Реферат: Физический вакуум

Реферат: Физический вакуум

Материальное квантовое поле

Современная теория поля придерживается материалистических взглядов на природу физического вакуума, рассматривая его как невозбужденное состояние полевой материи, что позволяет с единой точки зрения представить природу различных полевых процессов. Физический вакуум, представляя полевую форму материи, может оказывать давление на вещественную материю, что наблюдается экспериментально в эффекте Казимира. Таким образом, то, что физический вакуум представляет одну из форм материи - это экспериментальный факт.

«Очень важную роль играет состояние поля с наименьшей энергией, которое называется вакуумом.»

Физическая энциклопедия. ФИЗИКА.

Т.е. физический вакуум - это полевой вид материи, находящейся в невозбужденном состоянии. "Вакуумное состояние поля" правильнее называть "скалярным состоянием поля", так как нет зависимости от поворота системы координат, в отличие от электрических, магнитных и гравитационных потоков индукции, которые представляют векторные состояния поля.

«Слово "скаляр" означает, что эти поля не чувствительны к направлению в пространстве, в отличие от электрических, магнитных и других полей Стандартной Модели. Это открывает возможность таким полям заполнять все пространство, не противореча одному из наиболее доказанных принципов физики, согласно которому все пространственные направления одинаково хороши.»

Стивен Вайнберг. (Нобелевская премия по физике за 1979 год)

«... Дирак предположил, что состоянием с минимальной энергией (вакуумным состоянием) является состояние, в котором все уровни с отрицательной энергией заполнены.»

Физическая энциклопедия. ДИРАКА УРАВНЕНИЕ.

Т.е. энергия вакуумного состояния поля условно принята за минимальный нулевой уровень энергии, так как могут быть уровни как с положительной, так и с отрицательной энергией относительно нулевого состояния. Таким образом, нулевое значение энергии вакуума - это условность, так же как, например, нулевая линия на шкале Цельсия.

«... к представлению о вакууме как об особом типе материальной среды.»

Физическая энциклопедия. ДЫРОК ТЕОРИЯ ДИРАКА.

«... физическом вакууме как специфическом виде материи.»

Физическая энциклопедия. МАТЕРИЯ И ДВИЖЕНИЕ.

«С современной точки зрения вакуум (вакуумное состояние) обладает некоторыми свойствами обычной материальной среды.»

Физическая энциклопедия. ЭФИР.

Среда не может быть чуть-чуть материальной, она либо материальна, либо нет. Если вакуум обладает хотя бы одним физическим свойством, то он уже является материальной средой, представляя физический вакуум.

«... вакуум является универсальной средой, в которой возбуждается электромагнитное поле.»

Общий курс физики. Электричество. Д.В.Сивухин. 1996. Т.3. Ч.1. С.11.

«Однако позже выяснилось, что пустота - "бывший эфир" - носитель не только электромагнитных волн; в ней происходят непрерывные колебания электромагнитного поля ("нулевые колебания"), рождаются и исчезают электроны и позитроны, протоны и антипротоны и вообще все элементарные частицы. Если сталкиваются, скажем, два протона, эти мерцающие ("виртуальные") частицы могут сделаться реальными - из "пустоты" рождается сноп частиц. Пустота оказалась очень сложным физическим объектом. По существу, физики вернулись к понятию "эфир", но уже без противоречий. Старое понятие не было взято из архива - оно возникло заново в процессе развития науки. Новый эфир называют "вакуумом" или "физической пустотой".»

Академик А.Мигдал.

«Нулевые колебания - флуктуации квантовой системы (обычно квантового поля) в основном (вакуумном) состоянии. ... Это важно при учете гравитации, универсально взаимодействующей с любой формой энергии, в том числе и с вакуумной, ... эффект Казимира делает нулевые колебания наблюдаемыми.»

Физическая энциклопедия. НУЛЕВЫЕ КОЛЕБАНИЯ.

Таким образом, в природе не существует пустоты, а физический вакуум представляет материальную полевую среду, где даже в основном вакуумном состоянии наблюдаются нулевые колебания (флуктуации) поля. Все виды материи имеют флуктуации, так как на любом уровне, как микро, так и макро, не существует материи без движения.

«Такой вакуум нельзя рассматривать как просто пустое место. Физический вакуум является особым состоянием поля с важными физическими свойствами, которые проявляются в реальных процессах.»

Энциклопедия элементарной физики. ВАКУУМ.

Таким образом, в физике сложился дуализм - с одной стороны, для некоторых теорий нет необходимости в физическом вакууме, с другой стороны, экспериментально установлено и на сегодня уже общепризнано, что вакуум не является пустотой, представляя материальную среду, обладающую физическими свойствами.

