела в направлении движения, Достаточно было предположить, что предметы, двигающиеся против течения эфира, изменяют свои размеры, сокращаются по мере приближения их скорости к скорости света. Считается, что в опыте Майкельсона действительно происходит "лоренцево” сокращение размеров тел, что, якобы, является экспериментальным подтверждением преобразований Лоренца, из которых математически следует это сокращение (20, с. 35).

Правда, Гендрика Лоренца с его высокой научной щепетильностью очень смущало, что его идея была придумана, как принято говорить, по случаю, специально для объяснения конкретного эксперимента. Он писал: “Подобному введению особых гипотез для каждого нового опыта присуща... некоторая искусственностью (69, с. 53). Иными словами, Лоренц ощущал разрыв между своей гипотезой и построениями всей предыдущей физики. А гипотезу все-таки выдвинул! Причем, как оказалось, она верно описывала факты, но неверно их объясняла.

Из преобразований Лоренца была получена также основная черта релятивистской кинематики — независимость скорости света от движения источника (18, с. 510).

Последствия эксперимента Майкельсона оказались судьбоносными практически для всех научных идей XX века.

2.1.4. Изгнание эфира

Но история наука не ограничивается перечислением успешных, исследований. Она должна сказать нам и о безуспешных исследованиях и объяснить, почему некоторые из самых способных людей не смогли найти ключа знания и как репутация других дала лишь большую опору ошибкам, в которые они впали.

Максвелл

Для дальнейшего развития теоретической физики нужна была теория, которая могла бы разрешить очередной сложившийся кризис. Долгое время попытки ученых в этом вопросе были тщетны, И лишь спустя почти четверть века после первого опыта Майкельсона выход из создавшегося положения в 1905 году предложил молодой Альберт Эйнштейн, опубликовав свою первую работу по теории относительности “К электродинамике движущихся тел”.

Анализируя результаты опытов Физо и Майкельсона, Эйнштейн в своей работе приходит к выводу, что следует отказаться от введения понятия эфира, так как предположение о том, что эфир покоится одновременно в двух системах (в системе, связанной с Землей, в опыте Майкельсона и в неподвижной системе в опыте Физо), является абсурдным.

В свое время опыт Физо был объяснен наличием мирового неподвижного эфира, в котором движутся все тела. Опыт Майкельсона опроверг эту гипотезу: скорость света относительна Земли всегда имела одно и то же значение независимо от того. движется ли Земля в направлении движения луча света или навстречу лучу. Это можно было бы объяснить движением Земли вместе с околоземным эфиром, в котором распространяется луч света- О возможности такого объяснения говорит и Эйнштейн, но тогда становится непонятным опыт Физо, показавший, что тело не движется вместе с эфиром.

Как было установлено наукой много позднее, перемещающееся на Земле тело в опыте Физо действительно не движется вместе с эфиром внутри тела, так как этот эфир удерживается силой гравитации Земли.

Однако Эйнштейн приходит к отказу от эфира не только на основании анализа опытов Физо и Майкельсона, но и в результате анализа всей истории развития физики, показанной в великолепно написанной книге “Эволюция физики”.

Не найдя механического объяснения эфира, Эйнштейн выносит смертельный приговор эфиру: “Все наши попытки сделать эфир реальным провалились. Он не обнаружил ни своего механического строения, ни абсолютного движения. Все попытки открыть свойства эфира привели к трудностям и противоречиям. После стольких неудач наступает момент, когда следует совершенно забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем” (20,с. 34).

Обосновав отказ от эфира и то, что все явления в природе нельзя объяснить с механистической точки зрения, Эйнштейн приходит к мысли о несовершенстве основ классической физики. Он задумывает теорию, которая исправила бы основы классической физики, помогла выйти из создавшегося кризиса и послужила бы основой для дальнейшего развития теоретической физики.

Созревший в физике кризис указывал на необходимость смены парадигмы в естествознании.

Содержательная база парадигм в естествознании всегда строилась на выборе соответствующего принципа относительности, соответствующей геометрии пространства и постулировании существования некой универсальной среды, переносящей взаимодействия. Во времена Ньютона господствовали геометрия Евклида, принцип относительности Галилея, а на роль субстанции, переносящей взаимодействия, претендовал эфир. И вот эфир был отвергнут. Одна из трех опор, поддерживающих старую парадигму, рухнула. Но оказывается, к концу XIX века и две другие были сильно подточены.

Давайте вспомним, каким представлялся мир ученым во времена Ньютона. Абсолютное, везде одинаковое, ни с чем не связанное, ни от чего не зависящее время. Абсолютное, всюду однородное пространство, с абсолютной, везде одинаковой и тоже ни от чего не зависящей геометрией. В таком абсолютном пространстве и таком абсолютном времени существует, подчиняясь физическим законам, вся материя. Например, закон всемирного тяготения определяет зависимость силы взаимного притяжения тел от величины их масс и расстояния между ними. И, конечно, все ученые были убеждены, что ни массы, ни силы, ни связывающие их законы не зависят от времени и пространства, так же как время и пространство ни от чего не зависят.

И вот в 1826 году дерзкий смутьян из России Н. И. Лобачевский заявил: “Это не так. С силами, с массами тесно связано само время, от них зависит и строение пространства, то есть его геометрия” (105, с. 51).

