На философском языке вакуум – бытие небытия и небытие бытия, возможность всего и «ничтожение» нечто. Мы проникли в глубины мира настолько, что теряем самих себя в абсолютно малых, непрерывно изменяющихся объектах микромира. В вакууме нет частиц вещества и его можно считать своего рода «относительным небытием» («пустотой»). Физический вакуум не есть «ничто». Он – совокупность виртуальных (короткоживущих t = 10
-
23
В квантовом мире – мире «неявленности» – находится «просвет» еще одного уровня бытия, где поле «рождает» частицы вещества, происходят взаимопревращения вещества и поля. Квантовая механика предсказывает не события, а их вероятности. Поле и вещество взаимосвязаны, нечетко «отграничены», осуществляют непрерывный переход друг в друга. Протоны и нейтроны постоянно окружены облаком виртуальных пи-мезонов. Открыты пять ионов кварков и шесть лептонов, не существующих в сильных взаимодействиях. Их существование виртуально – проявляется лишь во взаимдействиях. В пульсациях вакуума берут начала бесконечные ритмы возникновений и исчезновений.
При решении проблемы типологии виртуального бытия учитывают утвердившееся в физике понятие виртуальные частицы. Под ними в квантовой теории поля понимаются объекты, наделенные всеми те ми же свойствами, что и реальные физические частицы, но не удовлетворяющие некоторым существенным условиям. Например, для виртуального фотона масса его не обязательно нулевая, а энергия не обязательно положительная. Они не обладают наличным бытием, выступают мгновенно из потенциальности, полностью никогда не актуализируются.
В. Гейзенберг писал, что виртуальные частицы обладают полной кинетической свободой. Эти частицы появляются как бы ниоткуда и исчезают до того, как экспериментатору удается зафиксировать их появление, но они успевают выполнить задачу рождения других частиц. Виртуальные события в микромире есть обмен промежуточными частицами с предельной скоростью протекания этих событий.
Многообразны процессы физической реальности. Это преобразования вещества и поля, взаимодействия элементов на кристаллическом, молекулярном, атомном, субатомном (частиц, из которых состоят атомы) уровнях. Квантовый вакуум – основное состояние квантовых полей, в котором отсутствуют «крупные» элементарные частицы, обладающее минимальной энергией, нулевыми значениями импульса, углового момента, электрического заряда. Вакуум – самый фундаментальный тип из всех типов физической реальности – лежит в основе всех других видов физических объектов микромира, влияет на характер их взаимодействий и ответственен за космологическую систему – Вселенную.
ВИРТУАЛЬНОСТЬ МИКРОМИРА. К процессу обнаружения физической виртуальности подходил Нильс Бор, когда писал, что в квантовой теории электрон исчезает с одного уровня и возникает на другом, не существуя в момент перехода. Обстоятельства «поведения» электрона идут по нелинейным законам, скачками: накопив энергию для скачка, он «исчезает», появляясь на другом энергетическом уровне атома. В 1921 году Т. Калуца обобщил уравнения Общей теории относительности на случай пятимерной метрики. Он вычислил, что пятая координата замкнута на планковском масштабе 10
–
43
Квантовая физика построена на идее взаимодействия частиц посредством физических полей, которые рождают частицы. (Возможно, обнаружат виртуальность полей, ее участие в рождении частиц.) Изучаются квантовые капли – «молекулы», экситоны (электроны + «дырки»), увеличение напряженных дырок в результате лазерного излучения. Весь мир – взаимодействие полей (и частиц). П. Дирак вычислил, что в области отрицательной энергии заняты все уровни, а потому находящиеся на нем электроны представляют собой квантовый вакуум. Когда в течение малых промежутков времени квантовый вакуум сам испытывает достаточно большие колебания, то из него рождаются электроны и другие элементарные частицы. П. Дирак их назвал виртуальным «туманом» («морем»). Индивидуально они себя никак не проявляют, но как системный ансамбль влияют на различные свойства (на магнитный момент электрона, спектральные характеристики атомов). В «тумане» найдены «дырки» – частицы во всем похожие на электрон, но только с положительным зарядом. В 1932 г. К. Андерсон. исследуя космические лучи, открыл такую «дырку» и назвал ее позитроном. Наличием виртуальных обменных мезонов (пионов) японский физик Х. Юкава в 1935 году объяснил появление сильного взаимодействия, обусловливающего устойчивость атомных ядер.