С современной точки зрения вакуум обладает свойствами материальной среды, являясь состоянием поля с наименьшей энергией. Согласно квантовым представлениям, в вакууме могут образовываться состояния (возмущения) с положительными или отрицательными уровнями энергии относительно нулевого состояния. Материальный физический вакуум является универсальной средой, которая "прозрачна" для любых электромагнитных волн (поперечных, продольных, стоячих), т.е. и для частиц вещества - возбужденных состояний поля. Согласно электродинамике, электрическое смещение - это относительное смещение положительных и отрицательных электрических зарядов в электрически нейтральной среде Кл/м2. В вакууме, как в диэлектрике, аналогично токам поляризации может течь ток смещения - возникать электрическое смещение, т.е. вакуум обладает таким физическим свойством, как диэлектрическая проницаемость (в диэлектриках могут распространяться поперечные волны поляризационного смещения, при этом не имеет значения состояние диэлектрика - твердое, жидкое или газообразное). Так как могут распространяться поперечные возмущения (волны), кванты поля, совершая колебания как гармонические осцилляторы (отклоняясь от положения равновесия), находятся в связанном состоянии, т.е. кванты поля, представляя элементарные электрические заряды, при возмущениях поля смещаются (ток смещения) в зависимости от ориентации возмущений в продольном или поперечном направлении. Хотя на сегодня известны многие свойства квантового поля и можно условно представить его строение, вопрос о его физической природе остается открытым. В первом приближении квантовое поле можно представить как пространство, заполненное квантами заряда, т.е. все уровни физического вакуума заполнены квантами одного знака (теория дырок Дирака). Такое полевое пространство из зарядов одного знака можно рассматривать как упругую полевую среду, так как заряды находятся в связанном между собой состоянии, т.е. смещение кванта заряда приводит к смещению окружающих его зарядов, представляя отклонение от положения равновесия, которое как возмущение поля может распространяться в полевом пространстве. Кванты заряда всегда движутся (нет материи без движения), т.е. с квантами связано также магнитное поле (поток). Таким образом, квант поля представляет как электрический, так и магнитный квант - электромагнитный осциллятор. Например, Максвелл в разработанной им теории электромагнитного поля сравнивал электродинамический вакуум с жидкостью, условно представляя его состоящим из "молекулярных" (дискретных) связанных электрических зарядов (в то время еще не было терминов "кванты", "осцилляторы поля", а "молекулярность" означала "дискретность"), которые могут смещаться от положения равновесия, создавая ток смещения (вихревое электрическое поле). Токи при этом всегда замкнуты, так как заряды находятся в связанном состоянии. Такого представления было достаточно, чтобы предсказать электромагнитные волны. В дальнейшем, после того, как было установлено, что все электрические заряды (токи) дискретны, соответственно, и свойства электромагнитных волн также стали дискретными из-за дискретности токов смещения связанных электрических зарядов, которые при распространении волн совершают колебания как гармонические осцилляторы. Дискретность электромагнитных волн обнаружена экспериментально, что подтверждает правильность теории электромагнитного поля Максвелла о "молекулярной" (корпускулярной) природе электродинамического вакуума, т.е. о квантовой (дискретной) природе поля. Поэтому теорию электромагнитного поля Максвелла с современной точки зрения можно считать квантовой, а введенный им электрический ток смещения - квантовым током, т.е. любой ток всегда связан с движением (смещением) квантов поля - элементарных электрических зарядов. Надо наконец признать, что Максвелл предсказал не только электромагнитные волны, но и по сути предвидел квантовую ("молекулярную") природу электродинамического вакуума, т.е. заложил основы материалистической квантовой теории поля. Максвелл в своей теории на много лет опередил время. Представить, что вакуум на самом деле является диэлектриком, где связанные заряды представляют поле осцилляторов и, соответственно, все частицы могут быть только в виде волн, это очень необычно, даже сейчас, когда экспериментально установлено, что все частицы обладают волновыми свойствами, т.е. являются волнами квантового поля.

«Интерференция и дифракция наблюдались для электронов, нейтронов, атомных ядер, атомов, молекул.»

Физическая энциклопедия. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА.

Таким образом, экспериментально установлено, что частицы имеют волновую природу.

После того, как выяснилось, что все частицы представляют возбужденные (волновые) состояния поля, стало понятно, почему частицы могут беспрепятственно двигаться (распространяться) в полевом пространстве (физическом вакууме). Т.е. все частицы, аналогично фотону, перемещаются в полевом пространстве как волновые образования.

«... опыт показывает, ... у поля выявляются корпускулярные свойства, ...»

Физическая энциклопедия. ПОЛЯ ФИЗИЧЕСКИЕ.

«... путь перехода от классического к квантовому описанию электромагнитного поля лежит в классическом разложении поля на осцилляторы.»

Квантовая механика. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. 1972. С.267.

«... электромагнитное поле может быть представлено как совокупность бесконечно большого числа гармонических осцилляторов.»

ОТФ. Квантовая механика. И.В.Савельев. 1996. Т.2. С.343.

Т.е. квантовое электромагнитное поле можно представить в виде поля осцилляторов.