Но что означает зависимость геометрии от сил или от масс? Она означает, что пространство не является абсолютным и однородным, что геометрия его определяется величиной и распределением масс. Нет абсолютного, ни от чего не зависящего пространства, одинакового для всех. Нет и абсолютного времени, которое для всех текло бы совершенно одинаково. То есть наше реальное пространство оказывается неевклидовым. Искривление пространства прямо следует из основного уравнения Н. И. Лобачевского. Таким образом, путы, сковавшие геометрию со времен Евклида, первым разорвал Н. И. Лобачевский. Он построил более широкую геометрическую систему — пангеометрию, которая не отвергала, не сменяла геометрию Евклида, а просто отвела ей скромное место частного случая. Позже Б. Риман расширил содержание геометрии так, что и творение Лобачевского стало частным случаем. Геометрия Евклида представляла геометрию пространства с нулевой кривизной, геометрия Лобачевского — с отрицательной кривизной, а геометрия Римана — с положительной кривизной.

Таким образом, необходимость разработки новой парадигмы в начале XX века была очевидна: эфир отвергнут. пространство — неевклидово (имеет кривизну) и не абсолютно.

И вот в такой ситуации Эйнштейн взялся за разработку новой теории относительности, которая для современной физики явилась тем же, чем была для классической физики механика Ньютона.

Все просто, когда уже найдено. И как неимоверно сложно, пока неизвестно, на каких подступах искать.

2.1.5. Немного о теории относительности

Ньютон, прости меня. В свое время ты нашел тот единственный путь, который был пределом возможного для человека величайшего ума и творческой силы.

А. Эйнштейн (105. с. 573)

Уже в первой работе по теории относительности “К электродинамике движущихся тела" Эйнштейн отмечает, что эта теория базируется на двух основных принципах, принимаемых в качестве исходных постулатов.

Первый постулат является обобщением принципа относительности Галилея на любые физические процессы. Второй постулат выражает принцип постоянства скорости света.

Следуя своей философской концепции о том, что теория должна вытекать из опыта, Эйнштейн ставит свет в особое положение — канонизирует его, считая, что свет относительно любых движущихся тел всегда имеет одну и ту же скорость. Мысль о таком особом положении света настолько овладевает Эйнштейном, что он возводит ее в закон постоянства скорости света, сформулированный им в работе “О принципе относительности” следующим образом; *..-Закон постоянства скорости света в пустоте должен выполняться для движущихся относительно друг друга наблюдателей таким образом, что один и тот же луч света имеет одну и ту же скорость относительно всех этих наблюдателей” (20, с. 37).

Этот закон становится важной основой для разработки специальной теории относительности (СТО).

Следует отметить, что сегодня в мире ученых отношение к СТО двоякое. Большая часть ученых считает специальную теорию относительности современной физической теорией пространства—времени (70. с. 55). Другая часть ученых относится к СТО крайне отрицательно, считая ошибочными закон постоянства скорости света и преобразования Лоренца, использованные в качестве математической основы этой теории (20, 22, 79).

Но два постулата, лежащие в основе СТО, несовместимы, поскольку, согласно принципу относительности Галилея, один и тот же луч света не может иметь одну и ту же скорость относительно наблюдателей, движущихся относительно друг друга.

Эйнштейн упорно ищет выход из создавшегося положения и находит его в пересмотре важнейших положений классической физики — абсолютности пространства и времени.

Опираясь на геометрию Римана и Лобачевского, Эйнштейн вводит понятия относительности пространства и времени, под которой понимается изменение размеров тела (пространства) и хода времени в разных системах отсчета. То есть, если пространство и время относительны, то размер единицы длины (например, метра) и длительность единицы времени (например, секунды) в подвижной и неподвижной системах отсчета имеют разные величины.

В работе “Что такое теория относительности?” Эйнштейн отмечает, что принципы относительности и постоянства скорости света являются непримиримыми, но “специальная теория относительности сумела их примирить ценой видоизменения кинематики, иначе говоря, ценой изменения физических представлений о пространстве и времени” (70, с. 60).

Ну как тут не вспомнить шутливое стихотворение неизвестного, к сожалению, автора.

Итак, в специальной теории относительности Эйнштейн обосновал новую кинематику, базирующуюся на относительности пространства и времени, благодаря чему ему удалось выдвинутый им закон постоянства скорости света подчинить принципу относительности.

Кроме того, в специальной теории относительности Эйнштейну удалось установить органическую связь между пространством и временем и объединить их в единый пространственно-временной континуум — “пространство-время”. Оказалось, что для описания физических процессов необходимо использовать четырехмерное пространство-время, положение точки в котором определяется тремя пространственными координатами X, Y, Z и временной координатой ct, где с = 300 000 км/с — скорость света в пустоте (70, с. 74). Геометрические свойства такого пространства-времени описываются геометрией Евклида.

Это положение специальной теории относительности не вызывает противоречивых суждений со стороны ученых.

Разработав специальную теорию относительности, Эйнштейн задумывается о том, как на новую научную базу поставить вопросы гравитации, то есть как разработать теорию гравитации (тяготения). Такая теория была им разработана в общей теории относительности (ОТО), называемой также теорией тяготения.

Закон всемирного тяготения Эйнштейна сформулирован так: движение масс вызывается искривлением пространства, искривление пространства вызывается населяющей его материей (105, с, 273).

Эйнштейн заменил бесконечную “плоскую ньютонову” Вселенную безграничной, но конечной Вселенной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как искривляется любая замкнутая поверхность.

