Реферат: Роль вакуума в процессе рождения Вселенной

Заказ № зн-2950

Реферат

Роль вакуума в процессе рождения Вселенной

Содержание

Введение… 3

1.Роль вакуума в процессе рождения Вселенной… 4

2. Понимание вакуума в современной физике… 9

Заключение… 14

Список литературы… 15

Введение

Вакуум в истории философии и науки обыкновенно употреблялось для обозначения пустоты, абсолютно противопоставляемой телесным, вещественным образованиям.

Концепция вакуума была раскрыта с естественнонаучной стороны в учении Ньютона об «абсолютном пространстве», который видел это как пустое вместилище для материальных объектов.

Новейшее развитие физики элементарных частиц привело к возникновению и становлению ряда новых концепций.

Поиск единства естественнонаучного знания предполагает проблему определения исходного пункта теории. Данная проблема является особенно важной для современной физики, где используется единый подход для построения теории взаимодействий.

1. Роль вакуума в процессе рождения Вселенной

Понятие вакуум в истории философии и науки обычно употреблялось для обозначения пустоты, «пустого» пространства, т.е. «чистой» протяженности, абсолютно противопоставляемой телесным, вещественным образованиям. Последние рассматривались как чистые вкрапления в вакуум. Такой взгляд на природу вакуума был свойственен древнегреческой науке, основоположниками которой являлись Левкипп, Демокрит, Аристотель. Атомы и пустота — две объективные реальности, фигурировавшие в атомистике Демокрита. Пустота так же объективна, как и атомы. Только наличие пустоты делает возможным движение. Эта концепция вакуума получила развитие в работах Эпикура, Лукреция, Бруно, Галилея и др. Наиболее развернутую аргументацию в пользу вакуума дал Локк.

Концепция вакуума была наиболее полно раскрыта с естественнонаучной стороны в учении Ньютона об «абсолютном пространстве», понимаемом как пустое вместилище для материальных объектов.[1] Но уже в 17 веке все громче раздаются голоса философов и физиков, отрицающих существование вакуума, так как неразрешимым оказался вопрос о природе взаимодействия между атомами. По Демокриту, атомы взаимодействуют друг с другом только путем непосредственного механического контакта. Но это вело к внутренней противоречивости теории, так как устойчивый характер тел мог быть объяснен только непрерывностью материи, т.е. отрицанием существования пустоты, исходного пункта теории. Попытка Галилея обойти это противоречие, рассматривая малые пустоты внутри тел как связующие силы, не могла привести к успеху в рамках узкомеханистической трактовки взаимодействия. С развитием науки, в дальнейшем эти рамки были сломаны, — был предложен тезис о том, что взаимодействие может передаваться не только механическим путем, но и электрическими, магнитными и гравитационными силами. Однако это не решило проблемы вакуума. Боролись две концепции взаимодействия: «дальнодействия» и «близкодействия». Первая основывалась на возможности бесконечно большой скорости распространения сил через пустоту. Вторая требовала наличия некоторой промежуточной, непрерывной среды. Первая признавала вакуум, вторая его отрицала. Первая метафизически противопоставляла вещество и «пустое» пространство, вносила в науку элементы мистики и иррационализма, вторая же исходила из того, что материя не может действовать там, где ее нет. Опровергая существование вакуума, Декарт писал: "… что касается пустого пространства в том смысле, в каком философы понимают это слово, то есть такого пространства, где нет никакой субстанции, то очевидно, что в мире нет пространства, которое было бы таковым, потому что протяжение пространства как внутреннего места не отличается от протяжения тела".

Отрицание вакуума в работах Декарта и Гюйгенса послужило отправной точкой для создания физической гипотезы эфира, продержавшейся в науке до начала 20-го века. Развитие в конце 19-го века теории о поле и появление в начале 20-го века теории относительности окончательно «похоронило» теорию «дальнодействия». Была разрушена и теория эфира, так как было отвергнуто существование абсолютной системы отсчета. Но крушение гипотезы существования эфира не означало возврата к прежним представлениям о наличии пустого пространства: сохранились и получили дальнейшее развитие представления о физических полях. Проблема, поставленная еще в античные времена, решена практически современной наукой. Вакуумной пустоты не существует. Наличие «чистой» протяженности, «пустого» пространства противоречит основным положениям естествознания. Пространство не есть особая сущность, обладающая бытием наряду с материей. Как материя не может быть лишена своих пространственных свойств, так и пространство не может быть «пустым», оторванным от материи. Этот вывод находит свое подтверждение и в квантовой теории поля.

