МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Предыдущая тема Оглавление Следующая тема

-ГЛАВА 6-

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД

 

6.16.  Физический вакуум

 

При движении тел в газах (воздухе) сопротивление, которое они испытывают, называют аэродинамическим, а в жидкостях - гидродинамическим. Если же тела совершают движение в вакууме (пустоте - как раньше называли вакуум), то какого-либо сопротивления они не испытывают. Однако исследования последних лет показали, что пустота не совсем пуста.

В современной физике термин “вакуум” используется в двух смыслах. Первый - наиболее распространенный - соответствует разреженным газам. Давление такого газа меньше атмосферного. Различают низкий вакуум (Р > 1 мм рт. ст.),  средний вакуум  (Р » 1 - 10-3 мм рт. ст.), высокий вакуум (Р < 10-3 мм рт. ст.) и сверхвысокий вакуум   (Р < 10-8 мм рт. ст.).

Второй - физический вакуум - согласно квантовой механике (квантовая теория поля) - особая материальная среда, находящаяся  в  низшем энергетическом состоянии квантовых полей, характеризующихся отсутствием каких-либо реальных частиц. Все квантовые числа физического вакуума равны нулю.

Вследствие квантовых эффектов физический вакуум характеризуется рядом необычных свойств. Например, описывается уравнением состояния

   Р = - e,  (6.81)

где e - плотность энергии; Р - давление.

В отличие от уравнений состояния любой системы, состоящей из реальных частиц, в которых увеличение плотность энергии влечет за собой и увеличение давления, уравнение состояния  (6.71) свидетельствует о  совершенно противоположном.

Физический вакуум не следует представлять себе как состояние, в котором реальные частицы не испытывают никакого взаимодействия. При существовании реальных частиц он стремится захватить их.

С одной стороны свойства физического вакуума таковы, что он стремится удержать все частицы, содержащие в нем , а с другой  - уравнение (6.71) определяет его нестабильность.

В результате это приводит к тому, что для образования реальных частиц из вакуума необходимо затратить весьма значительную энергию. В свою очередь, вакуум непрерывно порождает виртуальные частицы (пару частица-античастица, например, электрон-позитрон), время жизни которых определяется принципом неопределенности  Гейзенберга и очень мало.

ГЕЙЗЕНБЕРГ (Хайзенберг) (Heisenberg) Вернер (1901-76), немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Предложил (1925) матричный вариант квантовой механики; сформулировал (1927) принцип неопределенности; ввел концепцию матрицы рассеяния (1943). Труды по структуре атомного ядра, релятивистской квантовой механике, единой теории поля, теории ферромагнетизма, философии естествознания. Нобелевская премия (1932). 

Например, для виртуальных электронов tв= 10-22 с. Виртуальные частицы непосредственно наблюдать нельзя, однако их существование проявляется во взаимодействии с реальными частицами. Вакуум как бы   непрерывно “кипит”, но не “выкипает”.

Наиболее известный “вакуумный  эффект" Лэмба-Резерфорда - сдвиг энергетических уровней в атоме водорода, обусловленный взаимодействием электрона атома с виртуальными частицами вакуума или поляризацией.

РЕЗЕРФОРД Эрнест (30.VIII 1871 — 19.Х J937) — английский физик, основоположник ядерной физики, член Лондонского королев­ского об-ва (с 1903 г.). С 1919 г.— профессор Кембриджского ун-та и директор Кавендиш­ской лаборатории. Научные исследования посвящены радиоактивности, атомной и ядерной физике. Своими фундаментальными открытиями в этих обла­стях Резерфорд заложил основы современного учения о радиоактив­ности и теории строения атома. В 1899 г. открыл альфа- и бета-лучи и новый радиоактивный элемент — радон. Вместе с Ф. Содди в 1902 г. разработал теорию радиоактивного распада.  В 1903 г. доказал, что альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц. Предсказал существование трансурановых элементов. За исследования по превращению элементов и химии радиоактивных веществ Резерфорду в 1908 г. была присуждена Нобелевская премия по химии. В 1908 г. вместе с Г. Гейгером сконструировал прибор для регистра­ции отдельных заряженных частиц (счетчик Гейгера) и с его помощью окончательно доказал (1909 г.), что альфа-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Изучая явление прохождения альфа-частиц через вещество, обнаружил в 1906 г. их рассеяние и установил закон рассеяния альфа-частиц атомами различных элементов, что в свою очередь привело его в 1911 г. к открытию в атоме плотного образования около 10-12 см,   заряженного   положительно,— атомного ядра. Это открытие совершенно изменило принятое тогда представление о структуре атома и привело Резерфорда к созданию новой модели атома — планетарной, которая легла в основу квантовой теории атома Бора. В 1914 г. Резерфорд открыл протон, выдвинул идею об искусствен­ном превращении атомных ядер, предсказал внутреннюю конверсию, совместно с Э. Андраде доказал идентичность рентгеновских спектров изотопов, чем окончательно подтвердил равенство порядковых номеров у изотопов данного элемента, и с ним же осуществил дифракцию гамма гамма-лучей на кристалле, доказав их электромагнитную природу. В 1919 г, осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород, заложив тем самым основы современной физики ядра. В 1920 г. предсказал существование нейтрона. Совместно с М. Олифантом экспериментально доказал (1933 г.) справедливость закона взаимо­связи массы и энергии в ядерных реакциях, в 1934 г. осуществил реак­цию синтеза дейтронов с образованием трития.

