Какво е физически вакуум. Кораблев Денис Юриевич
В квантовата теория на полето най-ниското енергийно състояние на квантовите полета, характеризиращо се с липсата на реални частици, се нарича физически вакуум. Всички квантови числа на физическия вакуум са равни на нула. Когато реалните частици взаимодействат с вакуума, се раждат виртуални процеси. В случай на спонтанно нарушаване на симетрията, състоянието на вакуум се изражда.
Вакуумът може да се визуализира. Това е област от пространството, от която са премахнати всички реални полеви частици и вълни. Това е идеализиран вакуум. Постигането на абсолютен вакуум е почти невъзможно. Дори в космоса има разреден газ, космическо микровълново фоново лъчение и т.н.
Квантова теория на полетопоказа, че физическият вакуум не е празно безжизнено пространство, лишено от материя. Според квантовата физика квантовите ефекти могат да суспендират закона за запазване на енергията за много кратко време. Причината за това явление е принципът на неопределеността на Хайзенберг. През този период от време енергията може да бъде взети назаемза различни цели, включително създаването на частици. Всички частици, възникващи в този случай, ще бъдат краткотрайни, т.к енергията, изразходвана за тях, трябва да се върне след незначителна част от секундата. Въпреки това, частиците могат да се появят от нищото, като имат мимолетно съществуване, преди да изчезнат отново. Винаги ще има рояк от мимолетни частици в космоса, чието появяване е „субсидирано“ от съотношението на неопределеността на Хайзенберг.
Тези частиците са призрацине могат да бъдат наблюдавани, въпреки че могат да оставят следи от краткотрайното си съществуване. Те са вид на виртуален» частици, подобни на реални носители на взаимодействия, но не предназначени да приемат или предават сигнали. Излезли от празнотата, те отново ще се върнат в нея. Следователно празното пространство всъщност гъмжи от виртуални частици. Вакуумът не е „безжизнен“, но пълен с енергия.
Електронът, движещ се в пространството, се оказва заобиколен от призрачни частици: лептони, кварки и други носители на взаимодействие. С присъствието си те влияят електрон. Дори в състояние на покой електронът не познава покой: той непрекъснато е атакуван от всички страни от други частици, излизащи от вакуума. От вакуума виртуалните частици се раждат по двойки като двойка електрон-позитрон, които скоро отново се „сливат“ в фотон. Следователно пространството около електрона не е наистина празно, а е изпълнено с виртуални частици от всякакъв вид, включително виртуални електрони и виртуални позитрони. Електрон, поставен във физически вакуум, „научава“ за съществуването на виртуални частици, т.к му влияят. Виртуални позитронище бъдат привлечени от електрона, а виртуалните електрони ще бъдат отблъснати. Така се получава поляризация на вакуума, която не е трудно да се измери експериментално.
Поляризацията на вакуума води до появата на вид екран около електрона. Поради екранирането, ефективният заряд на електрона отдалеч изглежда по-малък от действителния заряд. Ако вкараме сонда в облака, ще открием това гол електронима по-голям заряд от екранирания електрон.
Квантовата електродинамика (QED) прогнозира, че енергийното ниво на водородния атом трябва да бъде леко разместенспрямо позицията, която би заемал, ако виртуалните частици не съществуваха. Теорията много точно прогнозира мащаба на това компенсации. Експериментирайте, за да откриете премествания,извършено Уилис Ламбот държавния университет на Аризона. Експериментите показаха правилността на теоретичните изчисления. Освен това QED намери изменение на електронен магнитен момент. За да открият изчислената корекция, експериментаторите първо подобриха устройството, повишавайки точността с повече от девет знака след десетичната запетая, а след това откриха експериментално посочената корекция на магнитния момент на електрона чрез QED.
Въпроси за самоконтрол
1. Как се нарича полето на най-ниското квантово енергийно състояние на теория?
2. На какво са равни всички квантови числа във физически вакуум?
3. Възможно ли е да се заема енергия от вакуума за създаване на призрачни частици?
4. Откъде идват призрачните частици или виртуалните частици?
5. Как се доказва съществуването на виртуални частици?
6. Появата на кои частици се субсидира от съотношението на неопределеността на Хайзенберг?
7. Как се доказва, че вакуумът не е „безжизнен“, а пълен с енергия?
8. Защо един електрон в покой няма да бъде в покой?
9. Как се раждат виртуални частици от вакуум: по двойки или поотделно?
10. Защо ефективният заряд на екраниран електрон изглежда по-малък от реалния, т.е. "гол"?
11. Какво е името на науката, която прогнозира, че енергийното ниво на водороден атом ще бъде леко изместено в присъствието на виртуални частици?
12. Кой експериментално измерва промяната в енергийното ниво на водороден атом в присъствието на виртуални частици?
13. За да открият експериментално корекцията на магнитния момент на електрона, експериментаторите увеличиха точността на устройството до какъв знак след десетичната запетая?
И под технология те означават среда, в която газът се съдържа под налягане, по-малко от атмосферното. Какво представляват разредените газове, кога са открити за първи път?
Страници от историята
Идеята за празнотата е била предмет на спорове в продължение на много векове. Древногръцките и римските философи се опитват да анализират разредените газове. Демокрит, Лукреций и техните ученици вярвали: ако няма свободно пространство между атомите, тяхното движение би било невъзможно.
Аристотел и неговите последователи опровергаха тази концепция; според тях в природата не трябва да има „празнота“. През Средновековието в Европа идеята за „страх от празнотата“ става приоритет и се използва за религиозни цели.
Механиката на Древна Гърция, когато създава технически устройства, се основава на Например водните помпи, които функционират чрез създаване на вакуум над буталото, се появяват по времето на Аристотел.
Разреденото състояние на газ, въздух, стана основа за производството на бутални вакуумни помпи, които сега се използват широко в технологиите.
Техният прототип беше известната бутална спринцовка на Херон от Александрия, създадена от него за изтегляне на гной.
В средата на седемнадесети век е разработена първата вакуумна камера, а шест години по-късно немският учен Ото фон Герик успява да изобрети първата вакуумна помпа.
Този бутален цилиндър лесно изпомпваше въздух от запечатан контейнер и създаваше там вакуум. Това даде възможност да се проучат основните характеристики на новото състояние и да се анализират неговите експлоатационни свойства.
