Вакуум – основная проблема фундаментальной физики

Âàêóóì
– îñíîâíàÿ ïðîáëåìà
ôóíäàìåíòàëüíîé ôèçèêè
ÊÂÀÍT 2002/¹4
2
È.ÐÎÇÅÍÒÀËÜ, À.×ÅÐÍÈÍ
Ä
ÂÅ Ñ ÏÎËÎÂÈÍÎÉ ÒÛÑß×È ËÅÒ ÍÀÇÀÄ ÃÐÅ-
÷åñêèå ôèëîñîôû Ëåâêèïï è Äåìîêðèò âûäâèíóëè ãèïîòåçó: ìèð ñîñòîèò èç ÷àñòèö – àòîìîâ
– è ðàçäåëÿþùåé èõ ïóñòîòû.  ðàìêàõ ýòîé ãèïîòåçû
àòîìû ïðåäñòàâëÿëèñü êàê ìåëü÷àéøèå íåäåëèìûå ÷àñòèöû, à ïóñòîòà ïîíèìàëàñü áóêâàëüíî: «íè÷òî».
Ïîñëåäóþùåå ðàçâèòèå ôèçèêè ñóùåñòâåííî èçìåíèëî
ñîäåðæàíèå ýòèõ ïîíÿòèé, ïðè ýòîì òåðìèí «àòîì»
ñîõðàíèëñÿ, à ïîíÿòèå «ïóñòîòà» ñîâåðøèëî äëèííûé
è òåðíèñòûé ïóòü, ïîñòåïåííî ïðåâðàùàÿñü â î÷åíü
ëåãêóþ ìàòåðèþ, êîòîðóþ åùå â XIX ñòîëåòèè íàçûâàëè ýôèðîì, à ñåé÷àñ íàçûâàþò âàêóóìîì è ñ÷èòàþò
ôóíäàìåíòîì ñîâðåìåííîé ôèçèêè.
Îïðåäåëåíèå âàêóóìà
Îòìåòèì, ÷òî ïîíÿòèå àáñîëþòíîé ïóñòîòû âîøëî â
ïðîòèâîðå÷èå ñ ýêñïåðèìåíòîì â ñðåäíèå âåêà, êîãäà
íà÷àëèñü ïåðâûå íàáëþäåíèÿ ñâåòîâûõ ÿâëåíèé. Ñâåò
âçàèìîäåéñòâîâàë ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé – èíòåðôåðåíöèÿ è äèôðàêöèÿ, – è ýòî äîêàçàëî, ÷òî íå ñóùåñòâóåò àáñîëþòíîé ïóñòîòû. Ïîýòîìó áûëè âûäâèíóòû äâå
îñíîâíûå ãèïîòåçû: ñóùåñòâóåò îñîáîå âåùåñòâî, íàçâàííîå ýôèðîì, è îíî îáóñëîâëèâàåò íàáëþäàåìûå
ñâåòîâûå ýôôåêòû (èíòåðôåðåíöèþ è äèôðàêöèþ).
Ïåðâîíà÷àëüíî ýôèð ïðåäñòàâëÿëè êàê óïðóãóþ ìåõàíè÷åñêóþ ñðåäó, à ðàñïðîñòðàíåíèå ñâåòîâûõ âîëí
óïîäîáëÿëè ðàñïðîñòðàíåíèþ çâóêà. Îäíàêî ýòà êîíöåïöèÿ âñòðåòèëàñü ñ áîëüøèìè òðóäíîñòÿìè, êîòîðûå
îñîáåííî ïðîÿâèëèñü â êîíöå XIX ñòîëåòèÿ, êîãäà
Ìàéêåëüñîí ýêñïåðèìåíòàëüíî äîêàçàë, ÷òî ñêîðîñòü
ñâåòà íå çàâèñèò îò äâèæåíèÿ èñòî÷íèêîâ è ïðèåìíèêîâ
ñâåòà (ò.å. îò âûáîðà ñèñòåìû îòñ÷åòà). Ýòè îïûòû
ïðîòèâîðå÷èëè ãèïîòåçå ýôèðà, îïðåäåëÿþùåãî ïðèâèëåãèðîâàííóþ ñèñòåìó îòñ÷åòà, â êîòîðîé òîëüêî è
ñïðàâåäëèâû çàêîíû îïòèêè.  íà÷àëå XX ñòîëåòèÿ
áûëà ñîçäàíà òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè (Ýéíøòåéí,
Ïóàíêàðå, Ëîðåíö), êîòîðàÿ îòâåðãëà ãèïîòåçó ñóùåñòâîâàíèÿ ïóñòîãî ïðîñòðàíñòâà. Íîâîå ñîñòîÿíèå áûëî
íàçâàíî âàêóóìîì. Ñîãëàñíî êâàíòîâîé òåîðèè ïîëÿ,
âàêóóì ðàññìàòðèâàåòñÿ íå êàê ïðîñòîå îòñóòñòâèå
ïîëÿ, à êàê îäíî èç âîçìîæíûõ ñîñòîÿíèé ïîëÿ.
