Павлов Е. В. Современные представления о природе вакуума

Павлов Е.В.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ
ВАКУУМА
Можно утверждать, что во всей современной фундаментальной науке одной из самых
сложных и вместе с тем исключительно важной является проблема вакуума. По сложности
она не уступает проблеме исследования свойств и структуры вещества.
Отказ от представлений о вакууме, как о пустоте является концептуальным положением современной физики. Внедрение в сознание студентов этого положения можно осуществить, используя исторический аспект, показывая, как основные положения учения о вакууме постепенно формировались у основоположников современной физики.
Интуитивно люди всегда не воспринимали идею абсолютной пустоты. Поэтому, когда
экспериментально были обнаружены электромагнитные волны, то был введен в обращение
эфир, заполняющий все мировое пространство. Электромагнитное поле стало рассматриваться как следствие возмущения эфира. Однако эксперимент и теория не подтверждали существование эфира.
Затем одновременно с созданием квантовой теории электромагнитного поля и электромагнитных взаимодействий было введено понятие физического вакуума как «моря» виртуальных частиц. Эта идея была предложена Дираком как вариант объяснения одного из решений
квантовомеханического волнового уравнения. Частицы этого «моря» полностью заполняют
все энергетические уровни в области отрицательных энергий и поэтому в обычных условиях
ничем не заявляют о своем существовании. Но в настоящее время идея Дирака представляет
лишь исторический интерес и не применяется в теории вакуума.
Физический вакуум всегда определялся как наинизшее энергетическое состояние
квантовых полей. Каждому виду микрочастиц согласно квантовой теории соответствует свое
волновое поле. Каждая элементарная частица соответствует возбужденному состоянию соответствующего поля.
Когда возникла идея объединения электромагнитного и слабого взаимодействий, то,
несмотря на очевидное различие между фотонами и квантами поля слабых взаимодействий,
то есть массивными бозонами W  и Z 0 , физикам пришлось ввести особые скалярные поля.
К скалярным полям относятся такие поля, квантами которых являются частицы со спином
нуль.
Так как те скалярные поля, которые используются при построении теории вакуума, не
принято изучать в курсах общей физики, и тем более в школе, то, в качестве примера, будет
уместным при объяснении материала о вакууме сослаться на знакомое многим аналогичное
понятие. В данном случае можно вспомнить о том скалярном потенциале, который связан с
напряжением в цепи электрического тока.
Хорошо известное электрическое поле появляется в окружающем пространстве только
тогда, когда этот скалярный потенциал неодинаков в разных точках пространства, или если
он изменяется со временем. (Вектор напряженности электрического поля определяется через
градиент скалярного потенциала.) Если бы в любой точке Вселенной электростатический
потенциал был одним и тем же, то никто не смог бы обнаружить указанное скалярное поле.
Для неподготовленного человека это поле воспринималось бы просто как иное состояние
пустоты, или как состояние вакуума.
Скалярные поля, которые определяют вакуум, заполняют Вселенную и проявляют себя
тем, что могут воздействовать на свойства элементарных частиц.
При построении теории единого поля, которое ответственно за электрослабое взаимодействие, было принято, что первоначально все частицы были легкими, и не существовало фундаментальных различий между слабыми и электромагнитными взаимодействиями.
Различие между ними теоретически возникает на следующей стадии, когда при расширении
160
Вселенной, последовавшем после Большого Взрыва, она заполняется разными скалярными
полями. Процесс, в результате которого фундаментальные силы становятся различными по
величине, называется спонтанным нарушением симметрии. При этом имеет место механизм
динамической генерации масс элементарных частиц. Согласно этому механизму, взаимодействуя с частицами W  и Z 0 , скалярные поля делают их тяжелыми. Наоборот, фотоны, которые не взаимодействуют со скалярными полями, остаются «легкими».
Основная идея, лежащая в процедуре динамической генерации массы, заключается в
предположении, что скалярные поля являются нелинейными. Если поле нелинейное, то оно
способно взаимодействовать само с собой.
Пояснить нелинейный характер поля можно на примере гравитационного поля. Согласно классической теории тяготения Ньютона гравитационное поле нескольких массивных
тел равно сумме гравитационных полей, создаваемых каждым телом в отдельности. Но в
соответствии с общей теорией относительности при вычислении такого гравитационного
поля нужно еще учесть и гравитационную энергию их взаимного притяжения. Но эта энергия
зависит от взаимного расположения масс и меняется при их движении. Этим объясняется
нелинейный характер гравитационного поля, которое на самом деле не равно сумме полей,
создаваемых каждой массой в отдельности, а является сложной функцией положений и скоростей всех масс.
В настоящее время утверждается идея, что вакуум является характеристикой самого
пространства-времени. Принято считать, что сложная структура физического вакуума определяется слоистой геометрией пространства-времени, причем пространство-время может
иметь внутреннюю дискретную микроскопическую структуру.
Можно отметить, что скалярные поля определяют энергетические характеристики взаимодействий, тогда как векторные поля характеризуют силовые величины взаимодействий, и
именно они ответственны за расслоение пространства-времени.
Исследования взаимодействий элементарных частиц показало, что при электромагнитных взаимодействиях совокупность соответствующих слоев пространства-времени способна
находиться в недеформированном состоянии. При слабых и сильных взаимодействиях соответствующие слоистые структуры пространства-времени деформируются, причем, деформированное состояние этих структур является энергетически выгодным.