Технически вакуум
На практика разреденото състояние на газ и въздух се нарича технически вакуум. В големи обеми е невъзможно да се получи такова идеално състояние, тъй като при определена температура материалите имат ненулева плътност на наситените пари.
Причината за невъзможността да се получи идеален вакуум е и пропускането на газообразни вещества през стъклени и метални стени на съдове.
Напълно възможно е да се получат разредени газове в малки количества. Като мярка за разреждане се използва дължината на безпрепятствения път на газовите молекули, които се сблъскват случайно, както и линейният размер на използвания съд.
Между високовакуумната помпа и атмосферния въздух се поставя форевакуумна утайка, която създава предварителен вакуум. При последващо намаляване на налягането в камерата се наблюдава увеличаване на дължината на пътя на частиците от газообразното вещество.
При нива на налягане от 10 -9 Pa се създава ултрависок вакуум. Именно тези разредени газове се използват за провеждане на експерименти чрез сканиране
Възможно е да се получи такова състояние в порите на някои кристали дори при атмосферно налягане, тъй като диаметърът на порите е много по-малък от дължината на свободния път на частиците.
Вакуумни устройства
Разреденото състояние на газ се използва активно в устройства, наречени вакуумни помпи. Гетерите се използват за абсорбиране на газове и получаване на определена степен на вакуум. Вакуумната технология включва и множество устройства, които са необходими за контрол и измерване на това състояние, както и за контрол на обекти и извършване на различни технологични процеси. Най-сложните технически устройства, които използват разредени газове, са високовакуумните помпи. Например, дифузионните устройства работят въз основа на движението на молекулите на остатъчните газове под въздействието на поток от работен газ. Дори в случай на перфектен вакуум има незначително топлинно излъчване при достигане на крайната температура. Това обяснява основните свойства на разредените газове, например настъпването на топлинно равновесие след определен интервал от време между тялото и стените на вакуумната камера.
Разреденият едноатомен газ е отличен топлоизолатор. В него преносът на топлинна енергия се извършва само чрез излъчване, топлопроводимостта и конвекцията не се наблюдават. Това свойство се използва в (термоси), състоящи се от два контейнера, между които има вакуум.
Вакуумът също намери широко приложение в радиолампи, например магнетрони на тръби и микровълнови печки.
Физически вакуум
В квантовата физика това състояние означава основното (най-ниско) енергийно състояние на квантовото поле, което се характеризира с нулеви стойности
В това състояние едноатомен газ не е напълно празен. Според квантовата теория виртуалните частици систематично се появяват и изчезват във физически вакуум, което причинява нулеви флуктуации на полето.
Теоретично могат да съществуват едновременно няколко различни вакуума, които се различават един от друг по енергийна плътност, както и по други физически характеристики. Тази идея стана основата на теорията за инфлацията на Големия взрив.
Фалшив вакуум
Отнася се до състояние на поле в квантовата теория, което не е състояние с минимална енергия. Той е стабилен за определен период от време. Има възможност за „тунелиране“ на фалшиво състояние в истински вакуум, когато се достигнат необходимите стойности на основните физични величини.
пространство
Когато обсъждаме какво означава разреден газ, е необходимо да се спрем на понятието „космически вакуум“. Може да се счита за близък до физически вакуум, но съществуващ в междузвездното пространство. Планетите, техните естествени спътници и много звезди имат определени гравитационни сили, които поддържат техните атмосфери на определено разстояние. Докато се отдалечавате от повърхността на звезден обект, плътността на разредения газ се променя.
Например, има линия на Карман, която се счита за обща дефиниция с космическото пространство на планетарната граница. Зад него изотропното газово налягане намалява рязко в сравнение със слънчевата радиация и динамичното налягане на слънчевия вятър, така че е трудно да се интерпретира налягането на разредения газ.
В космоса има много фотони и реликтови неутрино, които са трудни за откриване.
Характеристики на измерване
Степента на вакуум обикновено се определя от количеството вещество, останало в системата. Основната характеристика на измерването на това състояние е абсолютното налягане; освен това се вземат предвид химичният състав на газа и неговата температура.
Важен параметър за вакуума е средното разстояние на движение на газовете, оставащи в системата. Съществува разделение на вакуума в определени диапазони в съответствие с технологията, която е необходима за извършване на измервания: фалшиви, технически, физически.
Вакуум формоване
Това е производството на продукти от съвременни термопластични материали в гореща форма с ниско въздушно налягане или вакуум.
Вакуумното формоване се счита за метод на изтегляне, в резултат на което пластмасовият лист, разположен над матрицата, се нагрява до определена температурна стойност. След това листът повтаря формата на матрицата, което се обяснява със създаването на вакуум между него и пластмасата.
Електровакуумни уреди
Те са устройства, предназначени да създават, усилват и преобразуват електромагнитна енергия. В такова устройство въздухът се отстранява от работното пространство и се използва непроницаема обвивка, за да се предпази от околната среда. Примери за такива устройства са електронните вакуумни устройства, при които електроните се освобождават във вакуум. Лампите с нажежаема жичка също могат да се считат за електрически вакуумни устройства.
Газове при ниско налягане
Газът се нарича разреден, ако неговата плътност е незначителна и дължината на пътя на молекулите е сравнима с размера на контейнера, в който се намира газът. В такова състояние се наблюдава намаляване на броя на електроните пропорционално на плътността на газа.
В случай на силно разреден газ вътрешно триене практически няма. Вместо това се появява външно триене на движещия се газ по стените, което се обяснява с промяната в големината на импулса на молекулите при сблъсъка им със съда. В такава ситуация има пряка пропорционалност между скоростта на движение на частиците и плътността на газа.
При нисък вакуум се наблюдават чести сблъсъци между газови частици в пълен обем, които са придружени от стабилен обмен на топлинна енергия. Това обяснява феномена на пренос (дифузия, топлопроводимост) и се използва активно в съвременните технологии.
Получаване на разредени газове
Научното изследване и разработването на вакуумни инструменти започва в средата на седемнадесети век. През 1643 г. италианецът Торичели успява да определи стойността на атмосферното налягане и след изобретяването на О. Герике на механична бутална помпа със специално водно уплътнение се появява реална възможност за провеждане на многобройни изследвания на характеристиките на разредения газ. В същото време са изследвани възможностите за въздействие на вакуума върху живите същества. Експериментите, проведени във вакуумни условия с електрически разряд, допринесоха за откриването на отрицателния електрон, рентгеновото лъчение.
