К ВОПРОСУ О ВИДАХ И СТРУКТУРЕ МАТЕРИИ В СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКЕ

В классической физике выделяется два вида материи – вещество и поле.
Если вещество как вид материи не вызывает сомнений, то поле, в связи с развитием физической науки (особенно в XX веке, с осознанием того, что существует наиболее фундаментальный вид материи – физический вакуум) как вид материи вызывает много вопросов.
Вспомним, каким образом поле стало считаться самостоятельным видом материи. Довольно исчерпывающе об этом описывает Эйнштейн [1]: «Исходя из механических представлений, сначала пытались рассматривать поле как некоторое механическое состояние (движение или напряжение) гипотетической среды (эфира), заполняющей пространство. Но, поскольку, несмотря на настойчивые попытки, такая трактовка не увенчалась успехом, постепенно привыкли рассматривать «электромагнитное поле» как последний, не сводимый ни к чему другому, структурный элемент физической реальности».
Развитие физики и, в частности квантовой электродинамики привело к признанию того, что в природе не существует абсолютно пустого пространства. Оказалось, что частицы и поля являются двумя проявлениями более сложных объектов – квантовых полей, т.е. вакуума. Сложилась сложная ситуация в понятии «виды» материи.
Остановимся более подробно на рассмотрении этого вопроса.
Вакуум
В квантовой теории поля физический вакуум понимается просто как состояние поля. Однако развитие физики последних десятилетий указывает на обратное. Вакуум – это более фундаментальный вид материи.
В настоящее время принято считать, что наиболее фундаментальной основой Всего является континуальный вакуум [2].
Развитие физики показало, что никакая частица не может претендовать на фундаментальность и выступать в качестве основы мироздания. Дискретность свойственна веществу, поэтому оно принципиально не может выступать в качестве фундаментальной основы мира. Вакуум не должен обладать признаками, свойственными веществу. Он не должен быть дискретным. Его основной признак – континуальность.
Континуальный вакуум нельзя отожествлять с эфиром, состоящим из квантов, его нельзя считать состоящим из каких бы то ни было дискретных частиц. Он является целостным неделимым физическим объектом. Это физический объект не наблюдаемый. Однако между ненаблюдаемым континуальным вакуумом и наблюдаемым проявленным миром имеется генетическая взаимосвязь и взаимопереходы.
До сих пор физика изучала не первичную сущность, а ее проявления – вещество и поле. Поэтому перед физической наукой стоит задача раскрыть связь между континуальным вакуумом, который является онтологической основой мироздания и наблюдаемым вещественным миром.
Для континуального вакуума присуща с точки зрения физики максимальная энтропия, поэтому физический переход вакуум-вещество должен происходить с уменьшением энтропии. Фазовый переход вакуум-вещество относится к процессам самоорганизации. Климонтович [3] показал, что для процесса самоорганизации действует закон уменьшения энтропии для открытых систем.
S-теорема Климонтовича показывает, что если за начало отсчета степени хаотичности принять «равновесное состояние», отвечающее нулевым значениям управляющих параметров, то по мере удаления от равновесного состояния, вследствие изменения управляющего параметра, значения энтропии, отнесенное к заданному значению средней энергии, уменьшаются.
Экспериментально уже подтвержден закон уменьшения энтропии на примере поведения систем коллоидных частиц микронного размера, находящихся в воде, в оптической ловушке, созданной сфокусированным лазерным лучом. Аналогичные результаты получены и в плазме, наблюдалось появление регулярных структур. Образовавшиеся регулярные структуры имели фрактальные закономерности. Таким образом, теорема Климонтовича снимает запрет на возможность возникновения не только регулярных структур в континууме, и порождение дискретных структур из непрерывного вакуума.
Итак, корни дискретности следует искать в непрерывности.
Возникновения дискретного вещества из континуального вакуума осуществляется посредством унитронного поля, которое представляет собой энергетически насвещенное состояние континуального вакуума [2]. Унитрон является динамическим объектом, обладающим свойствами нелокальности и динамической симметрии (D-инвариантность). Это конвергирующий объект. При конвергенции плотность энергии увеличивается, при этом происходит уменьшение размеров области локализации энергии. Существует предел плотности энергии унитрона. Это предельное состояние унитрона приводит к рождению электрона и позитрона. Это переходное состояние континуального и унитронного вакуума можно сравнить с уровнем Ферми для фермионов в кристаллических твердых телах, когда ниже уровня Ферми электроны, совершенно не проявляются, а выше уровня Ферми они определяют все электронные свойства твердого тела. На уровне унитрона берут начало все фундаментальные взаимодействия и все физические и космологические константы.
