Виртуальные процессы. Вакуум как третья форма материи

Негосударственное общегосударственное учреждение

высшего профессионального образования

“Санкт – Петербургский Гуманитарный университет профсоюзов”

Самарский филиал

Факультет: экономический

Заочное отделение

Специальность 060800 Экономика и управление на предприятии

Контрольная работа

Дисциплина: Концепции современного естествознания

Тема:№8 Виртуальные процессы. Виртуальный материальный мир.

Вакуум как третья форма материи

Выполнила:

Студентка группы IV-Э-05

Багдасарян Марина

Проверил:

Зынь В.И.

Самара

2008 год.

Содержание

Введение

Виртуальные процессы

Материя. Частицы и поля. Корпускулярно-воловой дуализм материи

Вакуум – третья форма материи

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Поле – это, наоборот, разреженная, лёгкая форма материи, она характеризуется малой концентрацией массы и отсутствием чётких границ. Поля могут накладываться друг на друга, занимать одно и то же место в пространстве. Этот вид материи является непрерывным, и этим он существенно отличается от вещества. Функцией полей в материальном мире обычно сводятся к передаче взаимодействий между частицами или телами. В нашем мире существует всего четыре вида фундаментальных взаимодействий – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Соответственно имеются и четыре фундаментальных поля. Физические поля распространяются в виде волн. Поэтому можно считать, что структура поля – волновая. В этом смысле понятия “поле” и “волна” идентичны друг другу.

В силу бесконечных свойств и связанных с этим бесконечных возможностей природы в ней происходит всё, что не запрещено её законами или принципами. Значит, и непрерывное рождение и аннигиляция виртуальных частиц обязательно будут происходить в плотном соответствии с принципом неопределённости. И вместо альтернативы “да – нет” остаётся твёрдое “да”. Известный астрофизик И.Д. Новиков назвал это состояние “кипением” вакуума, которое остаётся в пустоте при удалении всех реальных частиц и квантов, физических полей. Удалить или каким – либо способом прекратить это кипение невозможно. Эти виртуальные процессы, или квантовые флуктуации вакуума, просто обязаны происходить вследствие того, что принцип неопределённости открывает возможности для их осуществления. Конечно, возможности открывает не сам принцип – они коренятся в особенностях структуры материи на микроуровне – принцип лишь описывает, выявляет эти особенности и возможности. “Кипящий” вакуум – это наинизшее возможное энергетическое состояние всех полей.

Виртуальные процессы

Процессы, идущие в природе, с энергетической точки зрения подразделяются на два противоположных класса – с выделением энергии и с её поглощением. Первые осуществляются легко, сами собой, в результате их прохождения материальная система переходит в более низкое энергетическое состояние, отличающееся большей устойчивостью. Например, таковы химические реакции, идущие с выделением энергии в виде тепла. Они называются экзотермическими. Энергия может выделяться не обязательно в тепловой форме – это может быть и световое излучение, и механическая работа, как при падении тела. Когда форма выделяющейся энергии не определена, то реакция называется экзоэргической. Во всех случаях слово “экзо” означает “выделение вовне” либо тепла, либо вообще энергии. Процессы, требующие для светового осуществления затрат энергии, называются эндоэргическими, а если эти затраты производятся в тепловой форме, путём подогрева, то эндотермическими. Слово “эндо” означает “поглощение внутрь”. В качестве примеров таких процессов вспомним поднятие груза на некоторую высоту, плавление льда, кипение воды. В результате эндоэргических процессов система переходит в состояние с большей энергией. Протекание эндоэргических процессов возможно только под влиянием других тел или систем, сообщающих необходимую энергию. Так как энергия микрочастицы является величиной не вполне определённой, то и в поведении микрочастицы возможно своеобразие, никогда не встречающееся и просто невозможное в макромире. Прежде всего, закон сохранения энергии, незыблемый и один из наиболее фундаментальных в макромире, для микрочастиц оказывается необязательным. В самом деле, о каком сохранении можно вести речь, если сама величина энергии неопределенна.