Благодарение на топлоизолационната способност на вакуума стана възможно да се обяснят методите за пренос на топлина и да се използва теоретична информация за развитието на съвременната криогенна технология.
Вакуумно приложение
През 1873 г. е изобретен първият електрически вакуумен уред. Това беше лампа с нажежаема жичка, създадена от руския физик Лодигин. От този момент практическото използване на вакуумната технология се разшири, появиха се нови методи за получаване и изследване на това състояние.
За кратък период от време бяха създадени различни видове вакуумни помпи:
- ротационен;
- криосорбция;
- молекулярно;
- дифузия.
В началото на ХХ век академик Лебедев успява да подобри научните основи на вакуумната индустрия. До средата на миналия век учените не допускаха възможността за получаване на налягане под 10-6 Pa.
В момента те са създадени като изцяло метални, за да се избегне изтичане. Вакуумните криогенни помпи се използват не само в изследователски лаборатории, но и в различни индустрии.
Например, след разработването на специални помпени средства, които не замърсяват обекта, който се използва, се появиха нови перспективи за използване на вакуумна технология. В химията такива системи се използват активно за качествен и количествен анализ на свойствата на разделяне на сместа на компоненти и анализ на скоростта на протичане на различни процеси.
В науката и технологиите под вакуум се разбира състояние на газ, чиято плътност е по-малка от плътността, съответстваща на състоянието на въздуха на нивото на земята. Колкото по-голямо е намаляването на плътността на газа, толкова по-добър е вакуумът. Вакуумът има много полезни свойства, които се използват широко в различни области на науката и технологиите. Например, във вакуум химическата активност на кислорода рязко намалява при окисляването на металите.
С други думи, различни химикали могат да бъдат запазени във вакуум и техните специфични свойства могат да бъдат използвани. При много високи степени на разреждане повърхностите остават чисти (без адсорбция на поне монослой газ) в продължение на няколко часа, което прави възможно изследването на такива повърхности, както и различни явления, свързани с адсорбираните газови молекули. Малкият брой молекули на остатъчния газ при условия на вакуум води до факта, че различни частици могат да пътуват на дълги разстояния при такива условия без сблъсъци.
Това е особено важно за заредените частици - електрони, йони и протони, чиито траектории във вакуум могат да се управляват с помощта на електрически и/или магнитни полета. Физически явления като разпространение на звука, пренос на топлина и маса, които при атмосферно налягане се определят от процесите на взаимодействие на газовите молекули, се променят значително с намаляване на налягането до степен, че ролята на тези взаимодействия в механизма на пренос става второстепенна.
Тези ефекти очевидно зависят от степен на вакуум. По този начин, плътността на остатъчния газ в обема е пряка мярка за вакуум. Въпреки това, от трудовете на Бойл е известно, че плътността на газа е право пропорционална на налягането, така че се е развила общоприета практика за определяне на степента на вакуум чрез налягането на остатъчния газ.
Съвременната вакуумна технология дава възможност да се създаде вакуум, характеризиращ се с налягане 1015 пъти по-ниско от атмосферното. За удобство целият диапазон от постижими стойности на вакуум е разделен на няколко поддиапазона. Това разделение е показано схематично на фиг. 1.1, където налягането се измерва в паскали. Тази фигура също така показва основните приложения на вакуума в зависимост от степента на вакуум. Използването на вакуум, например в преси и повдигащи механизми, е причинено от значителни сили, произтичащи от разликата в налягането от двете страни на буталото, а не от някакви особености на вакуума.
Използването на горепосочените свойства на вакуума включва осигуряване на подходяща степен на вакуум, което от своя страна изисква използването на правилно подбрано оборудване за вакуумна система. За да се проектира вакуумна система с оптимална производителност, е необходимо да се познават не само параметрите на оборудването, но и всички фактори, които могат да им повлияят. Например, напълно недостатъчно е да се знае, че помпата има скорост на изпомпване 10 -1 m 3 *s -1 и позволява достигане на максимално налягане от 10 -6 Pa.
При лошо проектирани вакуумни системи параметрите на оборудването могат да бъдат значително по-лоши (с порядък) в сравнение с оптималните. Следователно, за да се постигне оптимална производителност на оборудването, е необходимо да се разберат основните принципи на работа на вакуумната технология. Това е особено важно за свръхвисок вакуум (под 10 -6 Pa), когато броят на газовите молекули, адсорбирани от повърхностите на вакуумната камера, може значително да надвиши броя на молекулите, присъстващи в обема. Тази глава разглежда накратко основните закони и концепции, свързани с вакуумната технология. По-подробна информация3" читателят може да получи от книгата на П. Редхед и др.
За нас сега физическият вакуум е това, което остава в космоса, когато целият въздух и всяка елементарна частица бъдат отстранени от него. Резултатът не е празнота, а някаква материя - Прародител на всичко във Вселената, раждаща елементарни частици, от които след това се образуват атоми и молекули.
А. Е. Акимов (11, стр. 24)
Тъй като концепцията за вакуум включва всепроникваща среда, разположена между частиците, вакуумът заема цялото междучастично пространство; следователно тази среда може да се определи като форма на материя без частици, чиято плътност се променя в съответствие със силите, действащи върху вакуума. Плътността на вакуума има много малка стойност в сравнение с плътността на вещество, което ни е познато: например, плътността на вакуума, разположена между газовите молекули при налягане от една атмосфера, е 10 -15 g / cm 3, и плътността на дестилирана вода при същите условия е 1 g / cm 3 (20, стр. 60).
Гравитацията, присъща на всяка маса, е присъща и на вакуумната маса. Въз основа на този постулат силата на взаимодействие на тялото с която и да е част от вакуума ще се определя от закона за всемирното привличане. Тоест телата привличат вакуума към себе си, както Земята привлича тела върху себе си. Следователно, когато някое тяло се движи, вакуумът около него ще се движи (увлича) заедно с него. Разбира се, това съпротивление ще се получи само ако върху този вакуум не действа голяма сила (от гравитационното влияние на други тела), която пази вакуума от това съпротивление. Въпреки това, вакуумът не просто се носи заедно с движещо се тяло, но "играе ролята на истински контролер на всяко движение. Във фигуративно представяне, вакуумът, като булдог, се придържа към всеки макро-обект с по-голяма сила, толкова по-масивна е жертвата му. Сграбчил го, той никога не го пуска, придружавайки го във всички пътувания в космоса. Физически това означава, че вакуумът и контролираният от него обект представляват затворена система" (21, с. 27).