Ïîñëåäíèå ñîáûòèÿ â êîñìîëîãèè äàþò âñå îñíîâàíèÿ
ïîëàãàòü, ÷òî âî Âñåëåííîé äîìèíèðóåò âàêóóì è
ïëîòíîñòü åãî ýíåðãèè ïðåâîñõîäèò âñå «îáû÷íûå»
ôîðìû êîñìè÷åñêîé ìàòåðèè âìåñòå âçÿòûå.
Óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ âàêóóìà èìååò âèä
p = -ε ,
ãäå ð – äàâëåíèå, ε – îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ýíåðãèè.
Çàìåòèì, ÷òî âíåøíå ýòî óðàâíåíèå íàïîìèíàåò èçâåñòíîå óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ èäåàëüíîãî ãàçà. Íàïðèìåð,
äëÿ íåðåëÿòèâèñòñêîãî îäíîàòîìíîãî ãàçà
3
2
U = pV , èëè p = ε ,
2
3
à äëÿ ãàçà ôîòîíîâ
ε
p= .
3
Îäíàêî óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ âàêóóìà êàðäèíàëüíî
îòëè÷àåòñÿ îò ýòèõ óðàâíåíèé íàëè÷èåì â íåì çíàêà
«ìèíóñ». Êàê äîêàçûâàåòñÿ â êâàíòîâîé òåîðèè ïîëÿ,
ýòî óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ óíèêàëüíî, îíî åäèíñòâåííîå,
ïðè êîòîðîì ñîõðàíÿåòñÿ îñíîâíîé çàêîí ìåõàíèêè –
çàêîí èíåðöèè. Ïîòåðè ýíåðãèè íà òðåíèå ÷àñòèöû ñ
âàêóóìíîé ìàòåðèåé áóäóò òî÷íî êîìïåíñèðîâàòüñÿ
âîçäåéñòâèåì äàâëåíèÿ.
Ðàçóìååòñÿ, ýòà îñîáåííîñòü ñîõðàíÿåòñÿ ëèøü ïðè
óñëîâèè ðàâíîìåðíîñòè è ïðÿìîëèíåéíîñòè äâèæåíèÿ.
Åñëè, íàïðèìåð, ÷àñòèöà äâèæåòñÿ ïî îêðóæíîñòè, òî
âàêóóì áóäåò èçìåíÿòü õàðàêòåðèñòèêè åå äâèæåíèÿ.
Âîçäåéñòâèå íà ÷àñòèöó îêàçûâàþò òàêèå «ñîñòàâëÿþùèå» âàêóóìà, êàê «íóëåâûå» (êâàíòîâûå) êîëåáàíèÿ
ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ è ðîæäàþùèåñÿ íà êîðîòêîå
âðåìÿ ( : h mc 2 , ãäå h – ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, m –
ìàññà ÷àñòèöû, c – ñêîðîñòü ñâåòà) ïàðû ÷àñòèö (íàïðèìåð, ýëåêòðîí ïëþñ ïîçèòðîí) – òàêèå ÷àñòèöû íàçûâàþò âèðòóàëüíûìè. Ïîëíàÿ êîìïåíñàöèÿ ïîòåðü ýíåðãèè âîçìîæíà ëèøü â òîì ñëó÷àå, åñëè ÷àñòèöà äâèæåòñÿ ïðÿìîëèíåéíî è ðàâíîìåðíî. Åñëè æå ÷àñòèöà
äâèæåòñÿ ïî îêðóæíîñòè, òî ïðîèñõîäèò î÷åíü íåáîëü-
øîé (èç-çà ìàëîñòè çíà÷åíèÿ h mc2 ) ñäâèã ýíåðãèè.
