Проблема существования вакуума в истории механики

Поэтому и поныне продолжающиеся попытки вернуть в физику «мировой эфир» в виде частиц, поведение которых подчиняется законам классической механики, обречены на заведомую неудачу.

Конечно, по поводу этих высказываний возникают вопросы, на которые трудно дать ответ. В частности, что такое пустота? Откуда известно, что природа не терпит пустоты? Почему частицы эфира должны подчиняться законам классической механики, когда уравнениями движения эфира являются уравнения Максвелла? Почему необходимо понимать под частицами эфира некоторые механические твердые шарики, в то время, как наиболее известная теория эфира — теория Кельвина — рассматривает эфир как совокупность вихрей в некоторой сплошной среде. К сожалению, легковесность подобных научно-популярных опусов проникает и в школьные, и в университетские учебники, создавая ложные представления.

Три массы вакуума

Как известно, пространство вместе со временем образуют единое многообразие, четырехмерное пространство-время, в котором три координаты относятся к собственно пространству, а четвёртая координата есть время. Именно так описывает мир теория относительности. Согласно этой теории, геометрия четырёхмерного пространства-времени определяется распределением и движением вещества. Вещество распределено в пространстве и движется во времени. Связь между веществом и пространством-временем осуществляет тяготение вещества. Связь эта взаимная: не только вещество влияет на геометрию пространства-времени, но и пространство-время способно влиять на распределение и движение вещества в нём.

Но вакуум, и только он один, способен влиять, но не испытывать на себе обратного влияния. Действительно, тот факт, что плотность и давление вакуума неизменны, означает, что на вакуум ничто, нигде и никогда никак не действует. Он воздействует на вещество своим антитяготением, влияет на свойства пространства-времени. И даже полностью их определяет, когда его плотность превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии. А сам не испытывает ни обратного влияния всего вещества мира, ни обратного влияния геометрии мира, ни своего собственного антитяготения. Он оказывает действие, но не испытывает противодействия. Это единственный известный в физике пример, когда действие не равно противодействию, — вопреки третьему закону Ньютона. Причина такой «неподатливости» вакуума состоит в том, что у него нет инертной массы; вернее, она равна нулю. Инертная масса — это понятие из второго закона Ньютона, который гласит, что сила, действующая на тело, равна произведению ускорения на массу тела.

Здесь имеется в виду именно инертная масса. Для всех обычных тел она отлична от нуля. Инертная масса единицы объёма тела равна — по общему определению — сумме плотности энергии тела и давления в нём, делённой на квадрат скорости света. Но как мы помним, давление вакуума есть его плотность энергии со знаком минус. Из этого вытекает, что сумма, дающая инертную массу, обращается для вакуума в нуль. Но тогда выходит, что любая сила, приложенная к вакууму, тоже равна нулю.

В физике известен и ещё один род массы — это пассивная гравитационная масса. Она фигурирует в законе тяготения Ньютона. Это масса, которая «чувствует» поле тяготения, создаваемое всеми остальными телами. Ещё Галилею было известно, что пассивная гравитационная масса всегда равна инертной массе. Именно поэтому все тела движутся с одинаковым ускорением в поле тяготения Земли. Равенство этих двух масс составляет содержание универсального принципа эквивалентности, который действует в механике Ньютона и полностью сохраняет свою силу в общей теории относительности. Применительно к вакууму эквивалентность означает, что его пассивная гравитационная масса равна нулю, как и его инертная масса. Поэтому вакуум — и только он один — не «замечает» никаких полей тяготения, ни чужих, ни своего собственного.

Мы уже упоминали выше об эффективной гравитирующей плотности. Ей отвечает масса третьего рода, которая называется активной гравитационной массой, т. е. массой, не чувствующей, а создающей тяготение. Эффективная плотность — это активная масса, приходящаяся на единицу объёма. Как мы знаем, для вакуума эффективная плотность отрицательна. Значит, и активная гравитирующая масса вакуума отлична от нуля и отрицательна. Для обычных тел вокруг нас все три рода массы одинаковы и неразличимы, так что можно говорить просто о массе тела во всех трёх случаях.

Заключение

Глубоко заблуждается тот, кто полагает, что свойства вакуума исчерпываются эффектами, подобными описанному. Бесконечный и вездесущий вакуум вмешивается постоянно в явления как в микромире, так и в дела Вселенной. В микромире наблюдаемые частицы просто вынуждены жить в этом кипящем котле нулевых колебаний. Мы уже обсуждали тот факт, что в принципе в этом вакуумном небытии можно отыскать все элементарные частицы и при этом в неограниченном количестве. Если у данной частицы есть античастица (у электрона — это позитрон), то их вакуумная жизнь протекает совместно. Нулевые колебания для них заключаются в том, что пара частица-античастица возникает, а затем частица с античастицей взаимоуничтожаются — аннигилируют. Так и получается, что вроде они есть, а вроде их и нет. Частицы, пребывающие в таком состоянии, называются виртуальными.

Список литературы

Веселовский И. Н. Очерки по истории теоретической механики. — М., 1974.

Жуковский Н. Е. Теоретическая механика. — М-Л., 1950.

Зельдович Я. Б. Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии. УФН., 1981., т.133, вып.

3, с.479−503.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. — М.: Наука, 1988.

Лоренц Г. А. в сб. Принципы относительности. — М.: Наука, 1988.

Погребысский И. Б. От Лагранжа к Эйнштейну. Классическая механика ХIХ века. — М., 1966.

Полак Л. С. Вариационные принципы механики, их развитие и применение в физики. — М., 1960.

Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр: краткая история времени. — М.: Мир, 1990.

Жуковский Н. Е. Теоретическая механика. — М-Л., 1960.

Погребысский И. Б. От Лагранжа к Эйнштейну. Классическая механика ХIХ века. — М., 1966.

Полак Л. С. Вариационные принципы механики, их развитие и применение в физике. — М., 1960.

Зельдович Я. Б. Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии. УФН., 1981, т.133, вып.

3, с.479−503.

Зельдович Я. Б. Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии. УФН., 1981, т.133, вып.

3, с.479−503.