Уникалните експерименти на Физо и Майкелсон показаха, че в природата няма абсолютно неподвижен вакуум. Вакуумът, имайки маса, винаги се увлича от тялото, чиито гравитационни сили преобладават.В тези експерименти такова тяло е Земята, която увлича околоземния вакуум (в експеримента на Майкелсън) и не позволява на движещо се по Земята тяло да увличат вакуума, разположен между частиците на тялото (в експеримента на Физо) .
В съвременната интерпретация физическият вакуум изглежда като сложен квантов динамичен обект, който се проявява чрез флуктуации. Физическият вакуум се разглежда като материална среда, изотропно (равномерно) запълваща цялото пространство (както свободно пространство, така и материя), имаща квантова структура, която е ненаблюдаема в невъзмутимо състояние (33. стр. 4).
За по-добро разбиране на физическия вакуум беше счетено за подходящо да се разглежда като електрон-позитронен модел на Дирак в неговата леко модифицирана интерпретация.
Нека си представим физическия вакуум като материална среда, състояща се от елементи, образувани от двойки частици и античастици (според Дирак - двойка електрон-позитрон).
Ако частица и античастица се поставят една в друга, тогава такава система ще бъде наистина електрически неутрална. И тъй като и двете частици имат спин, системата „частица-античастица" трябва да представлява двойка частици, вградени една в друга с противоположно насочени спинове. Поради истинската електрическа неутралност и противоположни спинове, такава система няма да има магнитен момент (33, стр. 5). Система от частици и античастици в посочената по-горе форма, притежаваща посочените свойства, се нарича фитон. Плътното опаковане на фитоните образува среда, наречена физически вакуум. Трябва обаче да се помни, че този модел е много опростен и би било наивно да се види в конструирания модел истинската структура на физическия вакуум (фиг. 1, а, б).
Нека разгледаме най-важните практически случаи на нарушаване на физическия вакуум от различни външни източници (86. с. 940).
1. Нека източникът на смущението е заряд q (фиг. 1, c). Действието на заряда ще се изрази в зарядовата поляризация на физическия вакуум, а това състояние се проявява като електромагнитно поле (Е-поле). Това е точно това, което академикът на Академията на науките на СССР Я. Б. Зелдович посочи по-рано в своите трудове.
2. Нека източникът на смущението е маса m (фиг. 1, d). Смущението на физическия вакуум с маса m ще се изрази в симетрични трептения на елементите на фитоните по оста към центъра на обекта на смущение, както е условно изобразено на фигурата. Това състояние на физически вакуум се характеризира като спинова надлъжна поляризация и се интерпретира като гравитационно поле (G-поле). Тази идея е изразена от А. Д. Сахаров (87, с. 70). Според него гравитацията изобщо не е отделна активна сила, а възниква в резултат на промени в енергията на квантовата флуктуация на вакуума, когато има някаква материя, точно както се случи с образуването на сили в експеримента на Г. Казимир. А. Д. Сахаров смята, че наличието на материя в море от частици с абсолютно нулева енергия причинява появата на неуравновесени сили, движещи материята, наречени гравитация (86, стр. 940).
3. Нека източникът на смущението е класическият спин (фиг. 1, д). Завъртанията на фитон, които съвпадат с ориентацията на завъртането на източника, запазват своята ориентация. Завъртанията на фитоните, които са противоположни на завъртането на източника, изпитват инверсия под въздействието на този източник. В резултат на това физическият вакуум ще се трансформира в състояние на напречна спинова поляризация. Това състояние се интерпретира като спиново поле (S-поле), тоест поле, генерирано от класически спин. Такова поле се нарича още торсионно поле (31, стр. 31).
В съответствие с горното можем да предположим, че една среда - физически вакуум - може да бъде в различни поляризационни състояния, гласи EQS. Освен това физическият вакуум във фазово състояние, съответстващо на електромагнитното поле, обикновено се счита за свръхфлуидна течност. Във фазовото състояние на спинова поляризация физическият вакуум се държи като твърдо тяло.
Тези съображения съвместяват две взаимно изключващи се гледни точки - гледната точка от края на 19 век и началото на 20 век, когато етерът се смяташе за твърдо вещество, и идеята на съвременната физика за физическия вакуум като свръхфлуид течност. И двете гледни точки са верни, но всяка за своето фазово състояние (33, с. 13).
ОРИЗ. 1 Диаграма на поляризационните състояния на физическия вакуум
И трите полета: гравитационно, електромагнитно и спиново са универсални. Тези полета се проявяват както на микро, така и на макро ниво. Тук е уместно да припомним думите на академика на Академията на науките на СССР Я. И. Померанчук; Цялата физика е физика на вакуума” или академикът на EAN G.I. Naan: “Вакуумът е всичко и всичко е вакуум” (63, стр. 14).
В резултат на запознаването с теорията на физическия вакуум става ясно, че съвременната природа не се нуждае от „обединения“. В природата има само физически вакуум и неговите поляризационни състояния, а „обединенията“ отразяват само степента на нашето разбиране за взаимовръзката на полетата (31, стр. 32).
Трябва да се отбележи още един изключително важен факт относно физическия вакуум като източник на енергия.
Традиционната гледна точка се свеждаше до твърдението, че тъй като физическият вакуум е система с минимална енергия, от такава система не може да се извлече енергия. В същото време обаче не беше отчетено, че физическият вакуум е динамична система с интензивни флуктуации, която може да бъде източник на енергия. Възможността за ефективно взаимодействие на въртящи се (въртящи се) обекти с физическия вакуум ни позволява да разгледаме възможността за създаване на торсионни източници на енергия от нова перспектива.
