Энергия физического вакуума (вакуумная или нуль-энергия)

О сушествовании вакуумной энергии прекрасно знали народы далекого прошлого. В старину ее называли прана (Индия), ци (Китай), ки (Япония) и т.д. Когда индийский йог или китайский монах делают различные упражнения с поглощением праны или ци, они работают именно с той вакуумной энергией, которая заставляет гореть электрическую лампочку и разрушает мост под сапогами марширующих солдат.

До недавнего времени существование вакуумной энергии академической наукой Запада отвергалось. Но в последние годы новые открытия астрономии заставляют пересмотреть старые убеждения. С 1998 года в астрономии появились новые понятия темной материи и темной энергии. Сразу две группы астрономов (из Австралии и США) обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, как считали ранее, а ускоряется. Этот факт они попытались объяснить с помощью концепции темной энергии, особой формы энергии, существующей повсюду в пространстве и формирующей силу расталкивания. И постепенно все чаще стали раздаваться голоса, будто темная энергия астрономии тождественна энергии физического вакуума квантовой механики.

Невозможно сказать, из чего именно состоит физвакуум. Да и вряд ли когда-нибудь мы сможем это сделать. Тот факт, что из вакуума выбиваются пары частица+античастица, еще не означает, что он именно из этих частиц состоит. Правильнее будет сказать так: мы не знаем, из чего состоит вакуум, но при своем распаде он дает осколки, которые мы воспринимаем в форме элементарных частиц. Поэтому чисто условно можно полагать, будто вакуум состоит из отдельных квантов, которые в свою очередь состоят из вложенных друг в друга электронов и позитронов (но обязательно условно, а не так, будто именно это реализуется в природе). Так как электрон и позитрон имеют разные заряды и спины, суммарный заряд и спин будет нулевым, и такой квант окажется визуально не наблюдаем, то есть его как бы не будет вообще. Однако нулевой заряд не означает нулевую массу. Масса остается и придает вакууму свойства инерционности и гравитационности, то есть вакуум может реагировать на гравитационное поле материальных тел и показывать эффекты инерции. Эти особенности могут быть причиной многих странных явлений, наблюдаемых сегодня в астрономии.

Пара электрон+позитрон удерживается в границах одного кванта некоторыми силами, которые имеют вполне определенное значение. Если к такому кванту приложить внешнюю силу, превышающую силу сцепления электрона с позитроном, квант распадется на осколки, легко регистрируемые в эксперименте. Визуально это будет проявляться как возникновение электрона и позитрона из пустоты. И подобные процессы действительно наблюдаются: это возникновение электрон-позитронной пары в очень сильных электрических полях с напряженностью выше некоторого критического уровня.

Например, возле ядра атома урана, состоящего из 92х протонов, существует очень сильное электрическое поле с напряженностью, близкой к критическому уровню. А если бы химики сумели создать химический элемент с двумя сотнями протонов в ядре атома, напряженность электрического поля возле такого суперядра стала бы настолько огромна, что вакуум начал бы взрывообразно распадаться на частицы и античастицы. И эта особая взрывообразная радиоактивность распада вакуума уничтожила бы созданный химиками суператом. Возможно, именно по этой причине не существует слишком тяжелых трансурановых элементов.

Может показаться странным данное утверждение о существовании пары вложенных друг в друга электронов и позитронов. Мы привыкли считать, что контакт частицы с античастицей ведет к аннигиляции и взаимному уничтожению. Но это не является экспериментально установленным фактом, как многие думают. Фактом является то, что мы перестаем видеть и фиксировать электрон с позитроном после их столкновения. А все остальное является попыткой объяснения данного факта. Возможны два разных объяснения: 1) электрон и позитрон взаимно уничтожаются и перестают существовать в прямом смысле слова (официальная точка зрения); 2) электрон и позитрон объединяются в единый квант и встраиваются в стуктуру физвакуума, становясь для нас невидимыми (альтернативная точка зрения).

Какая из двух альтернатив верна? Первая? А из каких опытов или теорий это следует? В реальности за всю историю земной науки не было поставлено ни одного опыта по выбору той или иной точки зрения. То, что наши ученые в подавляющем большинстве придерживаются первой альтернативы, обусловлено тем же стереотипом слепоты, которым в свое время страдал Галилей, размышляя о проблеме потенциальной энергии. Очень может быть, что истиной окажется вторая альтернатива и при контакте электрона с позитроном они просто встраиваются в стуктуру вакуума, исчезая из нашего наблюдения. А если затем мы подействуем на вакуум достаточно мощной силой (жесткое излучение, электрическое поле и т. д.), тогда мы снова расщепим вакуум на осколки и будем наблюдать возникающие элементарные частицы.

Рассмотрим процесс сжатия космической газовой туманности под действием собственной гравитации. Когда под действием сил тяготения туманность сжимается, ее радиус уменьшается, а гравитационная энергия растет согласно уравнению (1.4.6). Согласно законам термодинамики температура газа увеличивается с его сжатием, следовательно, тепловая энергия туманности тоже растет. Если туманность имела некоторое первоначальное вращение, в процессе ее сжатия скорость вращения повышается, значит энергия вращения также увеличивается. Растут энергии электрического и магнитного полей (если туманность имела электрический заряд и магнитное поле), т. к. эти формы энергии обратно пропорциональны радиусу. Короче, все известные формы энергии при гравитационном сжатии газовой туманности увеличиваются. А что уменьшается? Раньше можно было бы сказать, что уменьшается потенциальная энергия. В реальности уменьшается вакуумная энергия того объема пространства, который занят гравитационным полем туманности.

