1.2. Виртуальность в эволюции природы

Вируальность вакуума, микрочастиц, химического и биологического уровней бытия

«РАННЯЯ» ВИРТУАЛЬНОСТЬ ВСЕЛЕННОЙ. ВИРТУЛЬНОСТЬ ВАКУУМА. Древние греки выдвигали предположение о существовании чего-то невидимого, заполняющего мировое пространство (апейрон Анаксимандра, пустота Демокрита). В 60-е годы ХХ века нелинейная квантовая теория исходит из того, что физический вакуум наиболее универсальный фундаментальный вид реальности, проявляющейся в фазовых переходах в виде виртуальных состояний всевозможных квантовых частиц и процессов. Появилась возможность моделировать все свойства элементарных частиц одновременно, а не порознь. Экспериментально была доказана реальность вакуума как физической субстанции, обладающей многими энергетическими уровнями. В 1980 г. А.Е. Акимов предложил новую модель квантового вакуума. Вселенная, независимо от того, содержала ли ранее материальные тела или нет, возможно, была заполнена свертками – круговыми волнами (вихрями внутри зарядовой оболочки) электронов и позитронов с нулевым спином, так как спины этих частиц направлены друг на друга. Суммарная масса «свертки» равна нулю. При образовании «свертки» масса преобразуется в энергию пар гаммы-квантов – фотонов. Главный смысл научных открытий состоит в том, что во Вселенной доминирует вакуум, и он превосходит все «обычные» формы материи, вместе взятые. Вакуум пронизывает всё как единое энергоинформационное поле Вселенной. «Содержательная пустота» порождает все в мире и задает свойства веществу. Я.Б. Зельдович постулирует происхождение Вселенной из вакуума.

Вакуум – состояние материи, способное порождать частицы вещества. Он полон энергией. «Светлая материя» – преобразования почти однородной плазмы до возникновения сложнейших генетических структур – составляет 4% от полной массы-энергии Вселенной. Остальные 96 % – мало изученные материальные формы. При этом из этих 4% светлой материи на долю звезд и почти всего различимого в ночном небе приходится всего лишь около 0,4% (по WMAP).

Вещество – редчайшее исключение во Вселенной. На галактики, звезды, планеты приходится лишь 2-3 % энергии Вселенной, на вакуум – 97-98 %. (Дж. Уиллер)

Мир вещества погружен в океан вакуума, насыщенного энергией. Все физические события, которые мы наблюдаем в нашем материальном мире, не более чем легкая рябь на поверхности этого океана. Вещество – такие редкие участки вакуумного поля, в которых возбуждения достигают особой интенсивности на границе раздела фаз с выделением энергии. В процессе эволюции вещества нарастает энтропия – приближение физической системы к наиболее вероятностному состоянию, в котором уровни энергии между всеми элементами системы выровнены, а сами элементы равномерно распределены. Приближение к состоянию энтропии можно считать нарастанием неопределенности, поскольку элементы системы распределяются максимально хаотично, а система оказывается лишенной внутренней структуры. Рост энтропии есть рост хаотичности. Возрастает количество структурной информации (негэнтропии), вызываемое перестройкой физического вакуума, который обеспечивает существование Вселенной в режиме, создающем условия для воспроизводства локальных структур, иерархичных по внутреннему устройству, начиная с ядерного уровня и кончая галактиками.

«Творческая» функция вакуума состоит в порождении им из самого себя Вселенных, неисчерпаемое многообразие которых образует Сверхвселенную. Физический вакуум – «начало всех начал» – «породил» «нашу» Вселенную 13,8 млрд. лет назад. Согласно квантовой теории, физический вакуум обладает весьма сложным строением, состоит из нескольких «этажей» (слоев) с разными энергетическими потенциалами. Он – та «пустота», которая оказалась великой «полнотой» и в нем осуществляются бесконечные превращения. Плотность вакуума положительна, а давление отрицательно. Он «ответственен» за антитяготение. Галактики разбегаются, погруженные в вакуум. Вселенная возникла в фазовом переходе вакуума. «Вакуум есть всё, всё есть вакуум» (Г.И. Наан).