Открытие У.Лэмбом сдвига уровней атомных электронов и дальнейшие работы в этом направлении привели к пониманию природы вакуума как особого состояния поля. Это состояние характеризуется наименьшей энергией поля, наличием нулевых колебаний поля. Нулевые колебания поля проявляются в виде экспериментально обнаруженных эффектов. Следовательно, вакуум в квантовой электродинамике обладает рядом физических свойств и не может рассматриваться как метафизическая пустота. Более того, свойства вакуума определяют свойства окружающей нас материи, а сам по себе физический вакуум является исходной абстракцией для физики.

Новейшее развитие физики элементарных частиц привело к возникновению и становлению ряда новых концепций. Важнейшими из них являются следующие, тесно связанные концепции:

— идея геометрической интерпретации взаимодействий и квантов физических полей;

— представление об особых состояниях физического вакуума — поляризованных вакуумных конденсатов.

Геометрическая интерпретация частиц и взаимодействий реализована в так называемых калибровочных и суперкалибровочных теориях. В 1972 г. Ф. Клейном была выдвинута «Эрлангенская программа», в которой выражалась идея систематического применения групп симметрий к изучению геометрических объектов. С открытием теории относительности теоретико-групповой подход проникает и в физику. Известно, что в общей теории относительности гравитационное поле рассматривается как проявление искривления четырехмерного пространства-времени, изменения его геометрии вследствие действия всевозможных видов материи. Благодаря работам Г. Вейля, В. Фока, Ф. Лондона впоследствии удалось описать электромагнетизм в терминах калибровочной инвариантности с абелевой группой. В дальнейшем были созданы и неабелевы калибровочные поля, описывающие преобразования симметрии, связанной с вращением в изотопическом пространстве. Далее в 1979 году была создана единая теория электромагнитных и слабых взаимодействий. А сейчас активно разрабатываются теории Великого объединения, объединяющие сильное и слабое электрическое взаимодействие, а также теории Суперобъединения, включающей единую систему сильного и электрослабого, а также гравитационного поля.

В теории Суперобъединения делается попытка впервые органично соединить понятия «вещества» и «поля». До появления так называемых суперсимметричных теорий бозоны (кванты полей) и фермионы (частицы вещества) рассматривались как частицы, имеющие различную природу.[2] В калибровочных теориях это различие до сих пор снять не удалось. Калибровочный принцип дает возможность свести действие поля к расслоению пространства, к проявлению его сложной топологии, а все взаимодействия и физические процессы представить как движение по псевдогеодезическим траекториям расслоенного пространства. Это попытка геометризации физики. Бозонные поля являются калибровочными полями, непосредственно и однозначно связанными с определенной группой симметрии теории, а фермионные поля вводятся в теорию достаточно произвольно.

В теории Суперобъединения преобразования суперсимметрии способны переводить бозонные состояния в фермионные и наоборот, а сами бозоны и фермионы объединяются в единые мультиплеты. Характерно, что подобная попытка в суперсимметричных теориях приводит к сведению внутренних симметрий к внешним, пространственным симметриям. Дело в том, что преобразования, связывающие бозон с фермионом, примененные повторно, сдвигают частицу в другую точку пространства-времени, т.е. из суперпреобразований получаются преобразования Пуанкаре. С другой стороны локальная симметрия относительно преобразования Пуанкаре приводит к общей теории относительности. Таким образом, обеспечивается связь между локальной суперсимметрией и квантовой теорией гравитации, которые рассматриваются как теории, имеющие общее содержание.

В программе Калуци-Клейна использована идея о возможности существования пространства-времени с измерениями, большими четырех. В этих моделях в микромасштабе пространство имеет большую размерность, чем в макромасштабе, поскольку дополнительные размерности оказываются периодическими координатами, период которых исчезающе мал. Расширенное пятимерное пространство-время может рассматриваться как общее ковариантное четырехмерное многообразие с локальной инвариантностью в этом же пространстве-времени. Идея — это геометризация внутренних симметрий. Пятое измерение в этой теории компактифицируется и проявляется в виде электромагнитного поля со своей симметрией, и поэтому оно уже не проявляется как пространственное измерение. Сама по себе последовательная геометризация всех внутренних симметрий была бы невозможна по следующей причине: из метрики могут быть получены только бозонные поля, в то время как окружающее нас вещество состоит из фермионов. Но, как отмечалось выше, в теории Суперобъединения ферми- и бозе-частицы рассматриваются как равноправные, объединенные в единые мультиплеты. И именно в суперсимметричных теориях идея Калуци-Клейна особенно привлекательна.