Таким образом, если фундаментальной, онтологической основой мира является континуальный вакуум, то унитрон, вследствие его законоформирующей и константоформирующей функций, следует назвать физическим вакуумом. Все фундаментальные взаимодействия осуществляются в физическом вакууме и с его непосредственным участием.
В физическом вакууме микрочастицы, например, электрон и позитрон, находятся в виртуальном состоянии. Частица и античастица колеблются друг относительно друга, находясь на расстоянии комптоновской длины . Эти колебания представляют собой флуктуации физического вакуума. Время жизни виртуальной пары определяется соотношением неопределенностей Гейзенберга. Для разрыва виртуальной пары, т.е. проявления в реальном мире, необходимо затратить энергию равную .
В отсутствии внешних воздействий все свойства вакуума одинаковы по отношению к любой из возможных инерциальных систем отсчета. Однако, в случае равномерно ускоренного движения, например, атома в вакууме, вследствие взаимодействия с вакуумными флуктуациями, он будет возбуждаться. Распределение электронов в атоме по энергетическому состоянию будет аналогично тепловому при температуре Унру. , здесь – ускорение. Таким образом, ускоренный атом является «детектором» вакуумно-нулевых колебаний физического вакуума. Квантовые флуктуации детектора, наведенные нулевыми колебаниями вакуума, могут привести к реальному излучению [4].
Вещество
Вещество – это дискретное информационно-энергетическое воплощение физического вакуума. Оно имеет дискретную структуру. Дискретность является главным признаком вещества.
Вещество существует в виде объектов различной сложности, которые занимают соответствующие уровни в иерархической системе мира, начиная с элементарных частиц и кончая системами галактик.
Фундаментальными элементарными частицами являются шесть лептонов (электрон , мюмезон , таумезон , электронное нейтрино , мюмезонное нейтрино , таумезонное нейтрино ) и шесть кварков (легкие кварки и , странный кварк , очарованный кварк , красивый кварк и истинный кварк ).
Между лептонами и кварками проявляется парная симметрия: нижнему - и верхнему - кваркам соответствуют электрон и электронное нейтрино ; странному - и очарованному - кваркам соответствуют мюмезон и мюмезонное нейтрино ; красивому - и истинному - кваркам соответствуют таумезон и таумезонное нейтрино .
Кварки и лептоны обладают полуцелым спином, они подчиняются статистике Ферми-Дирака и относятся к фермионам.
Кварки в отличие от лептонов обладают дробным электрическим зарядом, кроме того, кварки обладают свойством цветности. Они имеют три цвета.
Все элементарные фундаментальные частицы имеют античастицы.
Между объектами вещественного вида в физическом вакууме происходят взаимодействия. В настоящее время известны четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Они отличаются интенсивностью.
Кварки и антикварки, взаимодействуют между собой по сильному взаимодействию, создают уже другой уровень объектов вещественного вида материи. Эти объекты называются адронами, и они образуют большую группу частиц. Комбинация из двух кварков образуют частицы – мезоны, а комбинация из трех кварков образуют группу барионов (к ним относятся, например, протон и нейтрон ).
Адроны и лептоны, взаимодействуя по электромагнитному взаимодействию, образуют уже следующий уровень материальных объектов. Это атомы и молекулы. Атомы и молекулы, в свою очередь, образуют многообразие вещества неживой и живой природы. В образовании их основную роль играет также электромагнитное взаимодействие.
Следующим уровнем вещественных материальных объектов являются космические. В их образовании в большей степени проявляется гравитационное взаимодействие.
Нужно отметить, что каждый уровень вещественных материальных объектов обладает своими специфическими свойствами.
Поля
С каждым видом фундаментальных взаимодействий связывают соответствующие поля.
Наиболее общая философская трактовка физических полей представляется следующим образом: «Действительная объективная природа физических полей заключена в том, что они представляют собой не что иное, как способ предметной реализации опосредованного бытия вещей, т.е. являются способом предметной реализации взаимодействий последних» [5].
Таким образом, одним из важнейших функций физических полей является обеспечение взаимодействия между объектами.
В связи с признанием фундаментальной роли физического вакуума во взаимодействиях физические поля теряют свою основную роль, как способа предметной реализации взаимодействий. Остановимся более подробно на рассмотрении этих вопросов.