Согласно теории тяготения, геометрические свойства пространства-времени зависят от распределения в пространстве тяготеющих масс и их движения. Подобно тому, как вокруг движущихся электрических зарядов создается электромагнитное поле, так в пространстве, окружающем всякое тело, создается поле тяготения.

Вся безграничная Вселенная наполнена телами, будь то гигантские звезды или мельчайшие частицы космической пыли. Массы этих тел (величина масс, их взаимное расположение, их относительное движение) создают поля тяготения, гравитационные поля, которые существуют и меняются в пространстве и времени, И свойства этих полей накладывают неизгладимый отпечаток на то пространство и то время, в котором они существуют. Тяготеющие массы искривляют четырехмерный мир пространства-времени, в котором движутся тела. В свою очередь, это искривленное пространство-время-поле тяготения определяет движение масс, их траекторию и их скорость.

Получается тесная взаимная связь: массы рождают поле, поле управляет движением, поведением масс.

Геометрия такого искривленного четырехмерного мира уже не будет евклидовой,

Таким образом, тела, создающие гравитационные поля, “искривляют" реальное трехмерное пространство и по-разному изменяют ход времени в различных его точках. Поэтому движение тела в поле тяготения оказалось возможным рассматривать как движение по инерции, но в искривленном пространстве-времени-

Подводя итоги, можно сказать, что Эйнштейн впервые показал глубокую взаимосвязь абстрактного геометрического понятия кривизны пространства-времени с физическими проблемами гравитации. Ему удалось представить гравитационные поля через кривизну четырехмерного пространства-времени.

Своей выдающейся работой по теории относительности Эйнштейн разорвал путы, сковавшие механику. Теория относительности не отвергла механику Ньютона- Она отвела ей более скромное место науки, справедливой для движений, медленных по сравнению со скоростью распространения света.

На основании своей теории Эйнштейн предсказал два неизвестных ранее эффекта — искривление траектории светового луча в поле тяготения и уменьшение частоты света, проходящего вблизи больших масс, — и объяснил странности в смещении перигелия Меркурия. Эти эффекты теория тяготения Ньютона не объясняла. Когда эффекты, указанные Эйнштейном, были подтверждены экспериментально, общая теория относительности получила всеобщее признание.

“Создание ОТО представлялось мне тогда и представляется сейчас величайшим достижением человеческого мышления в познании природы, поразительным сочетанием философской глубины, физической интуиции и математического искусства”, — писал один на основателей квантовой механики Макс Борн (105, с. 286).

В теории относительности материальной средой, взаимодействующей с тяготеющими телами, является само Мировое пространство. Оно взяло на себя некоторые (но далеко не все) функции прежнего эфира. После того, как максвеллово понятие поля было распространено Эйнштейном и на гравитацию, физические поля приняли на себя обязанность передачи действия. Потребность в прежнем эфире исчезла, С появлением теории относительности поле стало первичной физической реальностью, а не следствием какой-то другой реальности.

Само свойство упругости, столь важное для эфира, оказалось у всех материальных тел связанным с электромагнитным взаимодействием частиц. Говоря иными словами, не упругость эфира давала основу электромагнетизму, а электромагнетизм служил основой упругости вообще.

Упругие свойства “пустого” пространства описываются десятью так называемыми вакуумными уравнениями Эйнштейна (110, с. 7), которые не содержат никаких констант и записаны в криволинейных координатах (23, с. 67). Позже академик Я. Б. Зельдович выскажет следующее предположение по поводу упругости пространства: "Вакуумные уравнения Эйнштейна описывают упругость пространства. Может быть эта упругость целиком определяется эффектами поляризации вакуума” (69. с. 103), Как показало время, Зельдович оказался прав.

Так что же, значит, мировая материальная среда стала физике не нужна? Значит, надо возвращаться к пустоте? Пожалуй, следует сказать так: эфир в свое время действительно придумали потому, что он был нужен; в начале XX века надобность в старом эфире со всем набором противоречивых свойств отпала; однако, как полагал сам творец теории относительности, некая вездесущая материальная среда все-таки должна была существовать и обладать определенными свойствами.

Позднее эту новую материальную среду Эйнштейн вновь предлагал назвать эфиром. В двадцатые годы нашего столетия, уже после публикации классических трудов по специальной и общей теории относительности Эйнштейн не раз повторял в статьях: “Эфир существует. Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира. ”Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами” (69, с, 56).

Но “континуум, наделенный физическими свойствами”, — это не прежний эфир, У Эйнштейна определенными (новыми для науки) физическими свойствами наделяется само пространство. Для общей теории относительности этого достаточно, никакая особая материальная среда сверх того в этом пространстве ей не нужна. В конце концов, общая теория относительности есть теория гравитации — не больше и не меньше. Однако само пространство с новыми физическими свойствами можно было бы вновь назвать эфиром.

Но в современной физике "власть над миром” вместе с теорией относительности делит квантовая теория поля. Она же, со своей стороны, обнаружила в пространстве Эйнштейна весьма специфическую материальную среду с необычными свойствами. Материальная среда, общая для теории относительности и для квантовой теории поля, была названа физическим вакуумом. Наука не решилась снова вернуться к термину ”эфир”,

Итак, в начале XX века была принята в естествознании новая научная парадигма, содержательной базой которой являлись принцип относительности Эйнштейна, геометрия пространства Римана—Эйнштейна и универсальная материальная среда — физический вакуум.