Одним из основных постулатов физики микромира является принцип неопределенности. В соответствии с этим принципом для квантовых полей можно использовать представление о нулевых колебаниях. Нулевые колебания существуют в каждой точке пространства и
могут взаимодействовать с любыми элементарными частицами. Например, в опытах Лэмба и
Резерфорда сдвиг энергетических уровней электронов в атомах водорода как раз и обусловлен взаимодействием электронов с нулевыми колебаниями вакуума.
Разные состояния квантовых силовых полей вследствие суперпозиции могут непрерывно переходить друг в друга. Эти переходы сопровождаются мощными квазилокализованными флуктуациями большой амплитуды. Флуктуации непрерывно рождаются и исчезают,
но среднее число их в каждой области пространства и в каждый момент времени остается неизменным. Такие состояния слоистых структур возникают даже в тех областях пространства,
где нет материи в обычном понимании. Они имеют определенные энергетические характеристики. Эти структуры называют вакуумными конденсатами.
Конденсат скалярного поля – это специальный термин, который появился в физике после создания квантовой теории поля.
Что скрывается за этим термином, можно пояснить, если рассмотреть образование бозонного конденсата.
Все элементарные частицы можно разбить на две большие группы, различающиеся по
величине спина. Одни частицы обладают полуцелым спином и называются фермионами, а
другие обладают целым спином и называются бозонами.
В отличие от фермионов, для которых справедлив принцип Паули, взаимодействующие бозоны стремятся занять одно положение в фазовом пространстве и обладать одина161
ковыми энергетическими характеристиками. В этом случае физики говорят об образовании
бозонного конденсата.
По всем основным характеристикам конденсат скалярного поля подобен вакууму виртуальных частиц, и поэтому он называется состоянием вакуума скалярного поля.
Важно отметить, что исследования вакуумных конденсатов связаны с ответом на вопрос о природе масс нуклонов.
Вакуумные флуктуации, которые в обычных условиях нестабильны, могут быть стабилизированы при взаимодействии с кварковыми конфигурациями. В результате такой стабилизации образуются реальные барионы и мезоны. В итоге можно сказать, что все частицы
материи приобретают свои массы за счет взаимодействия с вакуумным конденсатом и что
вакуум можно считать системой, порождающей материю. Частицы можно рассматривать как
возбуждения вакуума.
В качестве подтверждения этого положения можно привести следующие рассуждения.
В состав нуклонов, как известно, входят по три кварка типа u и d. Если подсчитать суммарную массу трех кварков типа u и d, то получим величину, которая составляет не более 2 %
от массы нуклона. В то же время, согласно экспериментальным исследованиям внутренней
структуры нуклонов, на энергию движения кварков внутри нуклонов приходится менее половины массы нуклона. Поэтому получается, что энергия, затраченная на перестройку вакуума, составляет почти половину массы нуклона. Следовательно, напрашивается вывод о том,
что действительно структура вакуума определяет природу массы нуклонов. Для пи-мезона
эта энергия составляет почти всю его массу. Это объясняется тем, что пи-мезон рассматривается как квантовая волна в вакуумном конденсате.
Можно сказать, что масса W  и Z 0 бозонов определяется их взаимодействием с одной из подсистем вакуума, известной как хиггсовский конденсат. В 1964 году шотландский
физик Питер Хиггс предположил, что существует некое не известное тогда науке скалярное
поле. П. Хиггс впервые предложил ввести в теорию представление о спонтанном нарушении
вакуумной симметрии. Хиггсовский конденсат соответствует деформации пространственновременных слоев и имеет определенные энергетические характеристики.
Квантами волнового возбуждения хиггсовского конденсата являются хиггсовские бозоны.
Нужно отметить, что хиггсовский конденсат не является единственной подсистемой,
определяющей свойства вакуума. Кроме хиггсовского конденсата имеется еще одна подсистема, которая называется кварк-глюонным конденсатом. Кварк-глюонный конденсат – это
система сильно взаимодействующих кварковых и глюонных флуктуаций. Глюонный конденсат порождается флуктуирующим глюонным полем. В свою очередь, глюонный конденсат
индуцирует появление кваркового конденсата, и при этом из вакуума извлекаются сильно
взаимодействующие и сильно скоррелированные между собой кварковые флуктуации. В итоге образуется кварк-глюонный конденсат как совокупность всех этих кварковых и глюонных
вакуумных флуктуаций.
Обе вакуумные подсистемы – хиггсовский конденсат и кварк-глюонный конденсат –
вносят примерно одинаковый вклад в величину массы нуклона.
В настоящее время развертывается экспериментальный поиск хиггсовского бозона.
Уровень наших знаний о природе вакуума вселяет уверенность, что скалярные частицы, свойства которых напоминают свойства хиггсовских бозонов, будут открыты.
Можно добавить, что в связи с последними наблюдательными открытиями в космологии теперь широко проводятся актуальные исследования также и космического вакуума.
Материал о космическом вакууме непременно должен рассматриваться как составная часть
учения о вакууме.
162
1.
2.
3.
4.
Литература
Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. – М.:
Изд-во МГУ, 2001. – 232 с.
Клапдор-Клайнгротхауз Г.В., Цюрбер К. Астрофизика элементарных частиц. – М.: Изд. ред.
журн. УФН, 2000. – 495 с.
Архангельская И.В., Розенталь И.Л., Чернин А.Д. Космология и физический вакуум. – М.:
КомКнига, 2006. – 216 с.
Сажин М.В. Современная космология в популярном изложении. – М.: Едиториал УРСС, 2002.
– 240 с.
Pavlov E.
MODERN IDEAS ABOUT THE NATURE OF VACUUM
In this article, the historical development of cognition of physical vacuum, as well as some
modern ideas concerning its nature and physical properties of elementary particles, has been
discussed.
163