В этой ситуации возникнут сомнения в самой «научности» теории суперструн (М-теории) – сомнения в ее фальсифицируемости по К. Попперу, установившему принцип органической связи теоретического и эмпирического уровней знания. Согласно этому принципу любое знание, претендующее на статус «научного», должно быть в принципе проверяемо и опровержимо.
Не окажется ли тогда базовая идея теории суперструны – идея многомерности Универсума – «лишь одним из тех милых лиц, что на мгновение появляются из толпы, чтобы исчезнуть в ней навсегда» (А. Ходос)?
Или традиционно принимаемое нами понятие «научности» (такие принципы, как: принцип наблюдаемости – объективным существованием обладают только принципиально наблюдаемые объекты; принцип проявляемости – объективным существованием обладает лишь проявляемое общее) должно быть пересмотрено в силу складывающейся новой онтологии бытия?
ЛЕКЦИЯ 4
Физический вакуум и поиск новой онтологии
Никакое поражение не может лишить нас успеха,
заключающегося в том, что в течение определенного
времени мы пребывали в этом мире.
Н. Винер
Понятие Физического Вакуума не может обсуждаться без его математического определения в рамках квантовой теории поля. Подразумевается локальная квантовая теория поля – в основе теории лежит принцип локальности: при полной неопределенности 4-импульса (
) квантового объекта существует возможность его точной локализации (
). Из принципа локальности следует локальность взаимодействия элементарных частиц и возможность неограниченной экстраполяции условия причинности в область малых пространственно-временных интервалов. Предпринятые до настоящего времени попытки (см., например, Г. Ватагин, С. Окубо, Г. Арновитт, С. Дезер, Х. Леман, Г. Ефимов) построения нелокальных квантовых теорий поля (с утверждением о том, что и при 
квантовый объект не может быть точно локализован, 
) к успеху не привели.
4.1 Операторная природа полевых функций
В квантовой теории полевые функции (решения полевых уравнений) описывают совокупности частиц, процессы взаимных превращений которых содержатся в теории явно. Для описания этих превращений функции полей должны обретать операторный смысл и распадаться на операторы рождения и уничтожения частиц. При этом между операторами устанавливаются перестановочные соотношения определенного типа (коммутаторы для бозе-частиц и антикоммутаторы для ферми-частиц). Операторы поля действуют на общую для всех полей волновую функцию вторичного квантования 
вектор состояния в бесконечномерном пространстве Гильберта–Фока, нормированный условием: 
4.2 Постулат квантования волновых полей
Постулируется, что операторы энергии-импульса 
заряда 
и других физических величин выражаются через функции полей так же, как и в классической теории. При этом устанавливается порядок операторного умножения – нормальное произведение операторов – операторы рождения должны находиться слева от всех операторов уничтожения.
4.3 Физический смысл оператора поля
Рассмотрим оператор поля:
(4.1)
и состояние с определенным собственным 
значением оператора энергии-импульса:
(4.2)
Тогда из (4.1), (4.2) и постулата квантования полей следует, что:
Таким образом, оператор 
описывает рождение частицы с импульсом 
а оператор 
уничтожение такой же частицы. Это свойство оператора поля справедливо для полей любой размерности (скалярные, векторные, спинорные, тензорные поля) и не зависит от конкретного вида перестановочных соотношений.
4.4 Состояние вакуума
Рассмотрим систему невзаимодействующих полей: 
В вакууме отсутствуют реальные частицы, поэтому его энергия и импульс должны быть равны нулю. Поскольку оператор уменьшает энергию и импульс, а энергия не может быть отрицательна, необходимо потребовать существование такого вектора 
в пространстве Гильберта–Фока, что:
(4.3)
(4.4)
Соотношения (4.3), (4.4) дают математическое определение состояния вакуума системы свободных квантованных полей. Исходя из требования нормального произведения операторов, с учетом (4.3) получаем нулевые значения средних (по вакууму) всех динамических величин:
…
Так исключаются псевдофизические величины, типа «нулевой бесконечной энергии», «нулевого бесконечного заряда» вакуума, возникающие при несуперсимметричном квантовании полей.
Необходимо обратить внимание на следующее. Требование нормального произведения операторов не следует из принципов квантовой теории поля и выглядит искусственным приемом. Однако без этого требования бесконечная положительная энергия нулевых (числа заполнения равны нулю) бозонных колебаний не компенсируется бесконечной отрицательной энергией нулевых фермионных колебаний.
Решение этой проблемы без обращения к процедуре нормального произведения операторов дают суперсимметричные теории – нулевая энергия вакуума таких теорий сохраняется в силу того, что бозонные «нулевые колебания» в точности компенсируются фермионными. «Нулевые» колебания подсистем «единого» вакуума существуют виртуально и проявляются, например, через эффекты поляризации вакуума, но таким образом, что его полная энергия остается равной нулю. Важнейшим результатом суперсимметричных теорий оказывается и тот факт, что указанное свойство компенсации нулевых колебаний присуще не только теориям «свободных»
квантованных полей, но сохраняется и при включении взаимодействия, причем вне рамок теории возмущений.
Итак, возникает представление о Физическом Вакууме квантовой теории поля как динамическом состоянии системы взаимодействующих квантованных полей, в котором отсутствуют реальные частицы, но происходит спонтанное рождение и аннигиляция виртуальных частиц. Представление о Физическом Вакууме как об образе «кипящей операторной жидкости» (И. Померанчук).
При этом Физический Вакуум может находиться в состояниях с сильно различающимися плотностью и давлением, причем эти давления – отрицательные. Отрицательное давление – уникальная характеристика Физического Вакуума. Подобного не наблюдается ни для какого-либо другого вида материи. Связь между плотностью 
Физического Вакуума и его давлением 
определяется формулой:
(4.5)
где 
скорость света в вакууме.
4.5 Поиск новой онтологии
Проблема Физического Вакуума – важнейшая онтологическая проблема современной теоретической физики. Особую актуальность ей придают проблемы квантовой космологии. За счет какой энергии наш Универсум расширяется ускоренно? Один из ответов – отрицательное давление Физического Вакуума (4.5) создает силу антигравитации («темная энергия», ненулевая космологическая постоянная в уравнении Гильберта–Эйнштейна, см. Лекцию 5), начинающую (по мере уменьшения плотности обычной материи по отношению к плотности вакуума при расширении Универсума) преобладать над силой всемирного тяготения. Откуда и как возник наш Универсум? Один из ответов – согласно инфляционной космологии (А. Старобинский, А. Гут, А. Линде, М. Гасперини, Г. Венециано) Универсум возникает из Физического Вакуума огромной плотности (~1090 кг/см3) за счет фазового перехода.
Вакуум, оказавшись в возбужденном состоянии – фазе «ложного вакуума» – своим отрицательным давлением за ~10-34 сек (вне планковского времени ~10-43 сек) увеличил («раздул») размеры пространственно-временного «пузырька» – еще нередуцированного 11-мерного многообразия (согласно представлениям М-теории) нашего Универсума – не менее, чем в ~10100 раз. В фазе инфляции (раздувания) Универсум пуст и холоден. Но через ~10-34 сек «ложный вакуум» распадается, возвращаясь в спокойную фазу и огромную энергию возбуждения отдает на практически мгновенный нагрев Универсума до температуры ~1029 градусов Кельвина. Этот «нагрев» и есть Большой Взрыв. С этого момента начинается уже достаточно изученная современной физикой космологическая эволюция горячего Универсума от рождения 
бозонов Великого Объединения (см. Лекцию 3) вплоть до образования галактик и звезд.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 |
Основные порталы (построено редакторами)