В заключение стоит подчеркнуть, что ни одна другая теория не оказала такого революционного влияния на физику и науку в целом, как теория относительности Эйнштейна (по масштабам теорию Эйнштейна можно сравнить только с теорией Ньютона, заложившего основы современного естествознания). Отказавшись от привычных представлений, Эйнштейн предложил совершенно новые толкования пространства, времени и массы, что потребовало коренной перестройки основных понятий и идей,

Как любопытный факт, отметим, что Эйнштейн не получил Нобелевской премии ни за одну из своих работ по теории относительности. (В 1921 году он был удостоен Нобелевской премии за теорию фотоэффекта, опубликованную еще в 1905 году.) Это, несомненно, свидетельствует о том, что теория относительности показалась прежним нобелевским лауреатам, обсуждавшим новые кандидатуры, слишком радикальной (79, с. 428).

2.1.6. О квантовой механике

Те, кого первое знакомство с квантовой теорией не повергло в шок, скорее всего, вовсе ее не поняли.

Макс Борн

В начале XX века были обнаружены две группы явлений (казалось, не связанные между собой), свидетельствующие о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики Максвелла к процессам, происходящим в атоме. Первая группа явлений была связана с установлением на опыте двойственной природы света — дуализмом света; вторая — с невозможностью на основе классических представлений объяснить существование устойчивых атомов, а также их оптические спектры,

Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их привели, в конечном счете, к открытию законов квантовой механики.

Впервые понятие кванта было введено немецким физиком М. Планком в 1900 году. Исходя из результатов экспериментов, он высказал идею о том, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями-квантами. Позднее, развивая идею Планка, Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть дискретность присуща самому свету; свет состоит из отдельных порций — световых квантов, позднее названных фотонами. Кроме того, Эйнштейн обосновал идею квантования энергии — деление энергии на порции(18,с.254),

В 1922 году американский физик А. Комптон экспериментально доказал, что свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, то есть свет является одновременно и волной, и частицей. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать свет волной, а для объяснения других явлений — корпускулой. "Фундаментальные физические сущности микромира — частицы и волны — выявили невиданную ранее в опытах способность заявлять о себе лишь в момент их наблюдения, проявляясь или как волна, или как частица” (35, с. 4). И по существу именно разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщем корпускулярно-волновом дуализме, по которой не только фотоны, но и все “обыкновенные частицы” (протоны, нейтроны, электроны и т. д.) также обладают волновыми свойствами. Позднее эта гипотеза была подтверждена экспериментально, Австрийский физик Э. Шредингер в 1926 году вывел уравнение, описывающее поведение таких “волн” во внешних силовых полях. Так возникла волнован механика, а уравнение Шредингера явилось основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. А в основу релятивистской квантовой механики легло релятивистское уравнение, описывающее движение электрона во внешнем силовом поле, полученное английским физиком П. Дираком двумя годами позже.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории произошло после появления работ В. Гейзенберга о принципе неопределенности и Н. Бора о принципе дополнительности.

Принцип неопределенности утверждает, что “любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные точные значения” (18, с. 465). Что это значит?

Существенной чертой микроскопических объектов является их корпускулярно-волновая природа. Состояние частицы полностью определяется волновой функцией. Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля- Поэтому результаты экспериментов по определению, например, координаты, имеют вероятностный характер, Это означает, что при проведении серии одинаковых опытов над одинаковыми системами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, то есть будут появляться чаще. Причем, чем точнее будет определена координата, тем менее точным будет значение импульса.

Таким образом, квантовые “законы” не имеют абсолютной природы законов Ньютона, вся квантовая теория строится на вероятности. И если классическая физика может предсказать точные результаты еще до эксперимента, то квантовая физика может предсказать только вероятности.

К принципу дополнительности, сформулированному Н. Бором, физики пришли, когда обнаружили, что при экспериментах с элементарными частицами исследователь сам же с помощью своих собственных действии себе мешает. Принцип Бора гласит: получение в эксперименте информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к данным (69, с. 71).

Об элементарных частицах мы что-то узнаем обычно по результатам их встреч с другими частицами, играющими роль зондов. В квантовом мире такие встречи частиц изменяют их свойства. А приборы, в которых мы регистрируем частицы, по своей природе всегда — объекты макроскопические. Прибор искажает то, что исследует. Сам акт наблюдения изменяет наблюдаемое. Объективная реальность зависит от прибора, то есть в конечном счете, от произвола наблюдателя. Последний Превращался, таким образом, из зрителя в действующее лицо. Поэтому один из "отцов" квантовой механики Бор считал, что натуралист познает не саму реальность, а лишь собственный контакт с ней (35, с. 4).

Некоторые физики, например Е, Вагнер, начали изучать вопрос о влиянии сознания наблюдателя на результаты измерений квантовой физики (50, с, 220). В результате всей этой неопределенности, вероятности и дополнительности Нильс Бор дал так называемую “копенгагенскую” интерпретацию сути квантовой теории: “Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной” (94, с. 81). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что “компенгагенизм” постулирует Вселенную, которая магически создается человеческой мыслью.