М. Планк подчеркивал условный характер различия «внутренних» состояний системы и «внешних» факторов. Он считал, что «все есть колебания и результат их воздействия». Внутреннее пространство системы невидимо, в нем «исчезают» материальные частицы, «нарушая» закон сохранения массы и энергии. В то же время какие-то барьеры, воздвигнутые природой, внезапно «разрушаются» и из «ниоткуда» возникают вдруг излучения неизвестной природы и «исчезнувшие» частицы. Например, частицы протонасо скоростями, превышающими скорость света или возбудители «неизлечимых» болезней.
Идея виртуальности изменила понимание картины мира, когда во второй половине ХХ века физики приступили к изучению процессов квантования высоких энергий, особого рода частиц, проявляющих себя во время взаимодействия преобразующихся более крупных элементарных частиц. По мнению В.А. Кайдалова виртуальные частицы не особый класс частиц, существующих в возможности, но суть всеобщий универсальный аспект существования реальных частиц, проявляющийся во взаимодействиях элементарных частиц. Х. Эверрет и Дж. Уиллер полагают, что каждая актуализация, реализация (допускаемая квантовой вероятностью) дает расщепление существовавшей (до этой реализации) Вселенной на две (или более) параллельных «теневых» Вселенных – двойников. В этих бесчисленных дублерах могут быть реализованы все теоретически допустимые виртуальные возможности.
Виртуальные частицы вакуума «бьют», например, из глубин Земли через разломы коры и изменяют силу тяжести. Каждая элементарная частица окружена виртуальным облаком всех остальных частиц и содержит их в себе: каждая «состоит» из всех остальных. Однако виртуальные частицы не являются составной частью взаимодействующих элементарных частиц. От виртуальных частиц не остается следа в частицах, появившихся при взаимодействии порождении, хотя они участвуют в нем. Объективность процессов в микромире раскрывается изучением электромагнитных полей, зарядовой поляризации вакуума, гравитационных полей, продольно упорядоченных по спину фотонов. Фотон – волна-частица непрерывно движущаяся со скоростью 300 000 км /сек. Он распространяется как волна, а излучается и поглощается как частица. Фотон – частица, так как замкнут по контуру электромагнитным моментом, и локализуется в пространстве. Его колебания относительно геометрического центра придают ему волновые свойства. Фотон движется прямолинейно, одновременно вращается и колеблется, формирует кинетический момент – спин, чем удерживается на прямолинейной траектории. Фотоны – переносчики волн электромагнитного взаимодействия электронов. Физики полагают, что фотонные состояния возникают из вакуума при помощи операторов рождения с t k a. Фотонная «нить» расщепляется, нити сцепляются (эффект интерференции). Квантовая физика изучает процессы обмена электронов фотонами. Можно предположить, что в микромире фотоны чем-то отличаются друг от друга. Не отличающиеся были бы «не интересны» друг другу. Испуская «свои» фотоны, электроны вбирают в себя «чужие» фотоны, поглощают их, обмениваются фотонами друг с другом. («Сам» электрон – это левоспиральный фотон, замкнутый «кольцами», частица – волна.) Квантово-полевая теория электронов и фотонов описывает взаимодействия электромагнитных полей и электрически заряженных частиц. Взаимодействие двух электронов происходит в результате обмена виртуальными фотонами. Виртуальный фотон первого электрона «устремляется» ко второму электрону, а тот одновременно «посылает» свой фотон к первому электрону. Вокруг протона и нейтрона имеется сложное поле сил. Такое поле наглядно можно представить как виртуальное облако, своеобразную мезонную «шубу». Это «облако» существенно определяет свойства протона и нейтрона, поскольку мезоны входят в структуру этих элементарных частиц. Виртуальное облако электронно-протонного поля и нейтрино вносят свой вклад в свойства протона и нейтрона. Протон и нейтрон «обязаны» своим существованием всем остальным частицам. Принцип – «все состоит из всего» – принцип ядерной демократии справедлив для сильно взаимодействующих частиц. Свойства протона и нейтрона тождественны в отношении ядерного взаимодействия. Эти частицы – два различных состояния одной и той же частицы. Одна заряженная частица (протон), другая – нейтральная (нейтрон) составляют изотопический дуплет, в котором различаются проекции изотопического спина в некоем «внутреннем» изотопическом пространстве. «Возникновение – исчезновение» фотонов, порождение фотонами электронно-позитронной пары, аннигиляция этой пары потребовали развития представления о квантово-волновом поле как системе с бесконечным числом степеней свободы, квантовых волн (или частиц) возбуждения и поглощения возбуждения. Переносчиками взаимодействия служат восемь «цветных» самодействующих глюонов – квантов сильного взаимодействия. Адроны при высоких энергиях взаимодействуют друг с другом путем обмена комплексом виртуальных частиц. Каждый акт поглощения и испускания виртуальных частиц невозможен без нарушения связи между импульсом и энергией.
