Коллектив авторов - Современная космология: философские горизонты

Вакуум в переводе с латинского означает «пустота». Впервые «пустота» как научный термин, используемый для построения картины мироздания, появляется у Левкиппа и Демокрита. «Пустота» входит в их учение наряду с атомами в качестве первопричины всего сущего. Вычленение понятия «пустота» в качестве основного термина демокритовской физики служит, прежде всего, попытке решения проблем, выдвинутых элейской школой философов. Известно, что большинство древнегреческих мыслителей в своих учениях пустоту отрицали. В их ряду пифагорейцы, Эмпедокл, Анаксагор, Платон, Аристотель, их последователи и ученики. Между тем, следует признать существенную роль этого понятия при формировании концептуальных основ физической науки. Так, признание Галилеем существования пустоты позволило объяснить равные скорости падения различных тел при мысленном устранении сопротивления среды, то есть при рассмотрении движения тел именно в пустоте. Представление о пустоте явилось также физической предпосылкой теории инерционного движения. Вопрос о существовании пустоты в природе стал при формировании физики как науки не просто предметом предпочтений или вкуса отдельных выдающихся мыслителей, а явился одним из тех положений, на основании которых и воздвигалось здание ньютоновской механики.

История развития понятия «вакуум» такова, что его содержательное, смысловое наполнение постоянно шло в противостоянии с представлениями об эфире. С самого своего возникновения эти понятия соответствовали различным концепциям мира. Характерно, что представление об эфире, начиная с учения пифагорейцев (Филолай) и по сей день, никогда не устранялось из физической науки. И даже во времена господства ньютоновской физики, отстоявшей в полемике с картезианской школой Декарта идею пустого абсолютного пространства и дальнодействия, развивается представление о поле как континуалистской среде, которую и Фарадей, и Максвелл рассматривали как колебания эфира. Абсолютное пространство и абсолютное время предстает в механике Ньютона как нечто, отличное от материи и, бесспорно, противоположное эфиру. Однако впоследствии этим понятиям предстояло возродиться в теориях, исходивших как раз из представлений о неподвижном эфире (имеется в виду лоренцева привилегированная система отсчета). Так что наука удерживала оба понятия — и понятие пустого пространства, и понятие эфира, вплоть до возникновения физики XX века, — возникновения специальной и общей теории относительности. Развитие этих теорий, а также квантовой теории поля привели к отрицанию эфира и наполнили новым содержанием понятие вакуума. Сегодня мы можем констатировать острейшую концептуальную коллизию: вакуум в современной физической теории более соответствует семантическому содержанию термина «эфир», ибо представляет собой не Ничто, не пустоту, а весьма загадочное, сложное, энергетически насыщенное Нечто. Об этом и пойдет речь в настоящей статье. Но прежде нам хочется привести хорошо известное в среде физиков высказывание, сделанное академиком И .Я. Померанчуком. На вопрос о том, что есть вакуум, он отвечал так: «Физика вакуума состоит из двух разделов: раздел 1 — “Насосы и компрессоры”, раздел 2 — “Квантовая теория поля”». Действительно, нельзя не сказать о том, что прошлый век охарактеризован не только невиданным взлетом теоретической мысли, но и бурным развитием прикладной науки и техники. И понятие вакуума как состояния разреженного газа при давлениях ниже атмосферного занимает свое прочное место в технике. В принципе, особых уточнений или расширений смысла технического вакуума в истории науки не произошло. По-иному обстоит дело в представлении о вакууме в квантовой теории физических полей.

Вплоть до тридцатых годов прошлого столетия во всех физических справочниках можно было прочитать, что физика изучает материю в двух проявлениях — веществе и поле. Поле понималось при этом как пустая континуалистская среда. Важный вклад П. Дирака в развитие квантовой теории состоит в том, что он разработал последовательные правила квантования электромагнитного и электрон-позитронного полей. В квантовой электродинамике впервые были сформулированы представления о виртуальных частицах, о сложности вакуума квантовой теории поля. Вакуум стал рассматриваться как наинизшее энергетическое состояние квантованных полей, а его возбуждения стали интерпретироваться как кванты полей. Подразумевалось, что наинизшему энергетическому состоянию соответствует состояние, в котором реальных частиц нет. (Реальными частицами считаются объекты, способные к перемещению на макроскопические расстояния). Так что вакуум в общепринятом смысле понимался хотя и как «Нечто», но все-таки и как «Ничто». В целом же он представляет собой активную среду, в которой постоянно происходят процессы рождения и аннигиляции всевозможных виртуальных частиц. Еще один важный результат теории Дирака состоит в предсказании античастиц. Таким образом, с тридцатых годов XX века на место континуалистского поля приходит представление о поле квантованном. Кроме того, понятие поля стало использоваться не только для описания процессов физических взаимодействий, но и для описания частиц вещества. Поля первого типа получили название «бозонные поля», а поля второго типа — «фермионные поля». В названиях полей отражен тот факт, что различные частицы — кванты различных полей — подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так, кванты фермионных полей являются ферми-частицами (фермионами). Системы тождественных ферми-частиц подчиняются статистике Ферми-Дирака. Все фермионы имеют полуцелое значение спина. А для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип запрета Паули, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули определяет образование электронных оболочек в атомах, поскольку в одном и том же состоянии на одном подуровне могут находиться только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерности периодической системы элементов Менделеева. В чем-то аналогичные закономерности проявляются в структуре атомных ядер (связанных состояний протонов и нейтронов) и в структуре адронов (связанных состояний кварков). Все кванты бозонных полей являются бозе-частицами (бозонами) — частицами с целочисленным значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Принцип Паули для них не имеет места: в одном и том же состоянии может находиться любое число квантов бозонных полей.