По этому поводу Эйнштейн как-то сказал, что если, согласно квантовой теории, наблюдатель создает или частично создает наблюдаемое, то мышь может переделать Вселенную, просто посмотрев на нее. Поскольку это кажется абсурдом, Эйнштейн заключил, что в квантовой физике содержится какой-то большой нераспознанный изъян.

Как же в таком случае следует расценивать фундаментальную неопределенность (индетерминизм) в квантовой теории?

Можно предположить, что индетерминизм лежит в основе Мира, а обсуждаемая особенность квантовой теории есть адекватное отображение этого Мира. Именно этой точки зрения придерживались Бор, Гейзенберг, Борн, Дирак, Паули и многие другие.

Но существовало и другое мнение, а именно: в основе природы лежит какая-то разновидность детерминизма (определенности), например, статистического характера в духе скрытых параметров, которая пока ускользает из поля зрения исследователей. Такой точки зрения придерживались Планк, Эйнштейн, Де Бройль, Шредингер. Лоренц, которые с самого начала отвергали “копенгагенизм”, настаивая на том, что в конце концов будет найден способ утвердить “реальность” даже в квантовом мире (109, с. 20).

В частности, Эйнштейн считал, что квантовая теория в существующем виде просто является незаконченной. То есть, то, что мы пока не можем избавиться от неопределенности, не свидетельствует об ограниченных возможностях научного метода, как утверждал Бор, а говорит лишь о незавершенности квантовой механики- В конце концов, аргумент Эйнштейна вырос в гипотезу о существовании так называемой скрытой переменной.

Можно только поражаться титанической интуиции Эйнштейна, более 30 лет боровшегося с тем направлением развития, которое приняла квантовая физика при его жизни: “...Я беспрестанно искал другой путь для решения квантовой загадки... Эти поиски обусловлены глубокой, принципиального характера неприязнью, которую мне внушают основы статистической квантовой теории” (79, с. 435), Эйнштейн выступал против принципа неопределенности, за детерминизм, против той роли, которую в квантовой механике отводят акту наблюдения (влиянию измерительного прибора). Он полагал, что квантовая теория может стать более совершенной на пути расширения общего принципа относительности (26, ч. 2, с. 48).

Внешнюю, открытую борьбу Эйнштейн вел долго и упорно. Он шел с открытым забралом на защиту своих интересов, придумывал все новые, самые изощренные аргументы и опыты — экспериментальные и логические — для доказательства своей правоты. Потом Н. Бор не раз отмечал, насколько важной и плодотворной для развития квантовой механики стала эта длительная дуэль с Эйнштейном. Признавая себя побежденным в каждом бою, Эйнштейн продолжал верить, что истина все же на его стороне, и страстно продолжал искать ее. Потому что истина была для него дороже всего.

В 1947 году Эйнштейн писал Максу Борну, одному из основоположников квантовой механики: “В наших научных взглядах мы развились в антиподы. Ты веришь в играющего в кости Бога, а я — в полную закономерность объективно сущего... В чем я твердо убежден, так это в том, что в конце концов остановятся на теории, в которой закономерно связанными будут не вероятности, но факты” (79, с. 435). Как показало дальнейшее развитие науки, Эйнштейн оказался прав.

Однако существование двух принципиально различных направлений в подходе к квантовой физике характеризует кризис в понимании физической реальности, который длится вот уже более полувека. Буквально до последнего времени дискуссии подлежали следующие вопросы (26. ч. 1, с, 9).

1. Что такое волновая функция в уравнениях Шредингера и Дирака, то есть какое физическое поле она представляет?

2. Существуют ли детерминизм и причинность в области микромира?

3. Каков образ квантовой частицы?

4. Полна ли квантовая механика?

На все эти вопросы удалось найти ответ только в последнее десятилетие уходящего века.

В 1965 году доктор Джон С. Белл опубликовал работу, которую физики кратко называют "теоремой Белла” (94,с.181).

Теорема Белла утверждает: если некоторая объективная Вселенная существует и если уравнения квантовой механики структурно подобны этой Вселенной, то между двумя частицами, когда-либо входившими в контакт, существует некоторый вид нелокальной связи.

Стоит напомнить, что классический тип нелокальной связи — это “магическая” связь.

Все доквантовые модели мира, включая теорию относительности Эйнштейна, предполагали, что любые корреляции (взаимозависимости) требуют связей. В ньютоновской физике — связь механическая и детерминистская; в термодинамике — механическая и статистическая; в электромагнетизме эта связь выступает как пересечение или взаимодействие полей; в теории относительности — как результат искривления пространства, но в любом случае корреляция предполагает некоторую связь. В качестве простой модели мира все физики доквантовой эпохи принимали биллиардный стол. Если лежащий на нем шар приходит в движение, причина лежит в механике (удар другого шара), полях (воздействие электромагнитного поля толкает шар в определенном направлении) или геометрии (стол наклонен). Но без причины шар двигаться не будет(36,с.12).

Однако Белл математически очень точно доказал, что должны иметь место нелокальные эффекты, если квантовая механика действует в наблюдаемом мире. То есть, если на биллиардном столе шар А внезапно поворачивается по часовой стрелке, то в этот же момент на другом конце стола шар Б так же внезапна повернется против часовой стрелки.