С неопределённостью энергии при малых промежутках времени связаны так называемые виртуальные процессы. Это обратимые процессы, проходящие в прямом и обратном направлениях за время, меньшее h\ E, где E – энергия, необходимая для осуществления данного процесса или, по крайней мере, его эндоэргической стадии, которая всегда присутствует – либо “туда”, либо “ обратно”. Так как эти процессы, во-первых, за один цикл “туда-обратно” не меняют состояние системы, а во-вторых, происходят “внутри” соотношения неопределённостей, т.е. без каких-либо затрат энергии, то они макроскопически ненаблюдаемы. Однако по такому механизму осуществляются все фундаментальные взаимодействия. Виртуальными процессами в этом случае являются процессы испускания кванта взаимодействия, пролёта его от одной взаимодействующей частицы до другой, поглощение, затем снова испускание, пролёт в обратном направлении и поглощение. Всё- это происходит за время t h\ E. (1).

2. Материя. Частицы и поля. Корпускулярно-воловой дуализм материи

Материя – это сущность мира, то общее, что входит в состав всех объектов природы. Материя никогда не проявляется как такова, а всегда только в виде конкретных тел, имеющих определённую форму, размеры и длительность жизни. Любое тело содержит определённое количество материи, которое характеризуется его массой. Масса есть мера количества материи, измеряется в килограммах.

Существуют два вида материи – вещество и поле. Вообще говоря, существует не два, а три вида материи – вещество, поле и вакуум. Но если брать только наш материальный мир, то в нём существует лишь два вида – вещество и поле. В вакууме же сосредоточен “не наш” мир или даже множество миров, которых мы не видим и не ощущаем. Более подробно об этом речь впереди. Сейчас рассмотрим лишь наш мир, в котором материя предстаёт лишь в двух формах – вещества и поля. Они противоположны друг другу в том смысле, что являются носителями противоположных основных свойств.

Вещество обладает большой концентрацией массы, т.е. плотностью, состоит из частиц и в принципе всегда может быть разделено на составляющие частицы. Такое давление не бесконечно. Существуют самые мелкие частицы, которые состоят из самых себя и уже не могут быть разделены на более малые. Эти мельчайшие частицы вещества называются элементарными частицами. Каждая частица занимает чётко ограниченный объём пространства, в который не могут проникнуть другие частицы. Таким образом, вещество – это прерывная, или дискретная форма материи. Можно получить некоторое представление о плотности вещества как формы материи, взяв в качестве представителя вещества какую-либо из элементарных частиц, например, протон. Он имеет массу около 1.7*10 кг, а размер порядка 10 м. приняв его объём равным ( 10 ) м и разделив массу ~ 10 кг на объём, получим 10 \ (10 ) = 10 кг\м. Это миллиарды тонн в кубическом сантиметре. Например, такую же плотность мы получим и для электрона. Столь гигантские плотности мы никогда не наблюдаем в обычном веществе. Структура макровещества такова, что основной объём приходится на пустоту (рис.1), а частицы – ядро и электроны – занимают ничтожный объём. Таким образом, макроскопическая плотность вещества, а это порядка граммов в кубическом сантиметре, объясняется тем, что масса ядра (в простейшем случае протона) распределяется не на объём самого ядра, а на весь объём атома, который в 10 раз больше.