В последнее время основные надежды на построение единой теории всех взаимодействий стали возлагаться на теорию суперструн. В этой теории точечные частицы заменяются суперструнами в многомерном пространстве. С помощью струн стараются охарактеризовать концентрацию поля в некоторой тонкой одномерной области — струне, что не достижимо для других теорий. Характерная особенность струны — наличие многих степеней свободы, чего нет у такого теоретического объекта, как материальная точка. Суперструна, в отличие от струны — объект, дополненный по идее Калуци-Клейна определенным числом степеней свободы, большим четырех. В настоящее время в теориях Суперобъединения рассматриваются суперструны с десятью и более степенями свободы, шесть из которых должны компактифицироваться во внутренние симметрии.

Из всего вышесказанного можно заключить, что единая теория, по всей видимости, может быть построена на фундаменте геометризации физики. Это по-новому ставит философскую проблему об отношении материи и пространства-времени, потому что на первый взгляд геометризация физики приводит к отделению понятия пространства-времени от материи. Поэтому представляется важным выявление роли физического вакуума как материального объекта в формировании геометрии известного нам физического мира.[3]

2. Понимание вакуума в современной физике

В рамках современной физики, физический вакуум — основное, т.е. энергетически низшее, квантовое состояние поля, в котором отсутствуют свободные частицы. При этом отсутствие свободных частиц не означает отсутствия так называемых виртуальных частиц (процессы рождения которых в нем постоянно происходят) и полей (это противоречило бы принципу неопределенности). В современной физике сильных взаимодействий основным объектом теоретических и экспериментальных исследований являются вакуумные конденсаты — области уже перестроенного вакуума с ненулевой энергией. В квантовой хромодинамике это кварк-глюонные конденсаты, которые являются носителями около половины энергии адронов. В адронах состояние вакуумных конденсатов стабилизируется хромодинамическими полями валентных кварков, несущих квантовые числа адронов. Кроме того, существует еще и самополяризованный вакуумный конденсат. Он представляет собой область пространства, в котором отсутствуют кванты фундаментальных полей, но их энергия (полей) не равна нулю. Самополяризованный вакуум — пример того, как расслоенное пространство-время является носителем энергии. Область пространства-времени с самополяризованным вакуумным глюонным конденсатом в эксперименте должна проявляться как мезон с нулевыми квантовыми числами (глюоний). Такая интерпретация мезонов для физики имеет принципиальное значение, так как в этом случае мы имеем дело с частицей чисто «геометрического» происхождения. Глюоний может распадаться на другие частицы — кварки и лептоны, т.е. мы имеем дело с процессом взаимопревращения вакуумных конденсатов в кванты поля или, иначе говоря, с перекачкой энергии из вакуумного конденсата в вещество.

Из этого обзора видно, что современные достижения и идеи физики могут привести к неверной философской трактовке соотношения материи и пространства-времени. Мнение, что геометризация физики сводится к геометрии пространства-времени, является ошибочным. В теории Суперобъединения делается попытка всю материю представить в виде конкретного объекта — единого самодействующего суперполя. Сами по себе геометризованные теории в естествознании являются лишь формами описания реальных процессов. Для того чтобы из формальной геометризованной теории суперполя получить теорию реальных процессов, его необходимо проквантовать. Процедура квантования предполагает необходимость макрообстановки. Роль такой макрообстановки берет на себя пространство-время с классической неквантовой геометрией. Чтобы получить его пространство-время, надо вычленить макроскопическую составляющую суперполя, т.е. составляющую, которую с большой точностью можно было бы считать классической. Но разделение суперполя на классическую и квантовую составляющие является операцией приближенной и имеет смысл не всегда. Таким образом, существует граница, за которой стандартные определения пространства-времени и материи теряют смысл. Пространство-время и материя за ней сводятся в общую категорию суперполя, не имеющей операционного определения (пока). Пока нам неизвестно, по каким законам эволюционирует суперполе, потому что у нас нет классических объектов типа пространства-времени, с помощью которых мы могли бы описать проявления суперполя, а другим аппаратом мы пока не обладаем. По всей видимости, многомерное суперполе есть элемент еще более общей целостности, и является результатом компактификации бесконечномерного многообразия. Суперполе, таким образом, может быть лишь элементом другой целостности. Дальнейшая эволюция суперполя как целого приводит к возникновению различных видов материи, различных форм ее движения, существующих в четырехмерном пространстве-времени.[4]

Вопрос о вакууме встает в рамках вычлененного целого — суперполя. Исходный вид нашей Вселенной, как считают физики, вакуумный. И при описании истории эволюции нашей Вселенной рассматривается конкретный физический вакуум. Способ существования этого конкретного физического вакуума есть конкретное четырехмерное пространство-время, организующее его. В таком смысле вакуум может быть выражен через категорию содержания, а пространство-время — через категорию формы как внутренней организации вакуума. В этом контексте рассмотрение по отдельности исходного вида материи — вакуума и пространства-времени нашей Вселенной является ошибкой, так как является отрывом формы от содержания. Таким образом, мы подходим к вопросу об исходной абстракции в построении теории физического мира. Ниже приведены основные признаки, которые предъявляются к исходной абстракции. Исходная абстракция должна:

— быть элементом, элементарной структурой объекта;

— быть всеобщей;

— выражать сущность предмета в неразвитом виде;

— содержать в себе в неразвитом виде противоречия предмета;

— быть предельной и непосредственной абстракцией;

— выражать специфику исследуемого предмета;

— совпадать с тем, что было исторически первым в реальном развитии предмета.