Според Дж. Уилър енергийната плътност на Планк на физическия вакуум е 10 95 g/cm 3, докато енергийната плътност на ядрената материя е 10 14 g/cm 3. Известни са и други оценки на енергията на вакуумните флуктуации, но всички те са значително по-големи от оценката на J. Wheeler (31, стр. 34). Следователно могат да се направят следните обещаващи заключения:
Енергията на вакуумните флуктуации е много висока в сравнение с всеки друг вид енергия;
Чрез торсионни смущения е възможно да се освободи енергията на вакуумните флуктуации.
Руските учени смятат, че във физическия вакуум са „скрити“ скрита материя и скрита енергия, равна на почти половината от тези, реализирани във формата на Вселената (113, с. 7).
Етер
Концепцията за етер идва от древни времена - в древната арийска ера се отнася до специално състояние на материята, наречено "акаша" (петият елемент на материалната природа). Ето как понятието „акаша” е осветлено в трактата на С. Вивекананда „Раджа Йога”: „Това е нещо, което е навсякъде и прониква във всичко. Всичко, което има форма, всичко, което е резултат от комбинации, всичко е еволюирало от тази Акаша. Акаша е това, което е станало въздух, течности и твърди вещества. Самата тя не може да бъде забелязана, тъй като е толкова фина, че е извън всички обикновени възприятия и може да бъде видима само когато стане груба и придобие форма. В началото на сътворението съществува само тази Акаша; в края на цикъла твърдите вещества, течностите и газовете ще се разложат отново в Акаша.”
Преди две хиляди години и половина древните гърци подхващат и развиват тази концепция под името αιυηρ (етер, небе). През 1618 г. френският философ, физик и математик Рене Декарт предлага етерът да се разглежда като материален носител на светлина. Според неговите идеи светлината е компресия, разпространяваща се в идеално еластична среда (етер), която изпълва цялото пространство. Оттогава идеята за етера твърдо навлезе в научното обращение, особено в трудовете на Нютон, Френел, Максуел и Лоренц. Етерната концепция достига своята кулминация през 19 век, когато Максуел, въз основа на своя модел на етера, получава основните уравнения на електродинамиката.
До началото на 20 век. Има две гледни точки за етера: или се увлича от движението на телата, или не се увлича (неподвижен). От концепцията за неувлечения етер следва неравенството на инерциалните системи и съществуването на привилегирована (свързана с етера) отправна система, наречена абсолютна. Експерименти, предназначени да разкрият такава референтна рамка и скоростта спрямо нея, бяха проведени от Майкелсън (1881), Морли и техните последователи и продължиха през целия век. Експериментите дадоха нулеви резултати: движението на Земята спрямо етера не беше открито. Това се тълкува като доказателство за липсата на етер, въпреки опитите на Лоренц да обясни нулевия резултат с намаляване на размера на телата по време на движението. Очакваният резултат при тези експерименти беше изчислен според законите на класическата механика, тъй като научната общност не разполагаше с друг апарат (друга механика) за оценка на експеримента по време на провеждането му. Трябва обаче да се подчертае, че тези закони са неправилно приложени към случая на разпространение на светлината в етера. Основната характеристика на класическата механика е изискването взаимодействията да се разпространяват мигновено, т.е. законите на тази механика са валидни само ако скоростта на движение е малка в сравнение със скоростта на светлината. Следователно всички скорости на движение, включени във формулата на Нютон за добавяне на скорости ( v + ° С), също трябва да отговарят на това условие. При изчисляването на експеримента на Майкелсън-Морли това условие се оказа изпълнено само за скоростта на Земята ( v), вторият член е скоростта на светлината ( ° С) – очевидно не отговаря на това условие. Следователно използването на механиката на Галилей-Нютон е незаконно, тъй като нарушава границите на нейната приложимост. За да се изчисли опитът, е необходима различна механика, различна от класическата и релативистката. Основата на тази нова механика е съществуването на абсолютна референтна система, свързана с етера, и произтичащото от това неравенство на инерциалните системи. В резултат на неправилно тълкуване на експериментите на Майкелсън-Морли, което завърши с изграждането на специалната теория на относителността (СТО), отхвърлянето на концепцията за етер беше теоретично формализирано и вместо етер, с развитието на квантовата теорията на полето се появява терминът „физически вакуум“.
Физически вакуум
Вакуумът (на латински vacuum) е празнота, т.е. пространство без материя и енергия. Физическият вакуум е пространство, което не съдържа реални частици и енергия, които могат да бъдат директно измерени. Според съвременните физични концепции това е най-ниското енергийно състояние от всички квантувани полета, характеризиращо се с липсата на реални частици. Възможността за виртуални процеси във физически вакуум води до редица ефекти на взаимодействие между реални частици и вакуум, които се записват експериментално. Физическият вакуум представлява множество от всякакви виртуални частици и античастици, които при липса на външни полета не могат да се превърнат в реални. Според съвременните представи във вакуум непрекъснато се образуват и изчезват двойки частици-античастици: електрон-позитрон, нуклон-антинуклон... Вакуумът се запълва с такива „непълнородени” частици, появяващи се и изчезващи. Те не могат да бъдат регистрирани и се наричат виртуални. При определени обстоятелства обаче виртуалните частици стават реални. Например сблъсъци на високоенергийни частици или силни полета раждат снопове от различни частици и античастици от вакуума. Тези. вакуумът може да бъде представен като специален, виртуален тип среда. Виртуалността на околната среда се проявява по-специално в невъзможността да се идентифицира фактът на движение спрямо нея с каквито и да е експериментални методи, което е равносилно на проявлението на принципа на относителността. Концепцията за равенството на инерциалните системи, наречена принцип на относителността, е в основата на теориите, които доведоха до концепцията за физически вакуум. Тези. идеите за физическия вакуум са логично извлечени от принципа на относителността. Според тези идеи светлината не се нуждае от материален носител, а набор от фотони образува свободно електромагнитно поле. Най-ниското енергийно състояние на това поле се нарича "вакуум на електромагнитното поле".