Физический вакуум – то состояние материи, в котором происходят процессы взаимодействия «виртуальных частиц». Виртуальные поля и микрообъекты – спиновые образования с полу целым или целым значением своего момента количества движения – претерпевают изменения в переходах между уровнями макроскопическим и вакуума. Нейтроны, обмениваясь виртуальными заряженными пионами с протонами (в ядрах атома) или с соседними нейтронами (в нейтронных звездах) поддерживают свою устойчивость, создавая «противовес» взаимодействию распада. Когда нейтроны лишаются возможности обмениваться виртуальными частицами, изолированы их от соседей, они распадаются. В вакууме постоянно взаимосвязаны пары виртуальных частиц и античастиц. Виртуальные процессы в физическом вакууме приводят к таким эффектам как заряд частиц, поляризация. В вакууме рождаются и исчезают электроны и протоны – некие «облачка» материи, масса и плотность которых может меняться. Масса «облачков» перетекает из одного в другое «облачко». Протон массу теряет, а электрон становится тяжелее (на современном этапе эволюции нашего «участка» Вселенной). Идет разогрев Вселенной, и он будет продолжаться до тех пор, пока масса протонов и электронов не сравняется. Затем начнется охлаждение – масса протона будет увеличиваться, а масса электрона уменьшаться до следующих 14 миллиардов лет. Вселенная нестационарна, свойства ее периодически меняются. Вакуум порождает не только элементарные частицы, но и миры. Все состояния материи – порождение вакуума. Индивидуально виртуальный объект (далее ВО) не проявляет себя, но лишь в системном ансамбле частиц заметно влияет на различные свойства материи. Вакуумный виртуальный «туман» вполне реальный феномен, «призрачный» для нас. Вакуум всюду: здесь и сейчас. Виртуальные процессы вносят свой вклад в энергию электрона. Дж. Уиллер в работе «Гравитация» пишет, что пустое пространство вовсе не является пустым. Оно представляет собой вместилище самых бурных физических процессов. Электромагнитное поле флуктурирует. Там непрерывно рождаются и аннигилируют виртуальные пары электронов и позитронов, пары мю-мезонов, пары барионов и пары других частиц. Все эти флуктуации существуют наряду с квантовыми флуктуациями геометрии и топологии пространства. Существование виртуальных частиц в вакууме указывает на его нулевую плотность. Бурлящая «пустота» вакуума – материальная среда – заполняет мировое пространство и обладает необычными свойствами. В ней как пузырьки газа в кипящем составе Вселенной вспыхивают и гаснут галактики (и метагалактики). Одна из них – наша галактика. В Метагалактике доминирует вакуум, по плотности энергии он превосходит все «обычные» формы материи. Вакуум создает всемирное антитяготение, которое управляет динамикой космологического расширения в современную эпоху. Антитяготение воздействует на вещество. Обратного воздействия вещества на вакуум вопреки третьему закону Ньютона – нет. Самоорганизация вакуума делает возможным существование Вселенной в ее наблюдаемом виде. В определенном смысле вакуум является носителем всех потенциальных свойств Вселенной, своеобразной «матрицей» ее возможностей.

На философском языке вакуум – бытие небытия и небытие бытия, возможность всего и «ничтожение» нечто. Мы проникли в глубины мира настолько, что теряем самих себя в абсолютно малых, непрерывно изменяющихся объектах микромира. В вакууме нет частиц вещества и его можно считать своего рода «относительным небытием» («пустотой»). Физический вакуум не есть «ничто». Он – совокупность виртуальных (короткоживущих t = 10^-23 секунды) частиц с гигантской энергией 1019 ГЭВ. Наша Вселенная, возможно, появилась из первичного высокоэнергетического вакуума (правакуума). Вакуум в квантовой теории поля с протекающими в нем многообразными виртуальными процессами может считаться самым аморфным и неопределенным из всех физических объектов и самым «богатым» видом бытия, так как потенциально и виртуально вакуум содержит все возможные частицы и состояния, могущие проявиться при определенных условиях.

В квантовом мире – мире «неявленности» – находится «просвет» еще одного уровня бытия, где поле «рождает» частицы вещества, происходят взаимопревращения вещества и поля. Квантовая механика предсказывает не события, а их вероятности. Поле и вещество взаимосвязаны, нечетко «отграничены», осуществляют непрерывный переход друг в друга. Протоны и нейтроны постоянно окружены облаком виртуальных пи-мезонов. Открыты пять ионов кварков и шесть лептонов, не существующих в сильных взаимодействиях. Их существование виртуально – проявляется лишь во взаимдействиях. В пульсациях вакуума берут начала бесконечные ритмы возникновений и исчезновений.

При решении проблемы типологии виртуального бытия учитывают утвердившееся в физике понятие виртуальные частицы. Под ними в квантовой теории поля понимаются объекты, наделенные всеми те ми же свойствами, что и реальные физические частицы, но не удовлетворяющие некоторым существенным условиям. Например, для виртуального фотона масса его не обязательно нулевая, а энергия не обязательно положительная. Они не обладают наличным бытием, выступают мгновенно из потенциальности, полностью никогда не актуализируются.

В. Гейзенберг писал, что виртуальные частицы обладают полной кинетической свободой. Эти частицы появляются как бы ниоткуда и исчезают до того, как экспериментатору удается зафиксировать их появление, но они успевают выполнить задачу рождения других частиц. Виртуальные события в микромире есть обмен промежуточными частицами с предельной скоростью протекания этих событий.

