5. Физический вакуум

Общепризнанно, что физическая терминология достаточно несовершенна. Вероятно, есть две основные причи­ны, порождающие недоразумения.

Во-первых, историческая: когда явление только начинает изучаться и возникает его название, отражающее лишь малую часть его истинной сущности. Затем термин прочно входит в быт физики, после чего выясняется, что суть явления совсем иная, чем это полагалось вначале. Типичным примером подобного недоразумения является введенный Г. Вейлем термин «калибровочная вариантность», отражавший первоначальное представление его автора об электродинамике как явлении, которое остается неизменным при изменении пространственно-временных масштабов.

Другой общей причиной несовершенства терминологии является принципиальная неадекватность слов (терминов) и глубинной сути явлений. Здесь вполне уместно напомнить знаменитый афоризм Тютчева: «Мысль изреченная есть ложь».

Термин «физический вакуум» несовершенен по обеим причинам. Прежде всего, еще из школьной физики мы помним, что он используется для определения весьма разреженных газов. Кроме того, с середины 20-х годов и особенно после замечательной работы П. Дирака, предсказавшего в 1928 г. существование позитрона, тер­мин «физический вакуум» завоевывает узаконенное положение в совершенно иной области —в квантовой теории поля. В первоначальной трактовке Дирака физический вакуум — система частиц, в которой отсутствуют позитроны. В рамках квантовой электродинамики это означает, что система электронов и фотонов включает также и физический вакуум. В трактовке Дирака, кото­рая, на наш взгляд, сохранила свое значение в рамках электродинамики и до сих пор, физический вакуум — это бесконечная совокупность электронов с отрицатель­ной энергией. Такая система обладает бесконечной отрицательной энергией, и ее непосредственно никто не наблюдал. Однако это свойство Дирак возвел в ранг постулата. В соответствии с такой картиной Дирак пред­сказал существование позитрона — «дырки» в физиче­ском вакууме. Эта картина казалась настолько фанта­стичной, что до 1932 г., когда был открыт позитрон, картину, нарисованную Дираком, большинство физиков полагали курьезным заблуждением. Ситуация в обще­ственном мнении полностью изменилась после открытия позитрона. Физический вакуум сделался хотя и не наб­людаемой, но физической реальностью. Однако опреде­ления или, точнее, представления о физическом вакууме модифицировались. Сохранилась идея, что вакуум — сис­тема, в которой отсутствуют реальные частицы данного сорта. Однако содержание этого понятия существенно обогатилось. Кроме электронно-позитронного вакуума, ввели представления о вакууме для других частиц. Наи­более глубокое развитие понятие вакуума получило пос­ле обобщения вакуума Дирака на любые фермионы (по­мимо электронов), а также и на бозоны. Сейчас подраз­деляют физический вакуум на бозонный и фермионный.

Выяснилось также, что физический вакуум может соответствовать не только полному отсутствию реальных частиц, но и понятию минимальной энергии системы.

В случае дираковского вакуума оба определения сов­падают. Однако для некоторых бозонных полей оба определения могут быть не вполне эквивалентны. Ча­стицы данного сорта могут существовать как реальные объекты, однако система в целом включает и вакуумное состояние. Необходимо лишь, чтобы энергия системы как функция поля была минимальной.

Вероятно, наиболее впечатляющим доказательством существования вакуумной материи является беспреце­дентное по точности предсказание взаимодействия реальных частиц с вакуумом. С первого взгляда может показаться, что автор запутался в дефинициях. Как реальная частица может взаимодействовать с ненаблю­даемыми частицами? Оказывается, может.

В рамках классических представлений сомнение в подобном взаимодействии вполне правомочно. Однако в квантовой теории поля существуют виртуальные частицы, время жизни которых определяется принципом неопределенности: t~h/mс², где m — масса вакуумной частицы. Например, для электрона t~10^-21 с. Это время слишком мало, чтобы частицы (в данном случае электроны с отрицательной энергией) можно было наблюдать непосредственно. Однако этого времени вполне достаточ­но, чтобы наблюдать взаимодействие реальных частиц с коллективом вакуумных частиц. Это взаимодействие проявляется в изменении характеристик реальных частиц. Так, аномальный магнитный момент электрона (отклонение магнитного момента электрона от боровского магнетона), обязанный взаимодействию электрона с вакуумом и вычисленный по правилам квантовой элек- тродинамики, совпадает с наблюдаемой величиной с юностью до одиннадцатого знака!

В результате взаимодействия электрона, находящегося в атоме водорода, с вакуумом возникает спектральная линия. Ее расчетное значение V_t=1057,91±0,01 МГц* спериментальное — v_e=1057,90±0,06 МГц.

Таким образом, физический вакуум — это новый тип реально существующей материи.

Возникает вопрос: можно ли наглядно интерпретировать свойства вакуума, не прибегая к понятию частиц с отрицательной энергией, которые не наблюдаются не­родственно в природе? По-видимому, для фермионов трудность остается. Однако для бозонов можно моделировать вакуум, используя известные представления, заимствованные из квантовой физики макроскопических тел²⁴.

