Популярная книга известного российского учёного, академика, доктора физических наук Г. И. Шипова посвящена одному из сложных вопросов современной физики - теории физического вакуума. Наука всё ближе подбирается к той грани, за которыми размываются, становятся неприменимыми устоявшиеся понятия и взгляды, возникают новые представления, совершенно неожиданные и непривычные. Но - сопоставленные с традиционным человеческим опытом и духовными знаниями - они показывают скрытую связь достижений восточной философии и метанауки с развитием современных научных представлений.
Для специалистов и практиков, искателей истины, всех интересующихся современным развитием научной и духовной мысли.
Вступление.
А. Эйнштейн и Р. Тагор - беседа о Реальности.
Летом 1930 года на даче Эйнштейна под Берлином произошла встреча Эйнштейна с Рабиндранатом Тагором. Эти два великих человека вели беседу о Реальности и о соотношении между материей и сознанием человека.
Эйнштейн, будучи представителем науки Запада, утверждал, что Реальность (материя по представлению западной науки) существует независимо от опыта и сознания человека. Материя первична, а сознание является продуктом высокоразвитой материи.
Возражая Эйнштейну, Рабиндранат Тагор отстаивал точку зрения философов древнего Востока и говорил об Универсальном Человеке, в котором заключена рациональная гармония между субъективным и объективным аспектом реальности. Только Универсальный Человек способен познать Реальность как Абсолютную истину, которой он сам и является. Материя, изучаемая западной наукой, относительна и иллюзорна.
Глава I. Физика как теория относительности.
1.1. Пространство событий.
Западный метод познания природы начинается с того, что выбирается своеобразная "точка зрения" исследователя - система наблюдения или система отсчёта. В трёхмерном пространстве механики Ньютона система отсчёта представляет собой три взаимно перпендикулярных направленных отрезка прямой линии с общим началом
О
(см. рис. 1). Изучая, например, траекторию летящего камня, брошенного параллельно земле, наблюдатель измеряет в разные моменты времени расстояния от начала О до летящего камня
М
. В результате этого эксперимента наблюдатель получает набор расстояний
r
в каждый момент времени.
Рис. 1. Траектория камня, брошенного горизонтально поверхности земли. Наблюдатель измеряет расстояние r до камня в различные моменты времени t . Полученное множество относительных координат двух систем отсчёта содержит всю информацию о движении камня.
1.2. Относительность энергии равномерного движения.
Что такое абсолютная и относительная величина в физическом понимании? Мы будем говорить, что некоторая физическая величина относительна, если её можно обратить в нуль (хотя бы локально) с помощью каких-либо преобразований, имеющих физический смысл. Соответственно, если этого сделать нельзя, то физическая величина является абсолютной. Наблюдая, как Солнце восходит на Востоке и заходит на Западе, Аристотель и Птолемей пришли к выводу, что Земля находится в абсолютном покое, а Солнце и звезды вращаются вокруг неё. Однако более точные исследования астрономов показали, что Земля движется вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, движется относительно звезд. Оказалось, что абсолютно покоящихся систем отсчета в природе не существует. Все находится в относительном движении.
Рис. 2. Система отсчета S связана с массой m . Система отсчета S* связана с массой m* . Масса m* движется относительно массы m с постоянной скоростью v .
1.3. Четырехмерное пространство событий и относительность времени.
Пространство событий инерциальных систем отсчета механики Ньютона трехмерно и использует три пространственных координаты х, у и z. При движении систем отсчета эти координаты зависят от времени t, которое выступает в механике Ньютона как
абсолютная величина.
Представления о трехмерности пространства сохранялись в физике до тех пор, пока не начались эксперименты, связанные с распространением света. Было установлено, что свет распространяется со скоростью
с
= 300000
км/сек.
При таких скоростях материи (или близких к ним, но меньших чем
с
) пространство событий становится четырехмерным, при этом время, умноженное на скорость света
с
образует четвертую координату Х
0
= ct дополнительную к трем координатам х, у и z. В результате механику Ньютона заменила более совершенная релятивистская механика Эйнштейна-Лоренца. Геометрия пространства событий такой механики наделено структурой
псевдоевклидовой
геометрии. Это плоская геометрия, геодезические которой представляют собой четырехмерные прямые линии. По этим линиям движутся тела отсчета четырехмерных инерциальных систем. Название
псевдоевклидова геометрия
связано с тем, что четвертая координата х
0
= ct выступает мнимой координатой по отношению к пространственным координатам х, у и z. Понятно, что четырехмерная инерциальная система отсчета является такой же идеализацией, как и трехмерная, поскольку, все тела отсчета хоть в какой-то степени взаимодействуют между собой.