Действительно, экспериментально был открыт ряд эффектов, объяснить которые можно было только влиянием некой потусторонней силы. Например, парадокс Эйнштейна—Подольского—Розена (ЭПР-парадокс), Когда ученые в сильном магнитном поле расщепили частицу атома, обнаружилось, что разлетающиеся осколки мгновенно имеют информацию друг о друге. Между осколками распавшейся частицы сохраняется связь, вроде переносной рации, так что каждый в любой момент знает, где находится другой и что с ним происходит (76, с. 232). Поскольку никакого разумного объяснения этому факту не было, среди научной общественности практически единодушно существовало мнение, что ЭПР-парадокс имеет “метафизический” характер (109, с. 21).

В теореме Белла, которую весьма тщательно проверил физик Д. Бом, нет ошибок, а подтверждающие ее эксперименты были многократно повторены доктором А. Аспектом из Орсе (96, с. 279). Причем нелокальные корреляции так же четко проявлялись в эксперименте, как и в уравнениях (в теории).

Теорема Белла поставила ученых перед выбором между двумя “неприятностями”; либо примириться с фундаментальной неопределенностью квантовой механики, либо, сохранив классическое представление о причинности, признать, что в природе действует нечто вроде телепатии (эйнштейновская нелокальность).

С точки зрения Бома, эксперименты Аспекта поддержали позиции нелокальных скрытых переменных, существование которых предположил Эйнштейн.

Учитывая необычность и важность теоремы Белла, подтвержденной экспериментально, еще раз подчеркнем ее суть: не существует изолированных систем; каждая частица Вселенной находится в “мгновенной” связи со всеми остальными частицами. Вся Система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т. д., функционирует как Единая Система (96, с. 278). При этом мгновенная “связь”, описываемая теоремой Белла, не требует затрат энергии.

Доктор Джек Саффатти высказал предположение, что средством белловской связи должна служить информация. А физик доктор Э, Г. Уокер считал, что неизвестным элементом, передвигающимся быстрее света и соединяющим систему воедино, является “Сознание”.

Забегая вперед, укажем, что, согласно современным научным исследованиям, Сознание следует понимать как высшую форму развития информации — творящую информацию, Носителем информации в Тонком Мире являются торсионные поля, которые распространяются мгновенно и без затрат энергии, И сегодня, например, после разработки концепции физического вакуума ЭПР-парадокс объясняется как особого рода торсионное взаимодействие (109, с. 8). А это предполагает связь торсионного взаимодействия с эйнштейновской нелокальностью. Совсем недавно еще раз были поставлены корректные эксперименты (Беннет, Зайлинер), доказывающие обоснованность ЭПР-парадокса и подтверждающие идею о том, что сознание есть физическая реальность (114,с, 25).

2.1.7. Море Дирака

Создателям квантовой механики поначалу было не до эфира, им хватало забот с непривычным новым миром, где энергия дробилась на порции, волна оказывалась частицей, а частица — волной.

Но теория относительности и теория квантовой механики должны были встретиться и начать как-то учитывать открытия, сделанные каждой из них, уже потому, что элементарные частицы способны двигаться почти со скоростью света, а фотоны же вообще движутся только со световой скоростью.

Первым начал процесс объединения двух теорий английский физик Поль Дирак. Частиц тогда — к 1928 году — было известно только три: фотон, электрон и протон. Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света); электрон — элементарная частица, обладающая положительной энергией и отрицательным (как условились считать) зарядом, был открыт Томсоном в 1891 году; протон — стабильная элементарная частица, ядро атома водорода.

Самым “старым” был электрон. С ним физики были знакомы уже десятки лет. Понятно, что с электронов и следовало начинать.

Поль Дирак составил уравнение, которое описывало движение электронов с учетом законов и квантовой механики и теории относительности и получил неожиданный результат. Формула для энергии электрона давая два решения: одно соответствовало уже знакомому электрону, частице с положительной энергией, другое — частице, у которой энергия была отрицательной. В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией и положительным зарядом (18, с. 163).

Дирак обратил внимание на то, что нереальные частицы с отрицательной энергией возникают из своих положительных “антиблизнецов”. Используя результаты экспериментов швейцарского ученого В. Паули, Дирак сделал потрясающий вывод: “Этот океан (физический вакуум) заполнен электронами без предела для величины отрицательной энергии, и поэтому нет ничего похожего на дно в этом электронном океане” (69, с. 16). Сравнение с океаном (или морем) оказалось удачным. Вакуум нередко называют “морем Дирака”. Мы не наблюдаем электронов с отрицательной энергией именно потому, что они образуют сплошной невидимый фон, на котором происходят все мировые события (83, с. 16).

Чтобы лучше понять это положение, рассмотрим такую аналогию. Человеческий глаз видит только то, что движется относительно него. Очертания неподвижных предметов мы различаем только потому, что человеческий зрачок сам постоянно движется, А многие животные (например, лягушка), не обладающие таким аппаратом зрения, способны, не двигаясь, видеть только движущиеся предметы.

Все мы, живущие в “море Дирака”, оказываемся по отношению к нему в положении лягушки, застывшей на берегу пруда в ожидании неосторожного насекомого. Летящее насекомое она увидит и не шелохнувшись, а пруд в безветренную погоду без бегущей по воде ряби для нее невидим. Так и для нас: фоновые электроны мы не видим, а в роли насекомого выступают редкие по сравнению с фоновыми электронами частицы с положительной энергией.