Многообразны процессы физической реальности. Это преобразования вещества и поля, взаимодействия элементов на кристаллическом, молекулярном, атомном, субатомном (частиц, из которых состоят атомы) уровнях. Квантовый вакуум – основное состояние квантовых полей, в котором отсутствуют «крупные» элементарные частицы, обладающее минимальной энергией, нулевыми значениями импульса, углового момента, электрического заряда. Вакуум – самый фундаментальный тип из всех типов физической реальности – лежит в основе всех других видов физических объектов микромира, влияет на характер их взаимодействий и ответственен за космологическую систему – Вселенную.

ВИРТУАЛЬНОСТЬ МИКРОМИРА. К процессу обнаружения физической виртуальности подходил Нильс Бор, когда писал, что в квантовой теории электрон исчезает с одного уровня и возникает на другом, не существуя в момент перехода. Обстоятельства «поведения» электрона идут по нелинейным законам, скачками: накопив энергию для скачка, он «исчезает», появляясь на другом энергетическом уровне атома. В 1921 году Т. Калуца обобщил уравнения Общей теории относительности на случай пятимерной метрики. Он вычислил, что пятая координата замкнута на планковском масштабе 10^{– 43} см. Ричард Фейнман рассматривал взаимодействия зарядов без «полевых посредников». Он установил существование запаздывающих потенциалов наряду с опережающими. В физическую картину мира были внесены представления о влиянии взаимодействий настоящего не только на будущее, но и на прошлое – сил, распространяющихся с разными скоростями. Рейхенбек ввел для движущихся частиц–волн как ненаблюдаемых «цепей–событий» название «промежуточных явлений». В. Гейзенберг писал, что мы непременно узнаем, как энергия (излучение) становится материальной, принимая форму элементарных частиц. Можно сказать, что все частицы возникли из одной первосубстанции, которую можно назвать энергией или материей. Первосубстанция, когда ей случается быть в форме элементарной частицы, становится «материей». Из элементарных частиц устойчивы электрон, протон, нейтрон. Кроме того, есть частицы-излучения, движущиеся со скоростью света. Элементарные частицы – это «события», «процессы», динамические системы. На место принципа противопоставления (классической физики) приходит принцип взаимовлияния.

Квантовая физика построена на идее взаимодействия частиц посредством физических полей, которые рождают частицы. (Возможно, обнаружат виртуальность полей, ее участие в рождении частиц.) Изучаются квантовые капли – «молекулы», экситоны (электроны + «дырки»), увеличение напряженных дырок в результате лазерного излучения. Весь мир – взаимодействие полей (и частиц). П. Дирак вычислил, что в области отрицательной энергии заняты все уровни, а потому находящиеся на нем электроны представляют собой квантовый вакуум. Когда в течение малых промежутков времени квантовый вакуум сам испытывает достаточно большие колебания, то из него рождаются электроны и другие элементарные частицы. П. Дирак их назвал виртуальным «туманом» («морем»). Индивидуально они себя никак не проявляют, но как системный ансамбль влияют на различные свойства (на магнитный момент электрона, спектральные характеристики атомов). В «тумане» найдены «дырки» – частицы во всем похожие на электрон, но только с положительным зарядом. В 1932 г. К. Андерсон. исследуя космические лучи, открыл такую «дырку» и назвал ее позитроном. Наличием виртуальных обменных мезонов (пионов) японский физик Х. Юкава в 1935 году объяснил появление сильного взаимодействия, обусловливающего устойчивость атомных ядер.

М. Планк подчеркивал условный характер различия «внутренних» состояний системы и «внешних» факторов. Он считал, что «все есть колебания и результат их воздействия». Внутреннее пространство системы невидимо, в нем «исчезают» материальные частицы, «нарушая» закон сохранения массы и энергии. В то же время какие-то барьеры, воздвигнутые природой, внезапно «разрушаются» и из «ниоткуда» возникают вдруг излучения неизвестной природы и «исчезнувшие» частицы. Например, частицы протонасо скоростями, превышающими скорость света или возбудители «неизлечимых» болезней.

Идея виртуальности изменила понимание картины мира, когда во второй половине ХХ века физики приступили к изучению процессов квантования высоких энергий, особого рода частиц, проявляющих себя во время взаимодействия преобразующихся более крупных элементарных частиц. По мнению В.А. Кайдалова виртуальные частицы не особый класс частиц, существующих в возможности, но суть всеобщий универсальный аспект существования реальных частиц, проявляющийся во взаимодействиях элементарных частиц. Х. Эверрет и Дж. Уиллер полагают, что каждая актуализация, реализация (допускаемая квантовой вероятностью) дает расщепление существовавшей (до этой реализации) Вселенной на две (или более) параллельных «теневых» Вселенных – двойников. В этих бесчисленных дублерах могут быть реализованы все теоретически допустимые виртуальные возможности.