Следует заметить, что наличие у вещества и поля абсолютно противоположных свойств является идеализацией. Частицы и поля противоположны друг другу, главным образом, в человеческом сознании, которое всегда склонно классифицировать любые изучаемые объекты по наблюдаемым признакам, а так как любые реальные объекты имеют множество разных признаков или свойств, то классификация обычно проводится по доминирующим или, еще лучше, по одному доминирующему признаку. При подобной классификации частицы только дискретны, поля только непрерывны. По сути дела, классификация сама создаёт идеализированные образы естественных материальных объектов – идеальные частицы и идеальные поля, которые именно в силу своей идеализированности не вполне адекватны реальным объектам, имеющим всегда не одно, а много различных свойств. В том числе и реальные частицы не только дискретны, но и непрерывны, причём, эта непрерывность носит не внутренний, что было бы не удивительно, а внешний характер, который проявляется при взаимодействии с другими частицами и телами. Точно так же реальные поля не только непрерывны, но обнаруживают признаки дискретности, квантованности. Значит, материя, независимо от вида, в своём фундаменте, т.е. на уровне элементарных частиц и фундаментальных полей, является двойственной, ей в равной мере присущи свойства и непрерывности, и дискретности. Это положение получило название “корпускулярно-волновой дуализм материи”.

Исторически к пониманию двойственной корпускулярно-волновой сущности микрочастиц учёные пришли с двух сторон. Сначала в 1900 г. Немецкий физик Макс Планк, для того чтобы теоретически рассчитать спектр теплового излучения, в качестве “рабочей гипотезы” предложил, что электромагнитные волны (свет) поглощаются и испускаются нагретыми телами не непрерывно, а порциями – квантами. Величина кванта такова, что его действие кратко некой постоянной величине h=6,62*10 Дж с. Действием называется механическая величина, равная произведению импульса тела на его путь или произведению энергии тела на время движения: L = p*l = E*t, или, если импульс и энергия переменны, то L = p*dx = E*dt. Постоянную Планка h иногда называют квантом действия.

В начале ХХ в. Не было никаких обоснований справедливости гипотезы Планка, единственной причиной и обоснованием введения представлений о квантовом (дискретном) характере излучения и поглощения света телами было то, что только это давало возможность правильно рассчитать спектр теплового излучения твёрдых тел. Без этой гипотезы расчёты, проведённые по всем правилам классической физики и математики, давали совершенно неверные результаты, принципиально расходящиеся с экспериментом (рис.2). Поэтому М.Планк осторожно назвал своё предложение всего лишь “рабочей гипотезой”. Однако уже в 1905 г. Альберт Эйнштейн, основываясь на гипотезе Планка и ведя представление о квантовой (фотонной) структуре света, создал теорию фотоэффекта, которая впервые сумела объяснить все его основные закономерности. Эйнштейн сделал следующий важный шаг в развитии квантовой физики: он вёл речь уже не просто о дискретном характере самого светового поля. По его представлениям, электромагнитное поле состоит из частиц – фотонов, летящих со скоростью света с = 3*10 м\с. Фотоны обладают следующими механическими характеристиками: энергией E = h , - частота света; импульсом p = h \c и массой m = h \c . Стало ясно, что фотоны – не просто рабочая гипотеза, а в полнеет реальные частицы света. Впоследствии дискретность структуры света была многократно подтверждена в экспериментах и теоретических работах многих физиков. В настоящее время реальность фотонов является очень надёжно доказанным фактором природы и не вызывает никаких сомнений у специалистов. Таким образом, исследование электромагнитного поля привели к открытию его дискретности, делимости на частицы. В то же время и волновые свойства поля никуда не делись – они, как были установлены намного раньше в виде типично волновых явлений интерференции и дифракции, так и остались теперь уже в качестве свойств фотонов. Квантованность присуща не только электромагнитному полю – она распространяется на все физические поля. (1). Кванты фундаментальных взаимодействий представляют собой частицы с сётным спином – бозоы – и называются соответственно глюоны (сильное взаимодействие), векторные бозоны (слабое), фотоны (электромагнитное) и гравитоны (гравитационное). Все эти частицы обладают не только типичными для частиц свойствами, но и волновыми. Все они являются дуальными, двойственными. Несколько позднее была установлена дуальность и тех материальных образований, которые традиционно относились к микрочастицам. Прежде всего, это были электроны, а затем и другие частицы – протоны, нейтроны и пр. В 1924 г. Французский физик Луи де Броиль под давлением опять-таки неумолимых факторов высказал гипотезу о том, что каждому телу, движущемуся с импульсом p = mv, соответствует волна с длиной = h\p. Соображением, приведшим его к этой гипотезе, была предположенная им аналогия между свойствами фотона и микрочастиц. Импульс фотона равен p = h \ c = h \ , откуда = h \ p. Если микрочастица обладает свойствами волны с длиной , то эти свойства можно наблюдать в виде обычных интерференции и дифракции. В 1927 г. Американские физики Дэвиссон и Джермер, а также независимо от них англичанин Томсон получил дифракционные картины при рассеянии электронов поверхностям металлов и тонкими металлическими фольгами. Экспериментально было доказано, что электроны имеют волновые свойства. Рассчитанная из дифракционной картины длина волны электрона оказалась точно такой же, как это следовало из формулы де Бройля. То же самое было получено и для других микрочастиц: протонов, нейтронов, атомов и малых молекул.