В 1956 году П. Дирак приезжал в Москву и выступил там с лекцией “Электроны и вакуум”. Он напомнил в ней, что мы не так уж редко встречаемся в физике с объектами, вполне реально существующими и тем не менее до случая никак себя не проявляющими. Например, невозбужденный атом, находящийся в состоянии наименьшей энергии. Он не излучает, значит, если на него никак не действовать, он останется ненаблюдаемым. В то же время мы точно знаем, что и такой атом не представляет собой нечто неподвижное: электроны движутся вокруг ядра, и в самом ядре идут обычные процессы.

Океан ненаблюдаем только до тех пор, пока на него не подействуют определенным образом. Когда же в “море Дирака” попадает, скажем, богатый энергией световой квант — фотон, то он при определенных условиях заставляет “море” выдать себя, выбивая из него один из многочисленных электронов с отрицательной энергией. И, как утверждает теория, родятся сразу две частицы, которые можно будет обнаружить экспериментально: электрон с положительной энергией и отрицательным электрическим зарядом и антиэлектрон тоже с положительной энергией, но еще и с положительным зарядом.

В подтверждение теории Дирака в 1932 году американский физик К. Д. Андерсон экспериментально обнаружил антиэлектрон в космических лучах и назвал эту частицу позитроном (18, с, 59).

Теперь уже доказано, что для каждой элементарной частицы в нашем мире существует и античастица.

Все это не придумано, а открыто, обнаружено, тысячекратно проверено и перепроверено, А теоретической основой для открытий послужил дираковский физический вакуум.

Знаменитый физик В. Гейзенберг подчеркивал принципиальное значение работ Дирака над проблемой вакуума. До них считалось, что вакуум есть чистое “ничто”, которое, что бы с ним ни делать, каким преобразованиям ни подвергать, измениться не способно, всегда оставаясь все тем же ничем. Теория Дирака открыла путь к преобразованиям вакуума, в которых прежнее “ничто” обращалось бы во множество пар частица-античастица.

Одной из особенностей вакуума является наличие в нем полей с энергией, равной нулю и без реальных частиц. Это электромагнитное поле без фотонов, это пионное поле без пи-мезонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитронов.

Но раз есть поле, то оно должно колебаться. Такие колебания в вакууме часто называют нулевыми потому, что там нет частиц. Удивительная вещь; колебания поля невозможны без движения частиц, но в данном случае колебания есть, а частиц нет! Как это можно объяснить? Физики считают, что при колебаниях рождаются и исчезают кванты. Колеблется электромагнитное поле — рождаются и пропадают фотоны, колеблется пионное поле — появляются и исчезают пи-мезоны и т, д. Физика сумела найти компромисс между присутствием и отсутствием частиц в вакууме. Компромисс такой: частицы рождаются при нулевых колебаниях, живут очень недолго и исчезают, Однако, получается, что частицы, рождаясь из “ничего” и приобретая при этом массу и энергию, нарушают тем самым неумолимый закон сохранения массы и энергии. Тут вся суть в том “сроке жизни”, который отпущен частицам: он настолько краток, что “нарушение” законов можно лишь вычислить теоретически, но экспериментально это наблюдать нельзя. Родилась частица из “ничего” и тут же умерла. Например, время “жизни” мгновенного электрона, примерно, 10-21 секунды, а мгновенного нейтрона 10-24 секунды. Обычный же свободный нейтрон живет минуты, а в составе атомного ядра даже неопределенно долго, как и электрон, если его не трогать.

Поэтому частицы, живущие так мало, что этого в каждом конкретном случае и заметить нельзя, назвали, в отличие от обычных, реальных, — виртуальными, В точном переводе с латыни — возможными. Но считать, что данные частицы только возможны, а па самом деле их нет — неверно. Эти “возможные” частицы в вакууме вполне реально воздействуют, как это наблюдается в точных экспериментах, на вполне реальные образования из безусловно реальных частиц и даже на микроскопические тела (69, с. 67). И если отдельную виртуальную частицу физика обнаружить не может, то суммарное их воздействие на обычные частицы фиксируется отлично.

Наблюдать воздействие вакуумных виртуальных частиц оказалось возможно не только в опытах, где изучаются взаимодействия элементарных частиц, но и в эксперименте с макротелами- Две пластины, помещенные в вакуум и приближенные друг к другу, под ударами виртуальных частиц начинают притягиваться. Этот факт был открыт в 1965 году голландским теоретиком и экспериментатором Гендриком Казимиром.

По сути, абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными элементарными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы, в свою очередь, тоже влияют.

Оказалось также, что виртуальные частицы возникают не только в вакууме. Их порождают и обычные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

Реальный электрон притягивает к себе виртуальные позитроны и отталкивает виртуальные электроны — по знакомому нам закону притяжении разноименных и отталкивания одноименных электромагнитных зарядов. В результате вакуум поляризуется, поскольку заряды в нем оказываются разделенными пространственно. Электрон оказывается окруженным слоем виртуальных позитронов. И каждая элементарная частица движется в сопровождении целой свиты из виртуальных частиц. Такое облако виртуальных частиц вокруг частицы реальной часто называют шубой и даже не ставят кавычек. Такая виртуальная шуба мешает разглядеть саму реальную частицу.

Член-корреспондент АН СССР Д. И. Блохинцев писал: “...В результате поляризации вакуума вокруг заряженной частицы создается связанная с ней „атмосфера"”.

Резерфордовскую модель атома, так напоминающую Солнечную систему, пришлось заменить другой, где вокруг ядра летает не твердый шарик, а размазанное по орбите облако, а частицы ядра удерживаются вместе благодаря обмену другими частицами.