Если в физический вакуум поместить наэлектризованное тело, то виртуальные пары частица-античастица вакуума ориентируются соответствующим образом вокруг заряженного тела. Возникает поляризация вакуума. Этот поляризованный вакуум воспринимается как электростатическое поле. И если в это поле внести пробный заряд, то на него будет действовать сила, описываемая законом Кулона , которая уменьшается с расстоянием по квадратичной зависимости. Здесь – электрическая постоянная, которая как раз и характеризует электрическую поляризацию вакуума.
Если же источником возмущения является тело, обладающее массой, то возмущение, т.е. поляризация вакуума происходит по-другому. Происходит не ориентация виртуальных диполей, а просто смещение их. В этом случае возмущенный вакуум воспринимается как гравитационное поле, которое описывается законом всемирного тяготения , здесь – гравитационная постоянная, которая характеризует гравитационную поляризацию вакуума. Как видим вид закона такой же, как и закон Кулона.
Магнитное взаимодействие, т.е. взаимодействие между проводниками с током, определяется аналогичным законом , здесь – магнитная постоянная, которая характеризует магнитную поляризацию вакуума.
Взаимодействие между электрическим и магнитным возмущением вакуума описывается уравнениями Максвелла. Из них выводится волновое уравнение для напряженности электрического поля : . Здесь – скорость распространения электромагнитного возмущения вакуума.
Виртуальные пары частица-античастица постоянно возникают и исчезают, это явление определяют как нулевые флуктуации вакуума. Возникновение виртуальной пары создает дипольный момент , поэтому флуктуации вакуума можно считать проявлением всплесков полей. Хотя среднее значение напряженности этих полей во времени равно нулю, однако среднее значение квадратов напряженности в нуль не обращается. С квадратами этих полей сопоставляется возникновение различных видов конденсатов. Основные характеристики реальных частиц (масса, заряд, спин) проявляются именно во взаимодействии этих частиц с определенным вакуумным конденсатом.
Реальные микрочастицы постоянно подвергаются воздействию со стороны виртуальных, и поэтому не могут находиться в покое. Они ведут себя как броуновские частицы в газе. Вследствие воздействия виртуальных частиц вакуума, движущиеся реальные частицы не могут иметь четких траекторий, они размыты, что и наблюдается, например, в виде лэмбовского сдвига уровней энергии электронов в атоме.
Взаимодействие между виртуальными частицами и реальными микрочастицами выражается уравнением Шредингера квантовой механики. Результаты решения его дают только вероятностные значения. Эта статистичность квантовой механики объясняется флуктуациями вакуума, влияние которых точно определить невозможно.
В связи с невозможностью экранироваться от вакуума наблюдаемая величина элементарного заряда Кл не равна истинной, присущей носителю заряда, величине. Из диаграммы поляризации вакуума для точечного заряда зависимость заряда от расстояния получается [6] в виде:
,
где – постоянная тонкой структуры.
При получается логарифмическая расходимость. Это указывает на то, что изменение заряда носителя, вызываемого поляризацией вакуума, получается бесконечной величиной. Это объясняется тем, что в поляризации принимает участие весь вакуум, у которого бесконечное число виртуальных частиц.
Таким образом, функцию обеспечения взаимодействия между физическими объектами обеспечивает вакуум, а поля, введенные как самостоятельный вид материи для этих целей, уже не нужны.
Возникла ситуация, аналогичная с «теплородом» – жидкостью, обеспечивающей явление теплопередачи. Необходимость в которой отпала с выяснением механизма теплопередачи.
Итак, в качестве вывода можно сделать заключение, что фундаментальным видом материи является вакуум, а вещественный вид материи является продуктом фазового перехода вакуума. Поля же теряют атрибут самостоятельного вида материи и были введены в связи с отсутствием представлений о механизмах физических взаимодействий. Материальными их можно назвать только в онтологическом отношении, так как они представляют реальную поляризацию фундаментального вида материи – вакуума.

Литература:
1. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. – М., т.4, с.86.
2. Косинов Н.В. Континуальный и унитронный вакуум. – Физический вакуум и природа, № 2,1999, с. 22-27.
3. Климонтович Ю.Л. Уменьшение энтропии в процессе самоорганизации. S-теорема. – Письмо в ЖТФ, 1983, т.8.
4. Гинзбург В.Л., Фролов В.П. Вакуум в однородном гравитационном поле и возбуждение равноускоренного детектора. – Труды ФИАН им. П.Н. Лебедева, 1989, т.197, с. 8-62.
5. Кучевский В.Г. Анализ категории «материя». – М., 1983, с. 116.
6. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Элементарные частицы. – М., 1986, с. 256.