Международный ежегодник «Будущее науки» Выпуск 19 «Знание» М. 1986

Академик АН СССР Аркадий Бейнусович Мигдал

«Пустота – эфир – вакуум»

Международный ежегодник «Будущее науки» Выпуск 19 «Знание» М. 1986

Трудно сказать, что случалось чаще в истории физики – сначала обнаруживался экспериментальный факт, дававший толчок развитию теории, или же сначала возникала теория, требовавшая экспериментальной проверки. Эксперимент и теория постоянно стимулируют друг друга. Эксперимент – верховный судья в физике, изучающий материальный мир. Теоретические построения в ней постоянно требуют согласования с тем, что мы уже знаем об окружающем мире. Физическая теория – это здание, построенное на правдоподобных предположениях, которые предстоит проверить. Казалось бы, здание строится на шатких основаниях, но слабые звенья постоянно заменяются более надёжными, и оно делается всё прочнее.

Примером такой величественной постройки может служить удивительная история пустоты, о которой мы попытаемся рассказать.

Что такое пустота: абстрактное понятие, «ничто», вместилище для физических тел?

Что останется, если идеальный насос удалит из замкнутого объёма все частицы?

Что находится в межзвёздном пространстве, где почти нет вещества?

Развитие физики последних десятилетий показало, что наше физическое пространство – вакуум – не просто геометрический объект, не пространство, в котором ничего нет, а сложная система, обладающая интереснейшими свойствами, совершенно непохожими на свойства твёрдых сред, жидкостей или газов. Эта статья посвящена свойствам вакуума – важнейшего объекта современных физических исследований. Многое из того, о чём пойдёт речь, давно уже стало бесспорным достижением науки, но мы обсудим и те свойства вакуума, о которых физики только догадываются, только начали исследовать. Завершение этих исследований – дело близкого и далёкого будущего физической науки.

 

Ливни частиц

При сверхбольших энергиях сталкивающихся адронов из вакуума рождаются снопы различных частиц и античастиц. Когда сталкиваются два протона большой энергии, возникают два снопа частиц, летящих в направлении каждого из протонов. Чем больше энергия сталкивающихся протонов, тем больше частиц в снопах. Эти снопы в большом количестве можно наблюдать на фотопластинках при изучении космических лучей и на ускорителях большой энергии.

Способность частиц рассеиваться друг на друга и рождать другие частицы определяется отношением числа рассеянных частиц к числу частиц, падающих на единицу площади. Если разделить это отношение на число частиц в рассеивающем веществе, то получится величина, отнесённая к одной частице, имеющая размерность площади, которая называется поперечным сечением. Это как бы та площадка вокруг рассеивающей частицы, попав в которую, налетающая частица обязательно рассеивается. В классической механике поперечное сечение определяется геометрическими размерами частиц. Когда сталкиваются адроны, такое геометрическое сечение имеет порядок величины 10^-25 – 10^-26 см². Эксперимент показал, что эффективное сечение растёт с увеличением энергии и может как угодно превысить геометрическое сечение. На первый взгляд это очень странное явление. Обычно при рассеивании частиц, с увеличением энергии квантовые явления ослабляются (для имеющих представление о квантовой механике скажем: длина волны де Бройля уменьшается) и сечение стремится к классическому пределу, то есть определяется геометрическими размерами.

Объяснение этой странности в свойствах вакуума. Оказывается, реальный адрон большой энергии окружён облаком виртуальных кварков и антикварков. Чем больше энергия частицы, тем больше размеры облака и тем легче виртуальные кварки превращаются в комбинации, отвечающие реальным адронам. Достаточно краем облака задеть другой реальный адрон, как виртуальные частицы в нём превратятся в адроны. Поскольку радиус облака растёт с увеличением энергии, растёт и эффективное сечение.

Эти явления и примыкающие к ним задачи исследовались в работах Р. Фейнмана и члена-корреспондента АН СССР В.Н. Грибова и его сотрудников (1965 – 1975 г.г.).

 

Аномальные ядра

Самое важное следствие пионной конденсации – возможная неустойчивость нуклонного вещества. Пока конденсация не возникла, энергия ядерного вещества резко возрастает с увеличением плотности. (Увеличение энергии с увеличением плотности характеризуется «жёсткостью»). Но стоит возникнуть пионному полю, как начинает высвобождаться энергия. В результате жёсткость ядерного вещества уменьшается и, если выигрыш энергии от конденсации нарастает с увеличением плотности быстрее, чем проигрыш от сжатия, жёсткость становится отрицательной, наступает неустойчивость ядерного вещества. Такая неустойчивость означала бы, что ядерное вещество, состоящее из нейтронов и протонов, может находиться, кроме обычного, и в необычных состояниях, иными словами, наряду с обычными ядрами могут существовать и аномальные ядра с другими свойствами – другой плотностью, отношением заряда к массе, с другой энергией связи протонов и нейтронов.

Пока такие ядра не обнаружены. При расчётах их энергии получены очень грубые результаты, многие параметры ещё недостаточно хорошо известны. Сейчас нельзя сделать определённого заключения даже о возможности образования аномальных ядер; можно только сказать, что существование их достаточно правдоподобно, чтобы предпринимать серьёзные усилия для доказательства или опровержения подобного предположения. Эти явления пока существуют только на бумаге как результат теоретических расчётов или оценок. Если следствия теории подтвердятся на опыте, будет сделан существенный шаг в понимании природы, если нет – теория сохранит свою методическую ценность и послужит основой для будущей, более успешной теории.

 

Академик АН СССР Аркадий Бейнусович Мигдал

«Пустота – эфир – вакуум»

Международный ежегодник «Будущее науки» Выпуск 19 «Знание» М. 1986

Трудно сказать, что случалось чаще в истории физики – сначала обнаруживался экспериментальный факт, дававший толчок развитию теории, или же сначала возникала теория, требовавшая экспериментальной проверки. Эксперимент и теория постоянно стимулируют друг друга. Эксперимент – верховный судья в физике, изучающий материальный мир. Теоретические построения в ней постоянно требуют согласования с тем, что мы уже знаем об окружающем мире. Физическая теория – это здание, построенное на правдоподобных предположениях, которые предстоит проверить. Казалось бы, здание строится на шатких основаниях, но слабые звенья постоянно заменяются более надёжными, и оно делается всё прочнее.

Примером такой величественной постройки может служить удивительная история пустоты, о которой мы попытаемся рассказать.

Что такое пустота: абстрактное понятие, «ничто», вместилище для физических тел?

Что останется, если идеальный насос удалит из замкнутого объёма все частицы?

Что находится в межзвёздном пространстве, где почти нет вещества?

Развитие физики последних десятилетий показало, что наше физическое пространство – вакуум – не просто геометрический объект, не пространство, в котором ничего нет, а сложная система, обладающая интереснейшими свойствами, совершенно непохожими на свойства твёрдых сред, жидкостей или газов. Эта статья посвящена свойствам вакуума – важнейшего объекта современных физических исследований. Многое из того, о чём пойдёт речь, давно уже стало бесспорным достижением науки, но мы обсудим и те свойства вакуума, о которых физики только догадываются, только начали исследовать. Завершение этих исследований – дело близкого и далёкого будущего физической науки.