Огромная заслуга Дирака заключается в том, что он разработал релятивистскую теорию движения электрона, предсказавшую позитрон, аннигиляцию (исчезновение) и рождение из вакуума электронно-позитронных пар. В 1933 году совместно с физиком Э. Шредингером он был удостоен Нобелевской премии (18, с. 399).

Дальнейшие исследования квантовой физики были посвящены, в частности, изучению возможности появления из вакуума реальных частиц. Что если на вакуум подействовать каким-нибудь полем, которое несет в себе энергию, достаточную, чтобы, по крайней мере, некоторые виртуальные частицы превратить в реальные?

Еще в 1939 году Э. Шредингер теоретически обосновал ситуацию, при которой из вакуума должны рождаться реальные частицы. Но уравнение, полученное им, оказалось, по крайней мере на время, мудрее своего творца. Шредингер посчитал возможность рождения реальной частицы из вакуума недостатком теории, из которой исходил в своих рассуждениях и размышлениях.

Стоит отметить, что в 1934 году Э, Шредингер был избран почетным членом АН СССР в знак признания его выдающихся заслуг (95, с, 130). В 90-х годах, когда было открыто пятое фундаментальное взаимодействие — информационное, ученые поняли, какие именно поля должны воздействовать на физический вакуум с целью получения реальных частиц. Это оказались торсионные поля, служащие носителем информации в Тонком Мире, распространяющиеся с мгновенной скоростью и без затрат энергии.

Вот вам и предположения Эйнштейна, и теорема Белла, и исследования Бома, и эксперименты Аспекта.

Подводя итоги сказанному, подчеркнем следующее: квантовая физика доказала, что в вакууме в скрытом виде присутствуют частицы и античастицы, а квант своей энергией проявляет пару (электрон-позитрон), дает ей наблюдаемое и, так сказать, легальное положение в мире.

Именно квантовая физика сделала эйнштейновское пространство физическим вакуумом, заполнила это пространство материальной средой, не поссорившись с теорией относительности. Но союз квантовой физики и теории относительности мог достичь своего апогея только в результате создания Единой Теории Поля. Она должна быть тесным образом связана со свойствами физического вакуума, опираться в своих выводах на эти свойства и в то же время объяснять их.

2.1.8. Физический вакуум

“Наши современные представления об источнике всех частиц и полей связываются с физическим вакуумом — основным состоянием любого вида материи. С моей точки, зрения, проблема единой теории поля получила свое решение в теории физического вакуума”.

Г. И. Шипов (117.с. 19).

Древние философы Востока утверждали, что все материальные объекты возникают из великой пустоты, где постоянно совершаются акты творений реальности. Эта идея просматривается также и в физике, начиная с Ньютона и до наших дней, в стремлении увязать геометрию пространства событий и механику движения тел. Английский математик В. Клиффорд утверждал, что в физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства, а материя представляет собой сгустки пространства, своеобразные холмы кривизны на фоне плоского пространства. Идеи Клиффорда использовал и Эйнштейн, который в общей теории относительности впервые показал глубокую взаимосвязь абстрактного геометрического понятия кривизны пространства с физическими проблемами гравитации (23, с. 67; 24,с. 106).

В начале XX века при создании квантовой теории Дирака, с одной стороны, и теории гравитации Эйнштейна, с другой, в теоретической физике появился в качестве объекта исследования новый уровень реальности — физический вакуум; при этом разные по своей природе теории давали разные представления о нем. Если в теории Эйнштейна вакуум рассматривался как пустое четырехмерное пространство, наделенное геометрией Римана, то в квантовой теории Дирака вакуум (глобально нейтральный) представляет собой своего рода “кипящий бульон”, состоящий из виртуальных частиц — электронов и позитронов (25, с, 89).

Для того чтобы объединить два различных представления о вакууме и создать единую теорию гравитации и электромагнетизма, в которой электромагнитное поле также происходило бы из особых геометрических свойств пространства, Эйнштейном была выдвинута программа, получившая название программы Единой Теории Поля. Именно Эйнштейн последние 35 лет своей жизни пытался сформулировать общую теорию поля или, проще говоря, открыть формулу, которая описывает весь мир, а остальные научные истины вытекают из нее, Эйнштейн полагал, что существует какое-то общее поле, которое включает в себя все уже известные физические поля. Но найти это поле и создать Единую Теорию Поля Эйнштейну так и не удалось. Однако интуиция не обманула его и на этот раз. Как будет показано ниже, такое поле действительно существует.

Тем не менее, геометризация физических полей осталась привлекательной программой для теоретической физики.

Кривизна пространства оказалась не единственной его характеристикой. В 1922 голу Э. Картан обратил внимание на возможную связь некоторых физических величин с другим геометрическим понятием — кручением пространства. Его идеи были развиты и привели к созданию теории гравитации с кручением, а позднее в общем виде — квантовой теории полей с кручением (33,с.2),

Следующий шаг, ведущий к созданию ЕТП. сделал английский физик-теоретик Р. Пенроуз, опираясь на идеи кривизны и кручения пространства- Он показал, что в основу геометрии могут быть положены, помимо поступательных, и вращательные координаты, и они определяют свойства пространства и времени, Пенроуз записал вакуумные уравнения Эйнштейна в спиновом виде (23, с. 67).