Энергия вакуума должна быть больше энергии самого сильного гравитационного поля, иначе такое поле не сможет возникнуть. На сегодняшний день объектами с самым мощным гравитационным полем считаются черные дыры. Подставляя в уравнение гравитационной энергии (1.4.6) зависимость радиуса черной дыры от ее массы и скорости света, получим

E0 = αMc²/2 = (0.3-0.4) Mc² (1.6.1)​

При выводе этой формулы использовалась классическая формулировка закона тяготения Ньютона. Но в сильных гравитационных полях, характерных для черных дыр, закон тяготения выглядит иначе

F = γMm/r²/SQRT(1 - r0/r) (1.6.2)​

Использование уточненной записи дает следующую формулу энергии гравитационного поля черной дыры

E0 = Mc²/2 (1.6.3)​

Очевидно, что вакуумная энергия пустого недеформированного пространства должна превосходить гравитационную энергию черной дыры в два раза. Почему именно в два раза? Когда образуется гравитационное поле, его энергия растет за счет энергии физвакуума, а энергия самого вакуума в объеме, занятом полем, снижается. Этот процесс идет до тех пор, пока энергии поля и вакуума не сравняются. Дальнейший процесс усиления поля невозможен, т. к. энергия подобно воде не может перетекать от меньшего потенциала в область более высокого потенциала. И если энергии поля и вакуума в этот момент распределяются поровну, то в отсутствие поля энергия вакуума будет в два раза выше. И в итоге мы получаем

Ev = Mc² (1.6.4)​

Если пространство свободно от гравитационных полей, его энергия рассчитывается по этой формуле. Когда в пространстве возникает гравитационное поле, оно деформирует структуру пространства и энергия поля растет за счет энергии вакуума Ev, а сама энергия вакуума уменьшается. Этот процесс идет до тех пор, пока гравитационная энергия черной дыры не сравняется с энергией деформированного пространства.

Полученная формула косвенно подтверждает сделанные ранее предположения об аннигиляции частиц и античастиц как источнике образования пространства. При аннигиляции выделяется энергия Е = mc². Энергия физвакуума рассчитывается по этой же формуле. Было бы странным, если такое совпадение окажется случайностью. Скорее всего, случайности нет: энергия аннигиляции является одновременно энергией физического вакуума.

Чтобы узнать плотность вакуумной энергии (ее содержание в единице объема), будем использовать тот же самый прием, который мы использовали ранее для расчета плотности гравитационной энергии. Для этого перепишем формулу (1.6.3) так, чтобы вместо массы черной дыры появился ее радиус

E0 = rc²c²/(4γ) (1.6.5)​

Если по какой-то причине радиус черной дыры изменится с r1 до r2, то ее гравитационная энергия изменится с Е1 до Е2. Разность этих энергий

E1 - E2 = r1c²c²/(4γ) - r2c²c²/(4γ) = Δr c²c²/(4γ) (1.6.6)​

дает количество энергии, заключенной в тонком слое толщиной Δr. Разделив эту величину на объем слоя, мы получаем содержание гравитационной энергии черной дыры в единице объема

ε0 = c²c²/ (16 πγr²) (1.6.7)​

Следовательно, плотность вакуумной энергии недеформированного пространства

εv = c²c²/ (8 πγr²) (1.6.8)​

Полученные формулы содержат радиус. Чем меньше радиус, тем больше гравитационная энергия черной дыры. Каков может быть минимальный радиус черной дыры? Будем рассуждать следующим образом. Черные дыры состоят из обычного вещества, которое в свою очередь состоит из протонов, нейтронов и электронов. Любой кусок вещества по своим размерам не может быть меньше размера самой маленькой частицы, составляющей это вещество, то есть электрона. Следовательно, минимальный радиус, до которого может сжаться вещество под собственной гравитацией, это радиус электрона re = 1.41×10(-15)м. В этом случае энергия гравполя будет максимальна. Поэтому радиус в формуле (1.6.8) — это радиус электрона и окончательно

εv = c²c²/ (8 πγre²) (1.6.9)​

или численно εv = 2.45×10(72) дж/м³ (или 2.45×10(63) дж/мм³). Для сравнения, при взрыве сверхновой звезды выделяется энергия порядка 10(53) ÷10(54) дж, что примерно в миллиард раз меньше вакуумной энергии, содержащейся в одном кубическом миллиметре пустого пространства. Как видим, даже самые мощные астрофизические процессы, известные сегодня ученым, не могут по своему энерговыделению сравниться с тем, что содержит в себе вакуум.

Можно предложить иной ход рассуждений относительно радиуса в формулах энергии. Если пространство состоит из квантов, тогда минимальный размер черной дыры не может быть меньше размера кванта. Физики считают, что размер кванта пространства определяется планковской длиной, равной 4×10(-35)м. Тогда минимально возможный радиус черной дыры будет равен 2×10(-35)м. Подставляя это значение в формулу, получаем 1.2×10(112) дж/м³. Такой плотности энергии соответствует плотность вещества 1.33×10(92) г/мм³.

Какой вариант выбрать: электронный радиус или планковский? Практически все физики, работающие в этой и смежной областях, получают плотности вещества порядка 10(92) г/мм³. И все же у меня есть достаточно веские основания не согласиться с общим мнением и использовать в дальнейшем в качестве определяющей величины электронный радиус. Причина такого несогласия с общим мнением будет обоснована в следующем разделе, когда мы перейдем к теоретическому расчету фундаментальных констант.

 

А как с этого лавэ поднять?
Понимаешь,как то больше беспокоит будущее себя любимого.
(Чувство собственной важности (по Кастанеде) ,будь оно неладно.никак не могу избавиться)