4. Физическая реальность — не только вещество и излучение.

Что еще есть в мире помимо вещества и излучения?

В поисках ответа на этот вопрос возьмем некоторый ограниченный объем в пространстве, скажем, куб с ребром в 1 м и выберем из него все, что из него можно выбрать. Легче всего мыслить удаленным из пространства вещество, поскольку оно образовано некоторыми корпускулами — элементарными частицами с конечной массой покоя. И хотя технически столь глубокий вакуум недостижим, но все же легко мыслить такую ситуацию, когда в ограниченном пространстве число частиц вещества оказывается равным нулю и пространство заполнено одним излучением.

Для того , чтобы теперь рассмотреть возможность исключения излучения из нашего ограниченного объема в пространстве, вспомним запись энергии для квантового осциллятора:

,

здесь E — энергия квантового осциллятора; n — число возбужденных уровней осциллятора (т.е. число частиц излучения или квантов поля); h — постоянная Планка; n — частота.

Исключение излучения из рассматриваемого объема достигается приравниванием числа квантов излучения n нулю. Однако, как очевидно, мы не достигаем пустоты! Ибо в пространстве, из которого изъяты все частицы вещества, а теперь изъяты и кванты поля (или частицы излучения) нечто остается. Об этом свидетельствует ненулевое значение энергии для нулевого осциллятора:

.

Так мы приходим к новой физической сущности в современной картине природы — нулевому полю или физическому вакууму. Прежде всего это выражение

означает, что после того, как мы последовательно исключили из рассмот­ре­ния вещество и излучение, мы все же не достигаем пустоты, или, если угодно, что пустота обладает некоторыми физическими свойствами, в частности способна к спонтанному энергетическому проявлению. Последнее экспериментально зафиксировано в явлении так называемого лэмбовского сдвига — смещении уровней энергии связанных состояний электрона во внешнем поле (например, в поле ядра атома), обусловленное спонтанными флюктуациями вакуума. Другим экспериментальным подтверждением феномена нулевого поля является эффект поляризации вакуума, приводящий к частичной экранизации собственного заряда помещенной в вакуум частицы (например, заряда ядра атома и т.п.).

В связи с этим на первый взгляд может показаться, что так называемой пустоте — пространству, в котором нет ни вещества, ни излучения — следует приписать некоторую энергию, равную полукванту энергии для каждой частоты колебаний любого квантового поля! Однако следует сразу же предостеречь против наивно реалистического истолкования этой записи для энергии нулевого осциллятора. Дело в том, что всякая попытка истолкования записи как непосредственного выражения некоторого реального запаса энергии сразу же ведет к абсурдным следствиям: пустота должна обладать бесконечным запасом энергии, ибо интегрирование по всем частотам дает именно такой результат. Следовательно в пустоте должна быть сосредоточена и бесконечная масса, бесконечная плотность и т.п.

Надо также отметить, что наличие физического вакуума совершенно неизбежно для любого вида квантовых полей, известных сегодня в физике, да еще и неизвестных. Так что в пустоте следует ожидать проявления эффектов аддитивности всех этих квантовых полей, если им приписать непосредственную реальность.

Наконец, с квантовой точки зрения любое реальное количество энергии, которое может быть излучено или поглощено всегда кратно целым порциям hn, а здесь мы имеем

,

что вообще говоря противоречит исходным для квантовой физики представлениям о квантованности энергии излучения. Всего этого более чем достаточно для того, чтобы отказаться от наивно-реалистического истолкования природы физического вакуума как некоего физического поля, существующего наряду с другими полями и частицами. Каков же подлинный смысл выражения

?

Здесь мы снова сталкиваемся с необходимостью коренного изменения нашего взгляда на мир и соответствующего изменения нашего языка.