Современная квантовая физика приводит к уточнению понятия вакуума. Дело в том, что кванты фермионных и бозонных полей, свойством которых является их способность распространяться на макроскопические расстояния, трактуются как возбуждения вакуума. Под вакуумом же принято понимать такое состояние среды, в которых такие возбуждения отсутствуют. Можно дать следующее определение вакуума: «Вакуум — это среда, имеющая собственные импульсно-энергетические характеристики, способная изменять свое состояние как локально (что может быть зафиксировано, например, с помощью экспериментов на коллайдере), так и глобально, что определяет особенности релятивистских фазовых переходов на ранних этапах эволюции Вселенной (космологический аспект)».

Предполагается, что мир может быть рассмотрен как взаимодействие и взаимопревращение двух подсистем, одна из которых представляет собой собственно вакуум, а другая — возбуждения этого вакуума. Такой подход позволяет провести разделение единой целостности на микромир и макрообстановку, что составляет существо идеологии квантовой физики. Важно понимать, что такое разделение на макро- и микромир является приближенным. И это является следствием глубокой взаимосвязи, взаимопревращаемости, по существу, неразделяемости подсистем. Но пока такое разделение в теории работает, нам удается познавать мир методом локально воспроизводимых экспериментов. В этом случае мир как целостная система изучается через свойства подсистем возбуждений, способных к локализации. При этом возникает возможность говорить и о свойствах вакуума, которая обеспечивается коррелированностью обеих подсистем — согласно общим принципам имеющихся теорий.

Уже в вышеприведенных рассуждениях заложен методологический подход, позволяющий ставить вопрос о рассмотрении понятия вакуума нашей Вселенной в качестве исходной абстракции современной космологической теории.

Наука о возникновении и эволюции Вселенной называется космологией. И хотя вопрос о мироустройстве и миропорядке, что означает само слово космос, был поставлен на заре человеческой культуры, только в XX веке космология завоевывает статус науки благодаря созданию общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна. На базе ОТО создана стандартная космологическая модель, которая составляет твердое ядро этой научно-исследовательской программы. Сразу же с возникновением ОТО был поставлен вопрос об особенностях ранних этапов эволюции Вселенной. С середины двадцатых годов XX века господствующей в космологии становится фридмановская модель расширяющейся Вселенной, а с открытием в 1965 году реликтового излучения получает надежное обоснование теория Большого взрыва. Несмотря на существование определенных космологических проблем в теории, ситуация кажется весьма благоприятной. Однако дерзновенность физиков перешагивает все возможные горизонты, появляются попытки заглянуть в еще более отдаленное прошлое Вселенной, предшествующее Большому взрыву. Особую роль в становлении новых подходов, в которых реализацию получают идеи о вакуумном происхождении нашей Вселенной с ее последующим экспоненциальным расширением, сыграли квази-де-ситтеровская модель A.A. Старобинского[308], работы Я. Б. Зельдовича и Л.П. Грищука 2, где обсуждалась возможность возникновения Вселенной как целого из вакуумного «пузыря», а также многие другие. Начиная с ра-боты Я.Б. Зельдовича и Л.П. Питаевского1, было понято, что вакуум в искривленном пространстве-времени (в сильном гравитационном поле) по своим свойствам существенно отличается от вакуума в плоском пространстве-времени Минковского. В вакууме, деформированном сильным гравитационным полем, может нарушаться так называемое условие энергодоминантности, в результате чего во Вселенной в целом могут возникать эффекты глобальной антигравитации, приводящие к ускорению ее расширения. Деформации слоистых структур пространства, обычно описываемые неравновесными скалярными полями (А. Гус, А.Д. Линде), также могут приводить к быстрому расширению Вселенной. Эти идеи, реализованные в так называемых инфляционных сценариях эволюции ранней Вселенной, интенсивно развивались последние тридцать лет. В рамках инфляционных моделей сделана попытка решения проблем сингулярности, космологической постоянной, а также вновь обозначивших себя проблем, являющихся следствиями моделей объединения.