Èìåííî ýòî íàáëþäàåòñÿ, íàïðèìåð, â àòîìå âîäîðîäà.
Ñäâèã óðîâíåé ýíåðãèè àòîìà âîäîðîäà (ëýìáîâñêèé
ñäâèã) âû÷èñëåí è èçìåðåí äî äåñÿòîãî çíàêà, ïðè ýòîì
òåîðåòè÷åñêèå è ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ ïðåêðàñíî ñîãëàñóþòñÿ.
Ýòîò ïðèìåð (äàëåêî íå åäèíñòâåííûé) ñâèäåòåëüñòâóåò î ñóùåñòâîâàíèè âàêóóìà, âçàèìîäåéñòâóþùåãî
ñ ÷àñòèöàìè. È çäåñü âîçíèêàåò åñòåñòâåííûé âîïðîñ
ÂÀÊÓÓÌ
–
ÎÑÍÎÂÍÀß
ÏÐÎÁËÅÌÀ
ÔÓÍÄÀÌÅÍÒÀËÜÍÎÉ
ÔÈÇÈÊÈ
3
(áûòü ìîæåò, îñíîâíîé âîïðîñ ôóíäàìåíòàëüíîé ôèçèêè): ïî÷åìó âàêóóìíàÿ ìàòåðèÿ ïðàêòè÷åñêè íå âëèÿåò
íà ìàêðîñêîïè÷åñêèå ÿâëåíèÿ?
Ñåé÷àñ ýòîò âîïðîñ ñäåëàëñÿ îñîáåííî àêòóàëüíûì â
ñâÿçè ñ ðåãèñòðàöèåé íîâûõ íàáëþäàòåëüíûõ äàííûõ î
âñïûøêàõ ñâåðõíîâûõ çâåçä, íàõîäÿùèõñÿ íà ðàññòîÿíèÿõ â ñîòíè è òûñÿ÷è ìåãàïàðñåê (ðàíåå áûëè
äîñòóïíû ðàññòîÿíèÿ 10—20 ìåãàïàðñåê). Ïîëó÷åííûå
äàííûå íåîïðîâåðæèìî ñâèäåòåëüñòâóþò, ÷òî ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé íå çàìåäëÿåòñÿ, à óñêîðÿåòñÿ! Èç
ýòîãî íåèçáåæíî ñëåäóåò âûâîä, ÷òî âî Âñåëåííîé
äîìèíèðóåò âàêóóì; ïî ïëîòíîñòè îí ïðåâîñõîäèò âñå
«îáû÷íûå» ôîðìû êîñìè÷åñêîé ìàòåðèè âìåñòå âçÿòûå. Áîëüøàÿ ïëîòíîñòü âàêóóìà ïðèâîäèò ê óñêîðåíèþ ðàñøèðåíèÿ (ò.å. ê ýôôåêòó «àíòèãðàâèòàöèè»)
èìåííî áëàãîäàðÿ ïðèâåäåííîìó âûøå íåîáû÷íîìó
óðàâíåíèþ ñîñòîÿíèÿ âàêóóìíîé ìàòåðèè.