Целый ряд физических эффектов объясняется коллективными взаимодействиями реальных частиц с виртуальными частицами. Более того, согласно современным космологическим теориям, происхождение Вселенной обязано гигантской флуктуации энергии квантового вакуума. Он состоит из электрических диаполей, из положительных и отрицательных «элементарных» зарядов, окруженных магнитным (массовым) континуумом. В физическом вакууме непрерывно происходит самопроизвольное рождение и уничтожение виртуальных частиц с массой электрона (материализованных порцией энергии) за промежуток времени порядка 10
-26
Взаимодействия элементарных частиц в квантовой теории предстают как обмен промежуточными (виртуальными) частицами, переносящими взаимодействие. Учитывается, что в процессе рождения виртуальных частиц не выполняется закон сохранения энергии, а имеет место неопределенность энергии «Дельта Е» в состоянии виртуальных частиц. Виртуальная частица не находится в возбужденном состоянии (возрастания «склонности» к взаимодействию) и обязательно должна поглотиться в другой вершине взаимодействия. Исходят из допущения строгого сохранения энергии в каждом акте рождения или поглощения виртуальных частиц.
Для того чтобы нарисовать в красках всю сложную картину взаимосвязанности частиц в микромире, полей и структур протона, отображая определенным цветом «облака» тех или иных элементарных частиц, потребовалась бы вся палитра художника. Самое удивительное в этой своеобразной ситуации то, что часть бесконечно больше целого! В каждое из полей входят все остальные. Входят все элементы друг в друга в смысле взаимопорождений виртуальных потенций. Истолковать эту особенность микромира можно лишь единственным способом, а именно: «Существование данной элементарной частицы – это лишь момент бесконечных превращений на шкале больших вселенских перемен». Эти перемены в процессе порождения включают в себя виртуальный момент «развертывания – свертывания» и «свертывания – развертывания». Виртуальные частицы как процессы характеризуются особым статусом существования в режиме постоянного «биения». Они имеют квантовое состояние: спин, электрический и барионовый заряд. Но они существуют крайне кратковременно в промежуточных ситуациях «порождения» крупных частиц и (как посредники) оказываются «переносчиками» их взаимодействий, частицами связи «крупных» частиц в моменты их преобразования. У физических виртуальных частиц имеется самоактивность, самоорганизованность, способность связывать взаимодействующие изменяющиеся объекты («крупные» частицы). Виртуальная частица как бы «выбрасывается» полем («свертком» поля) и тут же поглощаются другим «свертком» поля. А тот в свою очередь выбрасывает свою виртуальную частицу, поглощающающуюся первым «свертком» поля. Происходит «взаимообмен» виртуальными частицами при порождении полем элементарных частиц. При столкновении микрочастиц возникают промежуточные короткоживущие состояния микросистемы. Процесс «рождения и уничтожения» (возникновения и исчезновения) виртуальных частиц выступает переносчиком взаимодействия, элементом механизма обеспечения перехода микросистемы из одного состояния в другое. Виртуальные частицы, проявляясь, действуют в промежуточных, переходных (имеющих крайне малую длительность) состояниях возникновения нового (элементарных частиц). Они «включают» взаимодействие более «крупных» и более долго живущих частиц. Как переносчики взаимодействий элементарных частиц они оказываются своего рода «клеем», не позволяющим материи распадаться на части. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками являются частицы с большой массой покоя, а время жизни их чрезвычайно коротко – всего лишь около 10
– 26
–
15
–
35