Причини за връщане към концепцията за етер
Въз основа на принципа на относителността е създадена специалната теория на относителността. Тази теория обяснява натрупаните по това време експериментални данни и се превръща в основата на съвременната физика на високите енергии. Успешно се използва при проектирането на ускорители на частици и в експерименти с релативистични частици. Въпреки това има сериозни причини за изоставяне на принципа на относителността, който е в основата на SRT:
- Специалната теория на относителността съдържа вътрешно противоречие, известно като парадокс на близнаците. Бяха направени опити да се разреши този парадокс с помощта на общата теория на относителността (ОТО), но това беше успешно само за ниски скорости. В общия случай на релативистични скорости парадоксът остава неотстраним. Нарушенията на причинно-следствените връзки между събитията са най-ясно разкрити в „парадокса на трима близнаци“ (обсъден в), който е развитие на мисловния експеримент с близнаци.
- Има съвременни експерименти, които установяват зависимостта на скоростта на светлината от посоката на разпространение на вълната. Серия от такива експерименти е извършена от Стефан Маринов, в експериментите е идентифицирана посоката на разпространение на светлинна вълна, при която скоростта на светлината надвишава ссъс стойност 360 ± 40 km/s. Резултатите от опитите на Маринов противоречат на постулата на СТО за неизменността на скоростта на светлината.
Изложените причини бяха в основата на изоставянето на принципа на относителността, което естествено води до идеята за възраждане на концепцията за етера, която се характеризира с неравенството на инерциалните системи, от една страна, и зависимостта на скоростта на светлината върху посоката на разпространение на вълната, от друга. Концепцията за етера ни принуждава да погледнем по различен начин на взаимодействието на реалните частици с виртуалните (представени в рамките на концепцията за физическия вакуум). Това взаимодействие не е нищо повече от взаимодействието на реални частици с реален етер, елиминирайки необходимостта от въвеждане на изкуствени посредници, като виртуални частици.
Теоретично обосноваване на понятието етер
Без да засягаме конкретни модели на етера, ще подчертаем две от неговите свойства, които са необходими за по-нататъшно представяне: свойството на средата, която носи взаимодействия и нейното неувличане от движещи се тела (неподвижност). По този начин електромагнитната вълна представлява разпространението на възбуждане на неподвижна среда - етер.
Алтернативна интерпретация на експериментите на Майкелсън-Морли
Експериментът на Майкълсън-Морли по време на формирането на SRT се тълкува в съответствие с принципа на относителността, а именно: скоростта на светлината във всяка координатна система има една и съща стойност " с"и не зависи от посоката на разпространение на вълната (т.е. изотропна). Такъв резултат обаче не следва от експериментите на Майкелсън-Морли. В експериментите на Майкелсън-Морли е установен фактът на времевата изотропия двустранноразпространение на светлината ( T + + T – = const)Тук T + ; T– – интервали от време едностранноразпространение на светлината по протежение на сегмент от оптична линия с дължина Лпо права линия (от началото на сегмента до края - T+) и обратно (от край към начало – T–) посоки. Поддръжниците на принципа на относителността, неспособни да измерват посочените времена поотделно (поради липсата на подходящо оборудване и технология) и разчитайки на фундаментално неправилно изчисление на експеримента, тълкуват неговия резултат като равенство на времената T + И T- , отхвърляйки очевидната алтернативна версия: „ T + не е равно T- , предвид това T + + T – = конст». Ако въведем величина, наречена скорост двустранноразпространение на светлина и се дефинира като: ° С = 2Л/(T + + T – ) , тогава за това количество (и изобщо не за скоростта едностранноразпространение на светлина) инвариантност и изотропия всъщност следват от експериментите на Майкелсън–Морли (вижте подробности в).
Такава на пръв поглед незначителна разлика в интерпретацията на експеримента на Майкелсън-Морли води до диаметрално противоположен резултат: до изоставяне на принципа на относителността и до възраждане на концепцията за етера.
Теория за светлинния етер (LET)
Една алтернативна, правилна интерпретация на експериментите на Майкелсън-Морли направи възможно изграждането на теория, основана на следните постулати:
- За съществуването на среда за разпространение на взаимодействията (етер, неотнесен от движещи се тела) и свързаната с него абсолютна референтна система; светлината в определената среда се разпространява праволинейно и изотропно със скорост с= 299792458 ± 1,2 m/s.
- За инвариантността на скоростта на двупосочно разпространение на светлината в инерциални отправни системи. Постулатите предполагат трансформации на координати и време за две отправни системи ( ОХ 1 Y 1 З 1) и ( ОХ 2 Y 2 З 2), движещи се спрямо абсолютната система с различни скорости v 1 и v 2 (наричан по-долу абсолютен) (виж):
х 2 = (х 1 – u 01 T 1)/γ; г 2 = г 1 ; z 2 = z 1 ; T 2 = γ T 1 ; u 02 = –u 01 /γ 2; | (1) |
Тук u 01 – относителна скорост на системата ( ОХ 2 Y 2 З 2), измерено в ( ОХ 1 Y 1 З 1), А u 02 – скорост на системата (OX 1 Y 1 З 1 ) относително (OX 2 Y 2 З 2 ). трябва да бъде отбелязано че u 01 не е равно u 02, за разлика от STR, в който относителните скорости на референтните системи имат еднаква стойност. От формулата T 2 = γ T 1 е показана зависимостта на скоростта на времето (ритъма на часовника) от абсолютната скорост на движение на инерционните системи. Системи с различни абсолютни скорости v 1 и v 2 не са равни: тактовата честота е по-висока в референтна система, която има по-ниска абсолютна скорост.
Важно следствие от горните трансформации е абсолютният характер на концепцията за едновременност на събитията. Едновременни събития в една инерционна отправна система ( дт 1 = 0) ще бъде едновременно във всяка друга система ( дт 2 = 0), което е фундаментално различно от SRT. Съответно, намаляването на размера на телата в резултат на трансформации (1) е отражение на конвергенцията на атомите и молекулите, които изграждат телата по посока на движение. При STR намаляването на размера на телата има съвсем различен характер, а именно то е следствие от неедновременността на събитията (събитията, които се случват едновременно в една отправна система, не са едновременни в друга инерциална отправна система).
Закон за преобразуване на енергията ( д) и импулс ( стр) при преход от една инерциална референтна система към друга, според SET, има формата:
p x 2 = γ p x 1 , p y 2 = p y 1 , p z 2 = p z 1 , д 2 = (д 1 – u 01 p x 1)/γ.
Връзка между енергия и импулс в инерционна отправна система с абсолютна скорост v 0 се определя от отношението:
(1 – v 0 2 /° С 2)д 2 /° С 2 + 2(v 0 /° С)p x E/° С – стр 2 = м 2 ° С 2 .