íîì ÎÒÎ ÿâëÿåòñÿ èäåÿ ñóùåñòâîâàíèÿ âî Âñåëåííîé
íîâîé ãèïîòåòè÷åñêîé ìàòåðèè, êîòîðóþ íàçûâàþò êîñìè÷åñêèì âàêóóìîì. Ïëîòíîñòü ýíåðãèè ε Λ òàêîãî
âàêóóìà ( Λ -÷ëåíà) ðàâíà
Ìåòàãàëàêòèêà è Âñåëåííàÿ
 íàøó ýïîõó ( t = t0 ) ïîñòîÿííàÿ H t0 (íàçâàííàÿ
ïîñòîÿííîé Õàááëà) ðàâíà
Ïîïûòàåìñÿ ÷åòêî îïðåäåëèòü ïîíÿòèÿ, ñ êîòîðûìè
íàì ïðèäåòñÿ âñòðå÷àòüñÿ. Ïðåæäå âñåãî ïðèâåäåì
ïîðÿäîê âåëè÷èí, ñ êîòîðûìè ìû áóäåì èìåòü äåëî:
Íàçâàíèå îáúåêòà
Ðàçìåðû, ñì
Çâåçäà
1011
Ãàëàêòèêà
1022
Ìåòàãàëàêòèêà
1028
Ðàçìåðû Ìåòàãàëàêòèêè – ýòî ðàçìåðû, â íàñòîÿùåå
âðåìÿ ìàêñèìàëüíî äîñòóïíûå äëÿ íåïîñðåäñòâåííûõ
èçìåðåíèé. Ïîýòîìó, íàâåðíîå, îáùåïðèíÿòî íàçûâàòü
åå ðàçìåð RM ðàçìåðîì Âñåëåííîé, èëè Ìèðà. Íà íàø
âçãëÿä, âåñü èñòîðè÷åñêèé îïûò óêàçûâàåò, ÷òî íàèáîëüøèå äîñòóïíûå ðàçìåðû îïðåäåëÿþòñÿ òåõíèêîé
(èëè óðîâíåì öèâèëèçàöèè). Íàïðèìåð, åùå íåñêîëüêî ñîò ëåò íàçàä ìîæíî áûëî ñ óâåðåííîñòüþ îïðåäåëèòü ëèøü ðàçìåðû Çåìëè ( : 109 ñì). Ñëåäîâàòåëüíî,
ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî âåëè÷èíà RM åñòü íàèáîëüøåå
èçìåðÿåìîå ñåé÷àñ ðàññòîÿíèå. Âñåëåííàÿ æå – ñóùåñòâåííî áîëüøèé îáúåêò.  íàñòîÿùåå âðåìÿ åñòü
êîñâåííûå óêàçàíèÿ, ÷òî ðàçìåðû Âñåëåííîé íà ìíîãî
ïîðÿäêîâ ïðåâûøàþò RM .
Êîñìîëîãè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ
Ìû íå èìååì âîçìîæíîñòè èçëîæèòü çäåñü ïîäðîáíî
îáùóþ òåîðèþ îòíîñèòåëüíîñòè (ÎÒÎ). Çàìåòèì ëèøü,
÷òî òåîðåòè÷åñêàÿ îñíîâà êîñìîëîãèè îñíîâàíà íà ÎÒÎ.
(Íàèáîëåå ïðîñòîå èçëîæåíèå ÎÒÎ è åå ïðèëîæåíèé ê
êîñìîëîãèè ñîäåðæèòñÿ â ñòàòüå È.Õðèïëîâè÷à «Îáùàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè»: æóðíàë «Êâàíò», 1999,
¹ 4. – Ïðèì. ðåä.)
Îòìåòèì öåíòðàëüíóþ èäåþ ÎÒÎ. Ýòà òåîðèÿ äîëæíà îòðàçèòü îñîáåííîñòè ãðàâèòàöèè è, ïî ìûñëè Ýéíøòåéíà, áûòü îñíîâîé êîñìîëîãèè è ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Âñå ýòè èäåè íàøëè ñâîå âîïëîùåíèå â ñîâðåìåííîé íàóêå, èñêëþ÷àÿ îäíî âàæíîå
îáñòîÿòåëüñòâî: äî ñèõ ïîð íå ïîñòðîåíà ïîñëåäîâàòåëüíàÿ êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ãðàâèòàöèè.
Îäíîé èç âàæíûõ îñîáåííîñòåé ñîçäàííîé Ýéíøòåé1*
εΛ =
Λc 4
,
8πG
ãäå Λ – ââåäåííàÿ Ýéíøòåéíîì êîñìîëîãè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ, G – èçâåñòíàÿ ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ.
Êîñìîëîãè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ áûëà ââåäåíà Ýéíøòåéíîì, ÷òîáû îáåñïå÷èòü íåèçìåííîñòü (ïîñòîÿíñòâî)
Âñåëåííîé âî âðåìåíè. Îäíàêî ðàçâèòèå ÎÒÎ (Ôðèäìàí) è ïðîâåäåííûå íàáëþäåíèÿ (Õàááë) ïðîäåìîíñòðèðîâàëè ïåðåìåííîñòü Ìåòàãàëàêòèêè. Äâà îáúåêòà â
ïðåäåëàõ Ìåòàãàëàêòèêè, ðàçäåëåííûå ðàññòîÿíèåì r,
óäàëÿëèñü äðóã îò äðóãà ñî ñêîðîñòüþ
v = H t r .
H t0 : 10-18 c-1 .