Полагают, что в невидимой, виртуальной части пространства проявляются иные свойства, в ней нет течения времени как такового. Есть только Время – Универсум и элементарные хрононы, отличные от хрононов протон-нейтронного пространства. В квантовой механике понятие волновой функции имеет вероятностный смысл, а основные закономерности мира атомных явлений изучаются статистически. «Сцепленные» виртуальными частицами взаимодействующие элементарные частицы ведут себя строго «согласованно»: изменение состояния одной приводит к мгновенному изменению другой, сколь далеко бы она ни находилась от первой, так как их «разделенность» – иллюзия. (Д. Бом). Виртуальность присуща всему спектру возможных состояний элементов структуры микрочастиц, описываемых не конкретными числами, а волновой функцией, характеризующей закон распределения вероятностей возможных значений каких-либо физических величин. Субстанциональное вещество и энергетическое поле принадлежат одной и той же физической реальности. Но идея виртуальности указывает на особый тип взаимоотношений между разнородными объектами реальности, располагая их на разных иерархических уровнях и определяя специфические отношения между ними. Объекты виртуального уровня порождаются объектами нижележащего уровня. Несмотря на свой статус порожденных частиц, они взаимодействуют с объектами порождающей реальности как онтологически равноправные. Совокупность виртуальных объектов образует физическую виртуальную реальность. Виртуальные объекты существуют только актуально, «здесь и теперь», пока происходят процессы порождения. С окончанием процесса виртуальные объекты «исчезают» с этого энергетического уровня. К ним не применимы привычные понятия «прошлое» и «будущее», «раньше» и «позже».
Особенность виртуальных частиц в том, что они появляются в процессе взаимодействия «элементарных» частиц. Но нельзя сказать, что они есть, хотя бы потенциально, в этих частицах. Они существуют только актуально, то есть здесь и теперь, выполняют свою функцию связывания, передатчика, «установителя» взаимодействия элементарных частиц, а после этого «гаснут», как будто их никогда и не было. Виртуальные частицы фигурируют в начальных и конечных моментах взаимодействия. Физическая виртуальность проявляется как «клокотание» вакуума, устойчивая неравновесность кратко живущих особого класса частиц в момент промежуточного состояния взаимодействия микросистемы, когда в ней что-то возникая, переходит из прежнего в новое состояние, а прежнее теряет себя, растворяясь в возникшем.
Онтологическая сущность виртуальных физических частиц заключается в том, что они, возникают (в вакууме) на своем, глубинном уровне бытия. «Всплывают», появляются на миг на следующем уровне (элементарных частиц), «гаснут», «укрепив» взаимодействие преобразующихся элементарных частиц, способствуют активным взаимоотношениям взаимопревращения частиц и опускаются, «возвращаются» на свой уровень. Или существуют «невидимо» на уровне элементарных частиц, окружая их виртуальным облаком, виртуальной «шубой», «туманом». Бытие виртуальных частиц имеет свои объективные особенности. Они лишь кратковременно «видимы» на энергетическом уровне крупных частиц в момент их взаимодействия. Виртуальные частицы существуют как промежуточные, имеющие малую длительность проявления «состояния – процесса». Они выступают системой посредников, устанавливающих взаимодействие при нарушении равновесия взаимодействующих противоположностей и возникновения нового явления. Физики наряду с анализом переноса электронных свойств виртуальными частицами изучают явления, связанные с тяжелыми частицами, переноса энергии в полностью ионизированной плазме с несколькими сортами ионов, что имеет отношение к диффузии примесей поперек магнитного поля в различных системах магнитного удержания многокомпонентной плазмы. Такие явления переноса как электропроводность, вязкость, теплопроводимость вскрывают поведение этого вида плазмы и требуют учета внутренних степеней свободы молекул.