Из анализа уравнений релятивистской механики (т.е. механики больших скоростей) вытекают удивительные следствия.
Во-первых, покоящееся тело отсчета обладает энергией покоя, равной произведению массы покоя m на квадрат скорости света: Е
=
mc
2
.
Во-вторых, масса тела зависит от скорости движения и стремится к бесконечно большой величине при приближении скорости тела к скорости света.
1.4. Относительность сил и полей в теории гравитации Эйнштейна.
До сих пор мы рассматривали пространство событий инерциальных систем отсчета. Сначала это были инерциальные системе механики Ньютона, которые движутся прямолинейно и равномерно без вращения относительно друг друга.
Пространство событий таких систем отсчета трехмерно и обладает геометрией Евклида. Затем, мы рассмотрели пространство событий инерциальных систем отсчета, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света. В этом случае геометрия пространства событий оказалась четырехмерной, псевдоевклидовой. Обе эти геометрии описывают пустоту или абсолютный вакуум, где нет никакой материи или вообще чего-либо.
Перейдем теперь к описанию ускоренных систем отсчета, в частности к локально инерциальным системам без вращения. Что это за системы отсчета?
Представим себе космический корабль, который движется вокруг Земли по стационарной орбите без собственного вращения. В корабле находится космонавт в состоянии невесомости
(см. рис. 4).
Мы все это видели по телетрансляциям с борта космического корабля. Наблюдатель А находится на Земле и, измеряя координаты космонавта в своей системе отсчета, обнаруживает, что он движется под действием гравитационной силы F
g
. Если масса космонавта m, то для наблюдателя А его уравнения движения запишутся как mа = F
g
, где
а
- ускорение космонавта относительно наблюдателя А. Одним словом, наблюдатель видит, что космонавт движется ускоренно (вместе с кораблем) под действием гравитационной силы.
1.5. Вакуум Эйнштейна.
После многолетних поисков А. Эйнштейн после дискуссии с немецким математиком Д. Гильбертом находит в 1915 году знаменитые уравнения Эйнштейна, которые описывают гравитационные поля через кривизну пространства событий. Согласно этим уравнениям, массивное тело искривляет пространство-время вокруг себя. В его теории имеется две реальности: пространство-время и материя. Материя выступает на фоне пространства-времени, искривляя его. Если материю убрать, что пространство становится плоским (псевдоевклидовым). Таким образом, пространство-время наделяется упругими свойствами, которые проявляются через искривление его геометрии. Наглядно смоделировать физический процесс отклонения луча света, показанный на
рис. 5
, можно следующим образом. Представим себе область трехмерного пространства, заполненного прозрачной однородной резиной. Пропуская луч света по различным направлениям внутри резины, мы увидим, что он распространяется всегда по прямой линии. Это модель плоского пространства или «абсолютного вакуума».
Поместим внутрь резины шарик из какого-либо твердого материала. В результате вблизи поверхности шарика возникнут неоднородности из-за вытеснения шариком части объема резины. Если теперь пропустить луч света вблизи поверхности шарика, то он будет распространяется по некоторой кривой из-за неоднородной плотности вблизи поверхности. В данном случае неоднородный кусок прозрачной резины моделирует искривленное пространство или возбужденный вакуум.
Можно теперь утверждать, что согласно теории Эйнштейна физический вакуум это пустое (без материи) пространство-время, обладающее упругими свойствами. Эти свойства проявляются тогда, когда в пустое пространство помещается некая масса. Более того, в теории имеются так называемые вакуумные уравнения Эйнштейна, которые описывают гравитационные поля вне материи, т.е. в чистом виде упругие свойства пустого пространства-времени. Вакуумные уравнения Эйнштейна являются чисто геометрическими и
не содержат никаких физических констант.
Это так и должно быть, поскольку вакуум не может характеризоваться чем-либо конкретным. Если вакуум наделить какими-нибудь конкретными физическими константами, то это будет уже что-то рожденное из вакуума.