Все вакуумные эффекты до последнего времени наблюдались в микромире.

Космическое пространство также представляет собой достаточно разреженную среду по своим свойствам, близкую к физическому вакууму.

Действительно, при  вращении планет вокруг  Солнца  они практически не испытывают сопротивление окружающей среды.

Возможно, что при условиях, в которых находятся вращающиеся планеты (и другие движущиеся  космические объекты), физический вакуум не вызывает проявления особых свойств его подобно свойствам сверхтекучего гелия , которые проявляют квантовые свойства только при их охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю.

Например, при больших скоростях течения гелий II скачком        переходит в гелий I, проявляет свойства обычной вязкой жидкости, со свойственным ей гидродинамическим сопротивлением.

Можно предположить, что физический вакуум (и космический в том числе) является одновременно плотной и сверхпроницаемой сплошной средой, которая не оказывает сопротивления телам, пока они движутся (вращаются) с малой скоростью, много меньшей скорости света.

Для воздушной среды критической скоростью является скорость звука и соответствующий звуковой барьер, при достижении которого наблюдается резкое (скачком) изменение физических характеристик.

Для физического вакуума, как материальной среды, есть своя критическая скорость - скорость распространения света и световой барьер.

 По мере приближения скорости тел к скорости света, свойства физического вакуума в зоне контакта, испытывают с поверхностью движущегося тела и пограничным слоем, резкие изменения. Он утрачивает свойства сверхтекучести и становится вязким и с этого момента тела движутся в вакууме как в сопротивляющейся среде.

Примером такого поведения тел при их движении в вакууме может служить движение планет Солнечной системы.

Как известно, орбиты планет при обращении их вокруг Солнца близки к круговым и их вращение устойчиво.

Возможно, что при формировании Солнечной системы эти орбиты были эллиптическими и незамкнутыми (рис. 6.31).

 Рис. 6.31

Из-за сопротивления космического вакуума орбиты планет за миллиарды лет приблизились к круговым.

Почему же планеты не падают на Солнце?

Можно предположить, что на планеты действуют некоторые силы, компенсирующие силу сопротивления вакуума. К таким силам можно отнести солнечный ветер (давление света) и взаимное притяжение планет.

Действительно, в движении планет наблюдаются отклонения от траекторий, рассчитанных по теории Ньютона.

НЬЮТОН (Newton) Исаак (1643-1727), английский математик, механик, астроном и физик, создатель классической механики, член (1672) и президент (с 1703) Лондонского королевского общества. Фундаментальные труды «Математические начала натуральной философии» (1687) и «Оптика» (1704). Разработал (независимо от Г. Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисления. Открыл дисперсию света, хроматическую аберрацию, исследовал интерференцию и дифракцию, развивал корпускулярную теорию света, высказал гипотезу, сочетавшую корпускулярные и волновые представления. Построил зеркальный телескоп. Сформулировал основные законы классической механики. Открыл закон всемирного тяготения, дал теорию движения небесных тел, создав основы небесной механики. Пространство и время считал абсолютными. Работы Ньютона намного опередили общий научный уровень его времени, были малопонятны современникам. Был директором Монетного двора, наладил монетное дело в Англии. Известный алхимик, Ньютон занимался хронологией древних царств. Теологические труды посвятил толкованию библейских пророчеств (большей частью не опубликованы).

Особенно это заметно при движении Меркурия. Обнаружено смещение его перигелия. Так, за 100 лет смещение перигелия Меркурия составило 38¢¢  при скорости его обращения по орбите  v » 48 км/c.

В теории относительности Эйнштейн пытался объяснить это явление, считая, что причина заключается в искривление вакуума.

Но физический вакуум - материальная среда. Его материальность проявляется во взаимодействии с электронами атомов водорода (Лэмбовский сдвиг спектральных линий). Воздействию вакуума подвергается Меркурий и другие планеты.

Как видно, у разных физических объектов (микрочастиц и макротел - планеты) причиной особых свойств является материальность физического вакуума.