Тем самым была установлена универсальность корпускулярно-волнового дуализма для обеих форм материи – и для вещества, и для поля. В настоящее время дифракция микрочастиц – электронография и нейтронография – широко используется для установления и анализа кристаллической структуры твёрдых тел и материалов.

3. Вакуум – третья форма материи

Обычно вакуум представляется как пустота, то, что остаётся после того, как убрать все частицы и кванты полей. Однако в микромире. Дело обстоит не столь просто. Согласно соотношению неопределённостей E t h за короткое время t h \ E может происходить рождение и аннигиляция пары частица-античастица с общей массой m = E \ c . Этот процесс является виртуальным и происходит за счёт неопределенности энергии на микровременах. Виртуальные частицы всё время возникают и исчезают в вакууме, так и не проявляясь как реальные частицы и находясь за пределами возможностей макроскопического наблюдения с его также макроскопическими приборами. Слово “может” здесь не должно особенно смущать никого в том смысле, что “может – да, а может – нет”. В силу бесконечных свойств и связанных с этим бесконечных возможностей природы в ней происходит всё, что не запрещено её законами или принципами. Значит, и непрерывное рождение и аннигиляция виртуальных частиц обязательно будут происходить в плотном соответствии с принципом неопределённости. И вместо альтернативы “да – нет” остаётся твёрдое “да”. Известный астрофизик И.Д. Новиков назвал это состояние “кипением” вакуума, которое остаётся в пустоте при удалении всех реальных частиц и квантов, физических полей. Удалить или каким – либо способом прекратить это кипение невозможно. Эти виртуальные процессы, или квантовые флуктуации вакуума, просто обязаны происходить вследствие того, что принцип неопределённости открывает возможности для их осуществления. Конечно, возможности открывает не сам принцип – они коренятся в особенностях структуры материи на микроуровне – принцип лишь описывает, выявляет эти особенности и возможности. “Кипящий” вакуум – это наинизшее возможное энергетическое состояние всех полей.

Как ни странным может показаться, но, несмотря на всю его виртуальность, “кипение” вакуума можно наблюдать. Правда, не впрямую, а лишь по косвенным признакам, но, тем не менее, вполне определённо. Существуют две таких возможности. Во-первых, виртуальные частицы могут взаимодействовать с частицами- переносчиками взаимодействий, что обязательно скажется на характеристиках взаимодействия: в первую очередь, изменится энергия взаимодействия. Во-вторых, достаточно сильное электромагнитное поле может растащить возникшие в вакууме виртуальные частицы (например, электрон и позитрон) в разные стороны, сообщая им реальную энергию, не позволяя слиться и превращая их тем самым в реальные частицы. И впервые, и вторые процессы наблюдаются.