При v 0 /° С 1 формула влиза в добре познатия SRT израз:
д 2 /° С 2 – стр 2 = м 2 ° С 2 .
Пространството и времето се оказват взаимосвързани, но по закони, различни от тези в SRT. Пространствено-времевата метрика в инерциалната отправна система се определя от коефициентите на инвариантната квадратична форма:
ds 2 = ° С 2 дт 2 – (1 – v 0 2 /° С 2)dx 2 – 2v 0 dtdx – dy 2 – дз 2 .
Важно следствие от тази метрика е анизотропията на пространството на инерциалните системи. Такава анизотропия предполага нарушение на закона за запазване на ъгловия импулс (имайте предвид, че отклонението от закона за запазване на ъгловия импулс за референтни системи, чиято абсолютна скорост е ниска v 0 /° С uv 0 / ° С 2 където uотносителна скорост на въртеливо движение), както и зависимостта на скоростта на светлината от посоката (α") на разпространение на вълната:
с"(α") = с –1 .
Асимптотика на трансформациите (1):
- Трансформациите (1) се трансформират в класическите трансформации на Галилео-Нютон при ниски относителни скорости на частиците ( u 01 /° С v 1 / ° С
- Трансформации (1), приложени към частици, чиято абсолютна скорост ( v 2) близо до ° С, преминете към SRT трансформации на Лоренц, ако абсолютната скорост на лабораторната (наземна) референтна система е малка ( v 1 /° С
- Трансформациите (1) губят значението си, когато v ≥ ° С, което има просто физическо обяснение: материята, състояща се от частици, свързани от силите на електромагнитното взаимодействие, не може да съществува при скорости, надвишаващи скоростта на разпространение на взаимодействието (частиците от материята ще се разпаднат, ако v ≥ ° С, тъй като при това условие вълната на взаимодействие между елементите, които изграждат частиците, не е в крак с движението на тези елементи).
По този начин SET е по-обща механика от SRT и ни позволява да установим границите на приложимост на последната.
Експериментално обосноваване на понятието етер
Феноменът на анизотропията на скоростта на разпространение на светлината в движещи се референтни рамки позволява експериментално да се установи фактът на движение на инерционна референтна рамка спрямо абсолютната. Съществуват обаче проблеми и модели (доказателството за които е дадено в), които ограничават избора на техники за измерване:
- Невъзможността за определяне на абсолютната скорост на обект с помощта на интерферентни методи (на оптични линии, които са неподвижни в лабораторната координатна система).
- Проблемът със синхронизирането на часовници, разделени в пространството, без предварително познаване на величината и посоката на абсолютната скорост на референтната система.
Опити на С. Маринов
Серия от експерименти за определяне на абсолютната скорост на Земята, съответстваща на горните закони, е извършена за първи път от Стефан Маринов (Австрия). През 1984 г. той провежда експеримент, който е развитие на експеримента на Физо със зъбно колело за измерване на скоростта на светлината. Измерена е разликата в скоростите на светлината в две противоположни посоки (фиг. 1).
Ориз. 1.Схема на експеримента на С. Маринов
Светлината от лазера беше разделена на два лъча 1 И 3 (процесът на разделяне не е показан на фигурата) и преминава в противоположни посоки между два синхронно въртящи се диска. Дискове с отвори по периферията, твърдо монтирани на обща ос, действаха като синхронизирани щори, които генерираха светлинни импулси, преминаващи към фотодетекторите 2 , 4 . Абсолютната скорост на Земята се определя по формулата:
където ∆ аз 1 , ∆аз 2 – разлика в токовете, регистрирани в токовия детектор 5 при две различни скорости на осите н 1 и н 2. Проблемът със синхронизацията на затвора се решава чрез използване на твърда, механична връзка между дисковете чрез вал. Стойността на абсолютната скорост на Земята, определена в експеримента, е 362 ± 40 km/s. Вариант на експеримент върху свързани огледала, извършен от същия автор, дава подобен резултат.
Описаният експеримент на Маринов не може да бъде извършен до появата на лазерната технология, която позволява получаването на доста тесен лъч светлина. По този начин, въпреки факта, че идеята за такъв експеримент беше предложена от Майкелсън и Морли, беше невъзможно да се приложи по време на формирането на SRT.
Интерферентен метод за определяне на абсолютни скорости
Алтернативен начин за измерване на абсолютни скорости следва директно от закона за трансформация (1): T 2 = γ T 1, според който относителното забавяне на времето в две инерциални системи зависи от техните абсолютни скорости v 1 , v 2. Нека разгледаме два часовника, единият от които се движи по вектора на абсолютната скорост на Земята, а вторият в обратната посока; съответно абсолютната скорост на някои ще бъде по-голяма от абсолютната скорост на Земята, а на други по-малка. Последицата от такова движение, както може да се види от (1), ще бъде забавяне на скоростта на някои часовници и ускорение на скоростта на други в сравнение с часовниците, неподвижни спрямо Земята. Ролята на часовник в описаната по-долу експериментална идея играят линиите на забавяне на светлинния сигнал, движещи се в противоположни посоки спрямо земната система (фиг. 2).
Ориз. 2.Експеримент с интерференция върху движещи се оптични линии
Светлина от източник 1 (лазер) след разделяне 2 преминава през линии на забавяне 4 И 5 (намотки с дължина на навито влакно Ли индекс на пречупване н), от изхода на който се подават светлинни сигнали към фазовия дискриминатор 3 , регистрирайки фазовото отместване (∆φ) в момента, в който намотките заемат определено положение в пространството. Фазовият дискриминатор и намотките са здраво закрепени към цилиндъра. Цилиндърът с оптични влакна се върти с ъглова скорост ω, така че посоката на вектора на линейната скорост на намотките ( u) промени ( u = ω r,Където r– радиус на цилиндъра). Абсолютната скорост на Земята се определя по формулата:
Нека представим параметрите на експеримента, описан в за дължина на светлинната вълна λ = 0,5 μm: височина на цилиндъра 1,2 m, радиус r= 16 cm, скорост на въртене ω = 3600 rpm ( u= 60 m/s). Необходима дължина на влакното Лще бъде 2,5 км, с изчислената точност на измерване на абсолютната скорост на Земята дв= 3 km/s (което е с порядък по-точно от експеримента на Маринов).