Приверженность нашего языка и мышления традиционному и в сущности классическому объективированию любых физических сущностей в пространственно-временных терминах проявляется в том, что вакуум мыслится в виде чего-то, вложенного в пространство: некоей новой физической сущности наряду с полями и веществом. Его мыслят в виде поля, заполняющего все пространство; Среды с определенными физическими свойствами и т.п. Иногда даже на этой основе пытаются дать объяснение квантовым вероятностям в поведении микрообъектов: электрон-де непрерывно подвержен воздействиям со стороны флюктуаций вакуума и поэтому его поведение поддается лишь вероятностному описанию. Однако, при таком подходе вопрос о природе квантовых вероятностей не решается, а только переносится дальше ( или глубже): какова природа и источник флуктуаций вакуума? Кроме того, если бы вероятности, представленные y-функцией электрона, проистекали из столь внешнего, столь неорганизованного и никаким образом несвязанного с электроном источника, то такие красивые эффекты в поведении электрона, как квантовые корелляции и интерференционные эффекты были бы в принципе невозможны. Очевидно, представления такого рода слишком классичны, чтобы быть верными.

На самом деле запись нулевой энергии квантового осциллятора нужно понимать не как указание на существование некоторого физического “нечто”, обладающего реальной энергией, а в полном соответствии с вероятностной интерпретацией квантовой механики как свидетельство принципиально не устранимой и не сводимой к нулю вероятности рождения так называемых виртуальных целых порций (квантов поля) или пар частиц в пустоте. Почему же имеют место эти последние — вероятности рождения частиц и квантов поля — и почему они не устранимы?

Ответ на этот вопрос содержится в уже известной нам основной идее квантовой механики, связанной с допущением планковской константы h. Эта идея состоит в признании уникального свойства целостности и неразложимости мира на множество каких-либо элементов в субквантовом уровне.

Именно так понимаемое уникальное свойство целостности мира и связанная с ним (от него производная) неустранимая и всегда сохраняющаяся неполная разложимость мира на множества элементов является объективной основой существования “в пустоте” неустранимой и несводимой к нулю вероятности рождения частиц и квантов полей. Здесь лежит общий источник вероятностной природы квантовых объектов и первичного характера вероятностей в квантовой картине мира.

Косвенное подтверждение такой трактовки физического вакуума мы находим в концепции виртуальных частиц, которые используются в физике в качестве технического средства описания вакуума, взаимодействия реальных частиц с вакуумом и реальных частиц между собой. Виртуальные частицы — кванты релятивистских волновых полей, участвующих в вакуумных флуктуациях. Они имеют те же физические характеристики (т.н. квантовые числа), что и обычные реальные частицы и отличаются от последних тем, что для них не выполняется соотношение специальной теории относительности между энергией частицы Е, импульсом p и массой m:

.

Поэтому эти частицы не могут быть физически наблюдаемыми и не являются реальными частицами в обычном понимании. Но именно эти виртуальные частицы являются переносчиками всех видов взаимодействия в квантовом мире, а также через их посредство реализуется взаимодействие реальных частиц с вакуумом. Первоначально эти частицы появились как чисто математический прием описания взаимодействия в субядерном мире. Однако позже они заняли некоторый промежуточный статус между реальностью и возможностью в квантовом мире. Определенная доля реальности, приписываемая виртуальным частицам, проистекает из безусловной реальности репрезентуемого ими свойства конечной целостности и неразложимости мира на множество каких-либо частиц в субквантовом уровне. Неполнота реальности виртуальных частиц есть естественное следствие несоответствия языка частиц и их множеств природе этого свойства: как физически реальные эти частицы безусловно не существуют, это лишь способ модельного описания специфических условий поведения и взаимодействия частиц в субядерном мире, проистекающих из конечной неразложимости мира на элементы и множества в субквантовом уровне.

Явный учет фундаментального субквантового свойства мира как неделимой единицы, свойства конечной неразложимости его на элементы и множества, выступающего источником неустранимых вероятностей спонтанного рождения частиц и полей, оказывается совершенно необходимым для понимания такого в высшей степени экзотического для классической рациональности, но уже общепринятого факта квантовой космологии как квантовое рождение наблюдаемой вселенной “из ничего”.