 Ìåòàãàëàêòèêå, ïðè t = t0 , Λ < 10-56 cì -2 . Îäíàêî
âî Âñåëåííîé âíå Ìåòàãàëàêòèêè âåëè÷èíà L ìîæåò
áûòü î÷åíü áîëüøîé è îïðåäåëÿòü âñå ïðîöåññû, â íåé
ïðîèñõîäÿùèå.
Òàêèì îáðàçîì, ïîñòðîèòü ìîäåëü Ìåòàãàëàêòèêè
(êîòîðàÿ âî âðåìåíà Ýéíøòåéíà îòîæäåñòâëÿëàñü ñî
Âñåëåííîé), ñîãëàñóþùóþñÿ ñ íàáëþäàòåëüíûìè äàííûìè è ãèïîòåçîé î äîìèíèðîâàíèè L-÷ëåíà, îêàçàëîñü
íåâîçìîæíûì, è Ýéíøòåéí ñ÷èòàë ââåäåíèå åãî â ÎÒÎ
ñàìîé áîëüøîé îøèáêîé â ñâîåé íàó÷íîé äåÿòåëüíîñòè.
Êàê îêàçàëîñü äàëåå, òàêàÿ îòðèöàòåëüíàÿ ñàìîîöåíêà
òàêæå áûëà îøèáî÷íîé.
Îòìåòèì, ÷òî êîñìîëîãè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ îïèñûâàåò ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ïðèòÿæåíèÿ (åñëè Λ < 0 ) èëè
îòòàëêèâàíèÿ ( Λ > 0 ); ñîîòâåòñòâóþùèå åé ñèëû ÿâëÿþòñÿ äîïîëíèòåëüíûìè ê íüþòîíîâñêèì ñèëàì ïðèòÿæåíèÿ. Ââåäåíèå æå Λ-÷ëåíà îçíà÷àåò ââåäåíèå íîâûõ
ñèë ãðàâèòàöèè.
Âëèÿíèå âàêóóìà íà äèíàìèêó Ìåòàãàëàêòèêè ìîæåò
óñòàíîâèòü òîëüêî îïûò. ×òîáû óïðîñòèòü èçëîæåíèå
ýêñïåðèìåíòîâ, ïðîâåäåííûõ â ïîñëåäíåå âðåìÿ è îêàçàâøèõ ïîäëèííî ðåâîëþöèîííîå âëèÿíèå íà êîñìîëîãèþ, ìû èñïîëüçóåì íåðåëÿòèâèñòñêîå ïðèáëèæåíèå
àíàëèçà ðàñøèðåíèÿ Ìåòàãàëàêòèêè (Ìèëí è Ìàêêðè,
íà÷àëî 1930-õ ãîäîâ). Äîïóñòèì, ÷òî Ìåòàãàëàêòèêà
èìååò øàðîîáðàçíóþ ôîðìó ñ ðàâíîìåðíîé ïëîòíîñòüþ rG . Òîãäà óðàâíåíèå äâèæåíèÿ äëÿ ÷àñòèöû íà
ïîâåðõíîñòè øàðà âûãëÿäèò òàê:
R¢¢ = -
GM
,
R2
ãäå R – ðàäèóñ øàðà, à M = rG 4p 3 R 3 – åãî ïîëíàÿ
ìàññà. Â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ìîæíî ïîëîæèòü, ÷òî
ìàññà Ì îñòàåòñÿ íåèçìåííîé, è òîãäà ðåøåíèå ýòîãî
óðàâíåíèÿ èìååò âèä
2
1 æç dR ö÷
GM
= E,
÷
2 ççè dt ÷ø
R
ÊÂÀÍT 2002/¹4
ãäå Å – ïîñòîÿííàÿ èíòåãðèðîâàíèÿ. Ïîñëåäíåå óðàâíåíèå èìååò ïðîñòóþ èíòåðïðåòàöèþ – îíî îòðàæàåò
çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè äëÿ èçîëèðîâàííîãî ýëåìåíòà Ìåòàãàëàêòèêè ñ åäèíè÷íîé ìàññîé. Îïðàâäàíèåì
ýòîãî âûâîäà ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îí ïðèâîäèò ê ðåøåíèþ,
îòâå÷àþùåìó îñíîâíîìó ïðèíöèïó êîñìîëîãèè – çàêîíó Õàááëà
v12 = H t r12 ,
ãäå v12 è r12 – îòíîñèòåëüíàÿ ñêîðîñòü è ðàññòîÿíèå
ìåæäó äâóìÿ ýëåìåíòàìè (1, 2) Ìåòàãàëàêòèêè. Íåîáõîäèìî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ïðèâåäåííîå âûøå ñîîòíîøåíèå ñïðàâåäëèâî ëèøü äëÿ âðåìåíè t » t0 . Ïðè âðåìåíàõ t = t0 Ìåòàãàëàêòèêà èìååò ìåíüøèå ðàçìåðû, è
ïðè âû÷èñëåíèè ðàññòîÿíèÿ r12 ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü
áîëåå ñëîæíûå ñîîòíîøåíèÿ.