«Представим, что все пространство заполнено связанными между собой гармоническими осцилляторами. Каждый из них характеризуется координатами точки, в которой он находится. Получившееся поле осцилляторов, очевидно, имеет бесконечно большое число степеней свободы. В рассматриваемой системе могут распространяться волны колебаний этих связанных между собой осцилляторов. При переходе к квантовой механике классические величины, характеризующие каждый осциллятор (например, отклонение от положения равновесия), становятся операторами, а с каждой волной сопоставляется (согласно корпускулярно-волновому дуализму) частица, обладающая такими же, как и волна, энергией и импульсом (а следовательно, и массой). Эту частицу нельзя отождествлять ни с одним из осцилляторов поля в отдельности: она представляет собой результат процесса, захватывающего бесконечно большое число осцилляторов, и описывает некое возбуждение поля. Таким образом, изучение поля можно свести к рассмотрению квантованных волн (или частиц) возбуждений, их рождения и поглощения.»

Физический энциклопедический словарь. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ.

Т.е. с точки зрения квантовой теории частицы - это квантованные волновые образования, возбужденные состояния квантового поля. Кванты поля (заряда) находятся в связанном состоянии, представляя электромагнитные осцилляторы поля. Таким образом, поле, находящееся в возбужденном состоянии, представляет наблюдаемые элементарные частицы, а невозбужденное поле осцилляторов является ненаблюдаемым вакуумным состоянием квантового поля, несмотря на бесконечное число квантов заряда, которыми заполнен физический вакуум.

«Такое распределение частиц считается ненаблюдаемым (несмотря на бесконечную величину его плотности энергии, плотности заряда и т.д.), играя роль начала отсчета для физических величин. Поэтому наблюдаемое значение физической величины A для какой-либо системы равно разности A (система + вакуум) - A (вакуум).»

Физическая энциклопедия. ДЫРОК ТЕОРИЯ ДИРАКА.

Например, если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию для смещения кванта поля (заряда), то произойдет его возбуждение - в вакууме образуются две разноименные области возмущения поля: (вакуум + квант) и (вакуум - квант), где поток электрического смещения между разноименными областями равен элементарному электрическому заряду. Таким образом, в вакууме возникает наблюдаемый поток электрического смещения поля в один квант заряда - квантовое возмущение поля, т.е. скалярное квантовое поле переходит в векторное - возникает квантовый поток напряженности.

«Скалярное поле - поле физическое, которое описывается функцией, в каждой точке пространства не изменяющейся при повороте системы координат.»

Физический энциклопедический словарь. СКАЛЯРНОЕ ПОЛЕ.

«Колебания таких полей переносят энергию и импульс с одного места пространства в другое, а квантовая механика утверждает, что эти волны собираются в пакеты, или кванты, которые наблюдаются в лаборатории как элементарные частицы. ... Слово "скаляр" означает, что эти поля не чувствительны к направлению в пространстве, в отличие от электрических, магнитных и других полей Стандартной Модели. Это открывает возможность таким полям заполнять все пространство, не противореча одному из наиболее доказанных принципов физики, согласно которому все пространственные направления одинаково хороши.»

Стивен Вайнберг. (Нобелевская премия по физике за 1979 год)

Энергия поля - это энергия напряженности поля, т.е. там, где есть поток напряженности, энергия поля не равна нулю. Энергия поля, распространяющаяся в виде вихревых потоков напряженности, представляет электромагнитные волны. Так как частицы - это возбужденные состояния поля, можно предположить, что любая форма энергии (массы) в конечном итоге является энергией поля.

«Принято считать, что масса элементарной частицы определяется полями, которые с ней связаны.»

Физический энциклопедический словарь. МАССА.

Т.е. масса элементарной частицы определяется энергией возбужденного состояния поля, которое с ней связано. Невозбужденное (вакуумное) состояние поля представляет неовеществленную форму материи.

Квантовая (дискретная) природа электродинамического вакуума как квантового поля проявляется в дискретности электромагнитных волн.

Физический вакуум (электродинамический вакуум) - это скалярное квантовое электромагнитное поле (электродинамическое поле), т.е. там, где нет возмущений, поле находится в нулевом вакуумном (скалярном) состоянии. При смещении квантов поля возникает электрический поток напряженности поля. Магнитная индукция возникает как релятивистский эффект в результате движения электрического потока (заряда) B = m0[vD]. Ядерные силы - резонансные процессы, связанные с партонной структурой адронов, резонанс, усиливая электромагнитное взаимодействие, делает его сильным, но зависимым от ориентации спина. Гравитация - результат вакуумных флуктуаций поля, флуктуационные колебания подталкивают тела к сближению.

«Магнетизм - особая форма взаимодействия электрических токов ...»

Физическая энциклопедия. МАГНЕТИЗМ.

«В результате магнитное поле можно рассматривать как неизбежный релятивистский результат движения электрических зарядов ...»

Физическая энциклопедия. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА.

«Таким образом, появление магнитного поля токов есть чисто релятивистский эффект и никакой новой физической субстанции (например, в виде магнитных зарядов) появляться не должно, что и подтверждается экспериментально.»

Основы физики. Л.А.Грибов, Н.И.Прокофьев. 1995. С.299.

«Ядерные силы формируются вкладами центральных, спин-орбитальных и тензорных компонент. Силы нуклон-нуклонного взаимодействия зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов.»

Субатомная физика. Б.С.Ишханов. 1994. С.25.

«При описании ядерных реакций, идущих через составное ядро, использовались теории резонансных ядерных процессов ...»

Физическая энциклопедия. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.comail.ru:8081/