²⁴ В дальнейшем изложении модели вакуума мы следуем ст.: Ниржниц Д. А., Линде А. Д. Фазовые превращения в физике элементарных частиц и космологии // Наука и человечество. М.: Знание, 1982. С. 165.

Бозоны, находясь в основном состоянии, обладают следующим уникальным свойством. С увеличением числа даже электронейтральных частиц и в пренебрежении гравитационными силами увеличивается их взаимное приритяжение. Иначе говоря, совокупность таких бозонов стремится увеличить свою концентрацию. Это свойство обусловлено квантовомеханическими особенностями бозонов, а сам ансамбль таких частиц называется бозеконденсатом.

Подобные системы нередко реализуются в макроскопической физике. Например, сверхпроводимость при низких температурах обусловлена свойствами бозе-конденсата. В бозе-конденсате увеличение концентрации частиц в основном состоянии определяется не увеличе­нием сил притяжения, а уменьшением эффективного давления в системе. Давление уменьшается, следова­тельно, уменьшается препятствие к увеличению кон­центрации. Такая парадоксальная ситуация приводит иногда к весьма непривычному уравнению состояния

р=-е. (63)

Обычно в уравнениях состояния, связывающих давле­ние р и плотность энергии вещества е, обе величины имеют одинаковый знак. Отметим, что полная плот­ность энергии материи остается неизменной, если вы­полняется уравнение состояния (63).

Эти свойства вакуума (постоянная плотность и справедливость уравнения (63)) в рамках ОТО анало­гичны описываемым взятом с соответствующим знаком Х-члёном в уравнении Эйнштейна.

Далее возникает вопрос, существуют ли частицы, которые четко реализуют основные свойства бозе-конденсата, и в частности уравнение состояния (63). Оказывается, что гипотетические частицы Хиггса, яв­ляющиеся неотъемлемым элементом объединенной тео­рии электрослабого взаимодействия, хорошо моделируют описанные свойства бозе-конденсата.

Спин частиц Хиггса равен нулю, и именно они обеспечивают наличие массы у переносчиков слабого взаимодействия: W⁺-, Z°-бозонов. Частицы Хиггса пока не были обнаружены на ускорителях из-за их большой массы и (или) слабости взаимодействия с другими ча­стицами. Отметим, что в отличие от частиц с отрица­тельной энергией нет никаких принципиальных труд­ностей в наблюдениях частиц Хиггса. Полагают, что их массы превышают 100 ГэВ и поэтому на современных ускорителях их нельзя воспроизвести. На рис. 7 (кри­вая 1) представлена типичная зависимость потенциала взаимодействия хиггсовских частиц V(ф) от значения описывающего их поля. На этой кривой легко заметить два минимума: один соответствует значению поля Ф=0, второй соответствует значению ф=ф_o=0. Важно отметить, что V(0)>V(ф_o). Следовательно, в принципе система из состояния ф=0 может спонтанно «скатиться в состояние Ф=Фо, обратный же процесс без внешнего воздействия невозможен. Значение ф=ф_о соответствует абсолютно устойчивому состоянию вакуума скалярных частиц Хиггса.

Д, А. Киржниц и А. Д. Линде показали, что зависи­мость V (ф) существенно зависит от температуры конденсата Т_с. При Т>Т_С минимум при ф=фо исчезает (кривая 2) и остается один минимум — при ф=0. Кривая V (ф) становится симметричной относительно прямой ф=0, перпендикулярной оси абсцисс. На кривой 1, соответствующей Т-0, такая симметрия отсутствует. По современным воззрениям, возникновение асимметрии скалярного вакуума приводит к появлению массы у частиц.

Рис. 7. Зависимость плотности

энергии скалярного поля от значения поля ф

Кривая 1 соответствует температуре Т-0, кривая 2 - Т- 00

Любопытная ситуация возникает при изменении (например, уменьшении) температуры Т. При высоких температурах реализуется симметричная зависимость 2; Ш мере уменьшения температуры при некотором критическом значении Т=Т_С появляется второй минимум, со­путствующий кривой 1. Симметрия системы (вакуума) изменилась, т. е. в ней произошел фазовый переход.

В заключение нужно отметить, что ситуация с пони­манием физического вакуума далека от завершения. Введенная Дираком бесконечность энергии вакуума полностью не устранена до сих пор. Большие надежды возлагают на так называемые суперсимметричные теории, в которых энергии бозонных и фермионных вакуумов взаимно компенсируют друг друга так, что суммарная энергия вакуума обращается в нуль. Однако эта весьма красивая и привлекательная идея наталкивается на одну трудность. В наблюдаемом нами мире симметрия между фермионами и бозонами отсутствует. Не обнаружено ни малейшего соответствия между наблюдаемыми совокуп­ностями бозонов и фермионов. Обычно говорят о нару­шенной суперсимметрии при очень больших энергиях. К сожалению, в настоящее время отсутствует убедитель­ный критерий, определяющий масштаб нарушения су­персимметрии.

1 Модель Вселенной была разработана нидерландским астроно­мом В. де Ситтером в 1917 г. на основе общей теории отно­сительности. Подробное изложение модели де Ситтера в ее цервоначальной интерпретации содержится в кн.; Толмен, Р. Относительность, термодинамика и космология. М.: Наука, 1974.

89