Âàêóóì è äðóãèå ôîðìû êîñìè÷åñêîé ìàòåðèè
Ïî íàáëþäàòåëüíûì äàííûì î ñâåðõíîâûõ, î êîòîðûõ ìû óïîìèíàëè, ïëîòíîñòü âàêóóìà ρ v ïðåâûøàåò
ñóììàðíóþ ïëîòíîñòü îñòàëüíûõ êîìïîíåíòîâ êîñìè÷åñêîé ñðåäû: òåìíîãî âåùåñòâà ( ρd ), ñâåòÿùåãîñÿ
âåùåñòâà çâåçä è ãàëàêòèê ( ρp ) è èçëó÷åíèÿ ( ρ r ).
Îáû÷íî ïëîòíîñòè êîìïîíåíòîâ îòíîñÿò ê òàê íàçû2
âàåìîé êðèòè÷åñêîé ïëîòíîñòè ρc = 3 8 H G =
29
3
= 0,6 × 10- ã × ñì - . Òåïåðü ïðèâåäåì ïîñëåäíèå ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå äëÿ ýòèõ îòíîøåíèé:
ρv ρc = 0,7 ± 01 ,
ρd ρ c = 0,3 ± 01 ,
ρp ρc = 0,02 ± 0,01 ,
ρr ρc : 10 -4 .
Çäåñü íóæíî ñäåëàòü îäíî çàìå÷àíèå, Èíîãäà òåìíóþ
ìàòåðèþ, ñîñòîÿùóþ èç íåèçâåñòíûõ ýëåêòðîíåéòðàëüíûõ ÷àñòèö, âêëþ÷àþò â L -÷ëåí. Ýòî àáñîëþòíî íåâåðíî. Òåìíàÿ ìàòåðèÿ çàíèìàåò ïåðèôåðè÷åñêóþ ÷àñòü
ãàëàêòèê è, ñëåäîâàòåëüíî, ðàñïðåäåëåíà (â îòëè÷èå îò
âàêóóìà) êðàéíå íåðàâíîìåðíî, à L -÷ëåí çàíèìàåò
ïî÷òè ðàâíîìåðíî âñþ Ãàëàêòèêó. Ðåàëüíàÿ ìàòåðèÿ
ñîñòîèò èç èçâåñòíûõ ÷àñòèö (ïðîòîíîâ, íåéòðîíîâ,
ýëåêòðîíîâ, ôîòîíîâ è äðóãèõ ÷àñòèö). Îäíàêî óïîìÿíóòàÿ ïóòàíèöà íå ñîâñåì áåçîñíîâàòåëüíà. Âîïðîñ «èç
÷åãî» ñîñòîèò L -÷ëåí, âåðîÿòíî, îñíîâíîé â ôèçèêå
âàêóóìà è òàêæå äàëåê îò îêîí÷àòåëüíîãî ðåøåíèÿ.