Далее, рассмотрим все вышеперечисленные свойства исходной абстракции применительно к вакууму.

Современные знания о физическом вакууме позволяют сделать вывод о том, что он удовлетворяет всем вышеперечисленным признакам исходной абстракции. Физический вакуум является элементом, частицей любого физического процесса. Причем эта частица несет в себе все элементы всеобщего, пронизывает все стороны исследуемого предмета. В любой физический процесс вакуум входит как часть, причем как конретно-всеобщая часть целостности. В этом смысле он является и частицей и всеобщей характеристикой процесса (удовлетворяет первым двум пунктам определения).

Абстракция должна выражать сущность предмета в неразвитом виде. Физический вакуум принимает непосредственно участие в формировании и качественных, и количественных свойств физических объектов. Такие свойства, как спин, заряд, масса, проявляются именно во взаимодействии с определенным вакуумным конденсатом вследствие перестройки физического вакуума в результате спонтанного нарушения симметрии в точках релятивистских фазовых переходов.

Говорить о заряде или массе какой-либо элементарной частицы вне связи ее с вполне определенным состоянием физического вакуума не представляется возможным. Следовательно, физический вакуум содержит в себе в неразвитом виде противоречия предмета, а значит и по четвертому пункту отвечает требованиям исходной абстракции.

Согласно пятому пункту, физический вакуум, как абстракция, должен выражать специфику явлений. Но согласно вышесказанному, специфика того, или иного физического явления оказывается обусловленной определенным состоянием вакуумного конденсата, входящего как часть в данную конкретную физическую целостность. В современной космологии и астрофизике также сформировалось мнение, что специфика макросвойств Вселенной определяется свойствами физического вакуума. Глобальной гипотезой в космологии является рассмотрение эволюции Вселенной из вакуумного состояния единого суперполя. Это идея квантового рождения Вселенной из физического вакуума. Вакуум здесь является «резервуаром» и излучения, и вещества, и частиц.

В теориях касающихся эволюции Вселенной, содержится одна общая черта — стадии экспоненциального раздувания Вселенной, когда весь мир был представлен только таким объектом, как физический вакуум, находящийся в нестабильном состоянии. Инфляционные теории предсказывают наличие основной структуры Вселенной, что является следствием различных типов нарушения симметрий в разных мини-Вселенных. В разных мини-Вселенных могла осуществляться компактификация исходного единого Н-мерного пространства Калуци-Клейна различными способами. Однако условия, необходимые для существования жизни нашего типа, могут осуществляться лишь в четырехмерном пространстве-времени. Таким образом, теория предсказывает множество локальных однородных и изотропных Вселенных с различными размерностями пространства и с различными состояниями вакуума, что еще раз указывает на то, что пространство-время есть лишь способ существования вполне определенного вакуума.

Заключение

Единая теория, по всей видимости, может быть построена на фундаменте геометризации физики. Это по-новому ставит философскую проблему об отношении материи и пространства-времени, потому что на первый взгляд геометризация физики приводит к отделению понятия пространства-времени от материи. Поэтому представляется важным выявление роли физического вакуума как материального объекта в формировании геометрии известного нам физического мира.

Современные достижения и идеи физики могут привести к неверной философской трактовке соотношения материи и пространства-времени.

Список литературы

1.Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление. М., 2005

2.Ласуков В.В. // Изв. вуз. Физика. – 2003. – №4. – С. 70-75.

3. Ласуков В.В. // Изв. вуз. Физика. – 2002. – №5. – С. 88-91.

4.Урманцев Ю.А. Девять плюс один. Этюд о системной философии. М., 2004.

5.Современная западная философия: Словарь. – М.: Политиздат, 2003

6.Мир философии. Книга для чтения. В 2-х ч. – М.: Политиздат, 2004

7.Лукреций Кар Т. О природе вещей. – М.: Худож. лит., 2003

[1] Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление. М., 2005

[2] Ласуков В.В. // Изв. вуз. Физика. – 2003. – №4. – С. 70-75.

[3] Лукреций Кар Т. О природе вещей. – М.: Худож. лит., 2003