Анализ законов небесной механики для случая движения Меркурия показывает, что сопротивление среды космического пространства, наряду с другими возмущениями, включая световое давление, может объяснить аномальное движение оси орбиты планеты в собственной плоскости при сохранении размеров, формы орбиты и их устойчивости.

Используя представления  о существовании вязкости физического вакуума, можно дать иное объяснение ряда парадоксов, например, эффекту космологического красного смещения.

Э. Хаббл установил, что в спектрах излучения Галактик наблюдается смещение в область длинных волн оптического спектра -“красное смещение”.

Это явление объяснялось гипотезой о расширении Вселенной после “Большого взрыва”, произошедшего 10-20 миллиардов лет назад.

После таких выводов общей теории тяготения  и специальной теории относительности Эйнштейна, в пользу гипотезы о расширении Вселенной, представления о физическом вакууме претерпели значительные изменения.

ЭЙНШТЕЙН (Einstein) Альберт (1879-1955), физик-теоретик, один из основателей современной физики, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и иностранный почетный член АН СССР (1926). Родился в Германии, с 1893 жил в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933 эмигрировал в США. Создал частную (1905) и общую (1907-16) теории относительности. Автор основополагающих трудов по квантовой теории света: ввел понятие фотона (1905), установил законы фотоэффекта, основной закон фотохимии (закон Эйнштейна), предсказал (1917) индуцированное излучение. Развил статистическую теорию броуновского движения, заложив основы теории флуктуаций, создал квантовую статистику Бозе — Эйнштейна. С 1933 работал над проблемами космологии и единой теории поля. В 30-е гг. выступал против фашизма, войны, в 40-е — против применения ядерного оружия. В 1940 подписал письмо президенту США, об опасности создания ядерного оружия в Германии, которое стимулировало американские ядерные исследования. Один из инициаторов создания государства Израиль. Нобелевская премия (1921, за труды по теоретической физике, особенно за открытие законов фотоэффекта).

Сама же гипотеза расширения Вселенной является весьма приближенной, что подтверждается новыми экспериментальными фактами.

Согласно закону Хаббла, космические объекты (галактики, квазары и т.д.), входящие в одно скопление галактик, находятся на одном расстоянии от наблюдателя и не могут иметь различные красные смещения, соответствующие разным скоростям удаления этих объектов.

Например, индийский астрофизик Дж. Нарликар сообщает новые данные о нескольких связанных парах “галактика-квазар”, объекты которых имеют красные смещения, различающиеся в сто и более раз. Возможность случайного наложения проекций исключается по его данным.

Выводы  из закона Хаббла и гипотеза расширения Вселенной не дают возможности точно определить не только расстояния до наблюдаемых галактик, но и их скорости разбегания. Напрашивается вывод о том, что разбегание галактик связано с эффектом Доплера, а не с законом Хаббла.

Слабым местом гипотезы расширения Вселенной, как следствия “Большого взрыва”,  является сингулярность начального состояния.

В настоящее время существует другая гипотеза в противовес космологической теории Фридмана-Эйнштейна, и объясняющая причину красного смещения.

В 1929 г. русский профессор А. Белопольский предложил гипотезу энергетического старения фотонов; их энергия убывает по мере движения в космическом пространстве, что и приводит к красному смещению спектральных линий наблюдаемых светящихся объектов при их движении. Тогда эту гипотезу посчитали ненужной, основываясь на представлениях о межзвездной среде, как о пустоте.

Используя новые представления о физическом вакууме, гипотезу Белопольского можно наполнить новым физическим содержанием. Действительно, если предположить, что свет в вакууме распространяется в результате взаимодействия фотонов с веществом вакуума, которые  поглощаются и излучаются в виде виртуальных пар “частица-античастица”.

Физический механизм изменения частоты или длины волны света заключается в возбуждении колебаний виртуальных частиц. Следовательно, часть энергии фотонов расходуется на возбуждение космического вакуума, что и приводит к красному смещению спектральных линий светящихся объектов.

Согласно закону сохранения импульса, направления излучения и поглощения фотонов совпадают, что проявляется в четкости изображений не только близких, но и более удаленных объектов космического пространства из-за прямолинейного распространения световых лучей.

Таким образом, рассмотренная кратко гипотеза старения фотонов позволяет не только объяснить причину красного смещения, но и различие красных смещений у объектов, принадлежащих одному скоплению галактик, которое можно объяснить различной энергией излучаемых фотонов конкретными космическими объектами. Чем больше энергия излучения фотоном, тем больше потери энергии его за время движения в     безбрежном космосе и, следовательно, тем больше величина красного смещения.

В связи с изложенным будущие полеты к далеким звездным мирам космического пространства могут быть осуществлены только на летательных аппаратах, принцип работы которых будет основан на совершено новых технологиях с использованием свойств, в том числе  физического вакуума и эфирного ветра.