Етер и космология
Резултатите от експериментите на Маринов ни позволяват да изложим хипотезата, че т.нар. Космическото микровълново фоново лъчение на Вселената е присъщият шум на етера, тъй като стойността на скоростта, измерена в експерименти, е близка до скоростта на Земята (Слънчевата система) по отношение на фона на космическото микровълново фоново лъчение, получено от астрономически наблюдения . В този случай „реликтовото” лъчение всъщност не е реликтово лъчение и следователно не служи като доказателство за произхода на Вселената според теорията за Големия взрив. Друг аргумент на привържениците на теорията за Големия взрив е да обяснят червеното изместване на спектъра на далечни звезди с ефекта на Доплер, дължащ се на разширяването на галактиките. Има обаче алтернативни обяснения. Например, причините за изместването на спектъра могат да бъдат: нехомогенността на етера - промяна в неговите свойства от центъра на Вселената към периферията (ако приемем, че нашата Галактика се намира в централната област на Вселената), или намаляване на енергията на електромагнитната вълна поради преминаването на огромно разстояние в носещата среда, докато абсорбира етер, част от енергията може впоследствие да бъде излъчена като шум (приема се, че процентът на абсорбираната енергия зависи само от изминато разстояние и не зависи от честотата на вълната). Концепцията за етера ни позволява да оправдаем един по-естествен възглед за Вселената. Вселената, подобно на етера, е вечна и следователно не се нуждае от обяснения за своя произход. Неговите съставни структурни елементи (галактики) непрекъснато се обновяват и се раждат нови, млади, за да заменят умиращите, стари. Друго виждане за еволюцията на Вселената имат последователите на концепцията за физическия вакуум, които обясняват възникването на Вселената чрез експлозия, свързана с раждането на елементарни частици в резултат на един от фазовите преходи във вакуум. Вселената, в съответствие с теорията за Големия взрив, не е вечна; тя ще умре или в резултат на разширяването на галактиките („студена смърт“ - модел на разширяваща се Вселена), или в резултат на колапс („гореща смърт“ ” - модел на осцилираща Вселена). Съответно, галактиките умират или самостоятелно (първи модел), или колективно (втори модел). В историята на науката никога не е имало по-„оптимистична“ теория от теорията за Големия взрив.
Фактът, че теорията за Големия взрив е изключително противоречива в съвременната наука, се доказва от множество трудове на учени - физици и астрономи. Така шведският астрофизик, носител на Нобелова награда Х. Алфвен казва: „Тази космологична теория представлява върха на абсурда - тя твърди, че цялата Вселена е възникнала в определен момент, като експлодираща атомна бомба, с размерите на глава на карфица. Изглежда, че в настоящия интелектуален климат голямото предимство на космологията на Големия взрив е, че тя е оскърбление за здравия разум: credo, quia absurdum („Вярвам, защото е абсурдно“)! Когато учените се борят срещу астрологичните глупости извън стените на „храмовете на науката“, би било хубаво да си припомним, че дори по-лоши глупости понякога се култивират в самите тези стени. .
Заключение
Концепцията за етера, възродена на базата на SET и експериментално потвърдена в експериментите на Маринов, е коренно различна от концепцията за физическия вакуум, идеите за които се развиват от принципа на относителността. Основните разлики между двете концепции са следните:
- Според етерната концепция електромагнитната вълна представлява разпространението на възбуждане на неподвижна среда - етер. В инерциалните референтни системи скоростта на светлината зависи от посоката на разпространение на вълната. В съвременната физика се е развил алтернативен възглед: светлината не се нуждае от носеща среда и се движи като корпускула, а скоростта на разпространение на светлината е изотропна и инвариантна в инерциалните системи.
- Всичко, което ни заобикаля, е в ефира. Структурата и динамиката на свойствата на нейните елементи определят такива фундаментални физически понятия като пространство и време. Така етерът, с който може да се свърже абсолютната референтна система от координати и време, е Абсолютното пространство-време на вечната Вселена. За разлика от етера, е невъзможно да се свърже референтна система с физическия вакуум, а Вселената, възникваща от вакуума, има ограничен живот.
- Етерната среда има всички характеристики на материален обект: създава шум в радиочестотния диапазон („реликтово излъчване“), тя е носител на електромагнитни вълни и спрямо етера експериментално може да се определи скоростта на телата и частиците. определен. Физическият вакуум в този смисъл е виртуален обект (не подлежи на пряка регистрация).
Признаването на съществуването на етера е окончателното отхвърляне на принципа на относителността и прехода към идеята за единството на божествения свят, обединен от всепроникваща среда - етерът. Тази среда определя абсолютната референтна рамка за пространствени координати и време. В социалната и духовната сфера, в която принципът на относителността е проникнал под формата на либерализъм и политеизъм, отхвърлянето на относителността на моралните ценности означава абсолютизиране на понятията за добро, морал и справедливост.
Обухов Юрий Алексеевич,
Захарченко Игор Иванович,
електронна поща: [имейл защитен].
Източници на информация:
- Калитеевски Н.И. Вълнова оптика. – М.: Висше училище, 1995.
- Lorenz G.A., в колекция. Принципът на относителността. – М.: Атомиздат, 1973.
- Обухов Ю.А., Захарченко И.И., Светоносен етер и нарушение на принципа на относителността, 2001 г.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Квантова електродинамика. – М.: Наука, 1989.
- Паршин Д.А., Зегря Г.Г. Лекция 27.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория на полето. – М., Наука, 1988.
- Маринов С. Физическа мисъл на Русия. Т. 2, 1995 г.
- Маринов С. Обща теория на относителността и гравитация. 12, стр. 57, 1980 г.
- Новиков И.Д. Еволюция на Вселената. М.: Наука, 1983.
- Захарченко И.И., Обухов Ю.А. Заявка за изобретение № 2001114292, 2001 г.
- Бъдещето на науката. Международен годишник. Vol. 12. – М., стр. 64, 1979.
Вижте също:
- За ефирния вятър. , 1999.
- Петров В.В. Експериментът на Майкелсън-Морли и хипотезата на Френел. , 2001.
- Естерле О.В.