Íî îäíî óñëîâèå îñòàåòñÿ – L -÷ëåí (êîòîðûé èíîãäà
îòîæäåñòâëÿþò ñ âàêóóìîì), åñëè è ñîñòîèò èç ÷àñòèö,
òî ïîñëåäíèå äîëæíû îáëàäàòü óíèêàëüíûìè ñâîéñòâàìè: îòñóòñòâèåì ñïèíà (ñêàëÿðíûå ÷àñòèöû), ñòàáèëüíîñòüþ è ýëåêòðîíåéòðàëüíîñòüþ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå
íå áóäåò âûïîëíÿòüñÿ îñíîâíîå óñëîâèå p = -ε , è
âàêóóì ïðåâðàòèòñÿ â îòâåðãíóòûé äàâíî ýôèð. Îêàçûâàåòñÿ, íàéòè òàêèå ÷àñòèöû ñðåäè ÷åòûðåõñîò óæå
îáíàðóæåííûõ íà óñêîðèòåëÿõ ÷àñòèö ñîâñåì íå ïðîñòî. Íàèáîëåå ïîäõîäÿùèì êàíäèäàòîì â ÷àñòèöû
âàêóóìà ÿâëÿþòñÿ ÷àñòèöû Õèããñà, êîòîðûå åùå óâåðåííî íå îáíàðóæåíû íåïîñðåäñòâåííî, íî èõ ñóùåñòâîâàíèå ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì óñëîâèåì äëÿ ôîðìè-
ðîâàíèÿ òåîðèè, îáúåäèíÿþùåé ýëåêòðîìàãíèòíîå è
ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèÿ. (Ïî ñàìûì ïîñëåäíèì è íå
î÷åíü íàäåæíûì äàííûì, ïîëó÷åííûì íà óñêîðèòåëå
LEP, ìàññà Õèããñ-áîçîíà ïîðÿäêà 150 ÃýÂ.)
Ïðîáëåìà ïðèðîäû òåìíîé ìàòåðèè òàêæå âåñüìà
èíòåðåñíà, õîòÿ òåìíàÿ ìàòåðèÿ íå òàê óíèâåðñàëüíà,
êàê âàêóóì, è, âåðîÿòíî, íå èãðàåò â ýâîëþöèè Âñåëåííîé ñòîëü ïðèíöèïèàëüíîé ðîëè.
Âàêóóì ÿâëÿåòñÿ îñíîâîé åùå îäíîãî ôóíäàìåíòàëüíîãî âîïðîñà: ïî÷åìó åãî ïëîòíîñòü ρv < 10 -29 ã × ñì -3
ñòîëü ìàëà? Îöåíêè, îñíîâàííûå íà ñîîáðàæåíèÿõ
ðàçìåðíîñòè, óêàçûâàþò, ÷òî çíà÷åíèå ρ v äîëæíî áûòü
íà ìíîãî äåñÿòêîâ ïîðÿäêîâ áîëüøå. Äåéñòâèòåëüíî,
æ h ö
ρv » m ç ÷
è mc ø
-3
,
ïîýòîìó åñëè äàæå ïðèíÿòü m = 10 -24 ã (ïðîòîí), òî
16
-3
ïðèõîäèì ê çíà÷åíèþ ρv : 10 ã × ñì . Åñëè æå ïîëàãàòü, ÷òî ìàññà m îïðåäåëÿåòñÿ ôóíäàìåíòàëüíûìè
ïîñòîÿííûìè h , G è ñ, òî ïëîòíîñòü äîëæíà áûëà áû
äîñòèãíóòü óæ ñîâñåì ôàíòàñòè÷åñêîé âåëè÷èíû.
Çàêëþ÷åíèå
Èíòåðïðåòàöèÿ ðàçëè÷èÿ ìåæäó ýòèìè îöåíêàìè è
ðåàëüíûì çíà÷åíèåì ρv ÿâëÿåòñÿ, ïîæàëóé, íàèáîëåå
èíòðèãóþùåé ïðîáëåìîé ôóíäàìåíòàëüíîé ôèçèêè. Ïî
íàøåìó ìíåíèþ, âîçìîæíî, ÷òî âàêóóì Âñåëåííîé ñîñòîèò èç ìàññèâíûõ ÷àñòèö è ÷òî åãî ïëîòíîñòü âåñüìà
âåëèêà. Îäíàêî ïðè îáðàçîâàíèè Ìåòàãàëàêòèêè ïðîèñõîäèò ôàçîâûé ïåðåõîä, êîòîðûé ñóùåñòâåííî óìåíüøàåò
ìàññó âàêóóìíûõ ÷àñòèö è òðàíñôîðìèðóåò èõ ýíåðãèþ
â ðåàëüíûå ÷àñòèöû è ýíåðãèþ èõ äâèæåíèÿ. ×ðåçâû÷àéíàÿ ìàëîñòü ìàññû âàêóóìíûõ ÷àñòèö îïðåäåëÿåòñÿ
íåîáõîäèìîñòüþ äëèòåëüíîãî ñóùåñòâîâàíèÿ Ìåòàãàëàêòèêè äëÿ îáðàçîâàíèÿ ñëîæíûõ ôîðì ìàòåðèè.
Èëëþñòðàöèÿ Ë.Òèøêîâà
4