Как всегда в науке, решение одних вопросов вызывает появление новых. Так же произошло и с кипящим вакуумом. Если виртуальные частицы с чем-то взаимодействуют, то этому взаимодействию должна соответствовать какая-то плотность энергии, а, следовательно, должна появиться и некоторая плотность массы, p = E \ c . В таком случае движение любого тела в вакууме должно сопровождаться появлением вакуумного, или “эфирного” ветра, т.е. потока массы, набегающего на движущееся тело. Ни в каких опытах подобный ветер обнаружен не был. Поскольку все изложенные до сих пор свойства вакуума, за исключением “ветра”, согласуются с действительностью и подтверждаются в экспериментах, то следует и этот факт ввести в схему вакуума так, чтобы он тоже укладывался в неё без противоречий. Это потребовало приписать вакууму довольно необычные свойства. В нём вместе с плотностью энергии появляется натяжения, подобные натяжениям, возникающим в твёрдом теле при растяжении. Эти натяжения эквивалентны отрицательному давлению – Р. В обычных средах давление и натяжения составляют малую долю полной плотности энергии (включающей массу покоя). В вакууме отрицательное давление по абсолютной величине равно плотности энергии: -Р = Е. Поэтому когда наблюдать начинает двигаться, на него будет набегать поток энергии, связанный с плотностью энергии Е, и, кроме того, поток энергии, связанный с отрицательным давлением –Р. Эти потоки отличаются по знаку и поэтому точно компенсируют друг друга. В результате никакого ветра не будет. (1).

По существу, вакуум представляет собой третью, скрытую форму материи, которая в обычных условиях малых энергий никак себя не проявляет, т.к. не взаимодействует ни с полями, ни с веществом. Видеть или ощущать какой-либо материальный объект – значит взаимодействовать с ним путём обмена полями (например, светом, как при видении) или веществом (как при ощущениях, основанных на химических реакциях, например, обонянии). Человек как вещественно-полевая структура, не взаимодействует с вакуумом, не чувствует его и воспринимает его как пустоту, на фоне которой существует сам человек и весь окружающий его материальный, а точнее, - вещественно-полевой мир. Это же относится и к другим объектам нашего мира. Для всех них обычные энергии взаимодействий слишком ничтожны для того, чтобы в них вскрылась материальность вакуума. Он остаётся вещью в себе, закрытым для нашего проникновения, ничего не содержащим, пустым. Однако в тех случаях, когда в малом объёме сосредоточивается большая энергия, т.е. когда плотность энергии становиться достаточной, из этого “ничего” вдруг начинают появляться частицы вместе со своими античастицами – происходит реакция рождения пар. Этот процесс идёт как в природе, так и в специальных установках, предназначенных для получения высоких концентрации энергии и служащих человеку для излучения свойств элементарных частиц и их превращений.

Заключение

В свое время никто не сомневался в том, что вакуум — это просто «ничто», пространство, полностью лишенное какой-либо материи. Своеобразная арена, на которой разыгрываются все происходящие в природе вещественные процессы.

Но этим, на первый взгляд таким естественным, самим собой разумеющимся представлениям суждено было со временем претерпеть весьма серьезные изменения. Сперва выяснилось, что полной пустоты в природе не существует. Ее нет даже там, где совершенно отсутствует какое бы то ни было вещество. Любая область пространства всегда заполнена если и не веществом, то какими-либо другими видами материи — различными излучениями и полями (например, магнитными или полями тяготения).

Но даже с такой поправкой пространство все еще оставалось просто гигантским вместилищем, содержащим бесчисленное количество материальных объектов.

Однако вскоре выяснились еще более поразительные вещи. Представьте себе на минуту, что нам каким-то образом удалось совершенно опустошить некоторую область пространства. Изгнать из нее все частицы, излучения и поля. Так вот, даже в этом случае все равно осталось бы «нечто». Определенный запас энергии, который у вакуума нельзя отобрать никакими способами.

Обнаружились и вовсе «крамольные» факты. Оказалось, что вакуум способен рождать элементарные частицы, рождать вещество…

Мало того: с самим вакуумом могут происходить различные физические превращения: он способен взаимодействовать с чем-то и даже сам с собой.

Список используемой литературы

Зынь В.И. Концепции Современного естествознания. Физика. Самара, СамГТУ, 2000