Сущность виртуальности. От конструкта к онтологическому статусу (Виртуальность мира и миры виртуальных реальностей)

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.

Виртуальные частицы вакуума «бьют», например, из глубин Земли через разломы коры и изменяют силу тяжести. Каждая элементарная частица окружена виртуальным облаком всех остальных частиц и содержит их в себе: каждая «состоит» из всех остальных. Однако виртуальные частицы не являются составной частью взаимодействующих элементарных частиц. От виртуальных частиц не остается следа в частицах, появившихся при взаимодействии порождении, хотя они участвуют в нем. Объективность процессов в микромире раскрывается изучением электромагнитных полей, зарядовой поляризации вакуума, гравитационных полей, продольно упорядоченных по спину фотонов. Фотон – волна-частица непрерывно движущаяся со скоростью 300 000 км /сек. Он распространяется как волна, а излучается и поглощается как частица. Фотон – частица, так как замкнут по контуру электромагнитным моментом, и локализуется в пространстве. Его колебания относительно геометрического центра придают ему волновые свойства. Фотон движется прямолинейно, одновременно вращается и колеблется, формирует кинетический момент – спин, чем удерживается на прямолинейной траектории. Фотоны – переносчики волн электромагнитного взаимодействия электронов. Физики полагают, что фотонные состояния возникают из вакуума при помощи операторов рождения с t k a. Фотонная «нить» расщепляется, нити сцепляются (эффект интерференции). Квантовая физика изучает процессы обмена электронов фотонами. Можно предположить, что в микромире фотоны чем-то отличаются друг от друга. Не отличающиеся были бы «не интересны» друг другу. Испуская «свои» фотоны, электроны вбирают в себя «чужие» фотоны, поглощают их, обмениваются фотонами друг с другом. («Сам» электрон – это левоспиральный фотон, замкнутый «кольцами», частица – волна.) Квантово-полевая теория электронов и фотонов описывает взаимодействия электромагнитных полей и электрически заряженных частиц. Взаимодействие двух электронов происходит в результате обмена виртуальными фотонами. Виртуальный фотон первого электрона «устремляется» ко второму электрону, а тот одновременно «посылает» свой фотон к первому электрону. Вокруг протона и нейтрона имеется сложное поле сил. Такое поле наглядно можно представить как виртуальное облако, своеобразную мезонную «шубу». Это «облако» существенно определяет свойства протона и нейтрона, поскольку мезоны входят в структуру этих элементарных частиц. Виртуальное облако электронно-протонного поля и нейтрино вносят свой вклад в свойства протона и нейтрона. Протон и нейтрон «обязаны» своим существованием всем остальным частицам. Принцип – «все состоит из всего» – принцип ядерной демократии справедлив для сильно взаимодействующих частиц. Свойства протона и нейтрона тождественны в отношении ядерного взаимодействия. Эти частицы – два различных состояния одной и той же частицы. Одна заряженная частица (протон), другая – нейтральная (нейтрон) составляют изотопический дуплет, в котором различаются проекции изотопического спина в некоем «внутреннем» изотопическом пространстве. «Возникновение – исчезновение» фотонов, порождение фотонами электронно-позитронной пары, аннигиляция этой пары потребовали развития представления о квантово-волновом поле как системе с бесконечным числом степеней свободы, квантовых волн (или частиц) возбуждения и поглощения возбуждения. Переносчиками взаимодействия служат восемь «цветных» самодействующих глюонов – квантов сильного взаимодействия. Адроны при высоких энергиях взаимодействуют друг с другом путем обмена комплексом виртуальных частиц. Каждый акт поглощения и испускания виртуальных частиц невозможен без нарушения связи между импульсом и энергией.

Целый ряд физических эффектов объясняется коллективными взаимодействиями реальных частиц с виртуальными частицами. Более того, согласно современным космологическим теориям, происхождение Вселенной обязано гигантской флуктуации энергии квантового вакуума. Он состоит из электрических диаполей, из положительных и отрицательных «элементарных» зарядов, окруженных магнитным (массовым) континуумом. В физическом вакууме непрерывно происходит самопроизвольное рождение и уничтожение виртуальных частиц с массой электрона (материализованных порцией энергии) за промежуток времени порядка 10-26 секунды как следствие квантовых флуктуаций в соответствии с соотношениями неопределенности. Время их существования настолько мало, что ни с одной элементарной частицей они не успевают обменяться энергией и существуют как вакуумный «туман», как «облачко» вокруг более крупных частиц, оказывая реальное воздействие на частицы. Флуктуации энергии квантового вакуума имеют бесконечно широкий диапазон частот. Сложные структуры квантового вакуума – та первооснова, которая определяет фундаментальные свойства нашего мира в целом. Он – наинизшее энергетическое состояние всех полей – потенциальное бытие с высокой степенью хаотичности и неопределенности. В нем нет реальных частиц: появляющиеся в нем частицы (электроны и позитроны) тотчас аннигилируют, а потому о них говорят как о не реальных, а виртуальных (могущих проявиться) частицах. Индивидуально эти частицы не проявляют себя, но как системный ансамбль заметно влияют на различные свойства материи. Вакуумный виртуальный «туман» – совершенно реальный феномен. Можно подсчитать энергию гравитационного взаимодействия виртуальных частиц, обуславливающую отличную от нуля плотность энергии в вакууме. Разделив величину плотности энергии на секунду в квадрате, получим плотность вакуумной «жидкости». Вакуум виртуально содержит все возможные частицы и состояния, которые могут из него, как из «ничего», рождаться. В квантовом поле виртуальные частицы существуют в наинизшем энергетическом состоянии. Сами они выступают «вторичным» возбужденным состоянием вакуума. Виртуальные частицы – совершенно реальные физические феномены.

Взаимодействия элементарных частиц в квантовой теории предстают как обмен промежуточными (виртуальными) частицами, переносящими взаимодействие. Учитывается, что в процессе рождения виртуальных частиц не выполняется закон сохранения энергии, а имеет место неопределенность энергии «Дельта Е» в состоянии виртуальных частиц. Виртуальная частица не находится в возбужденном состоянии (возрастания «склонности» к взаимодействию) и обязательно должна поглотиться в другой вершине взаимодействия. Исходят из допущения строгого сохранения энергии в каждом акте рождения или поглощения виртуальных частиц.

Для того чтобы нарисовать в красках всю сложную картину взаимосвязанности частиц в микромире, полей и структур протона, отображая определенным цветом «облака» тех или иных элементарных частиц, потребовалась бы вся палитра художника. Самое удивительное в этой своеобразной ситуации то, что часть бесконечно больше целого! В каждое из полей входят все остальные. Входят все элементы друг в друга в смысле взаимопорождений виртуальных потенций. Истолковать эту особенность микромира можно лишь единственным способом, а именно: «Существование данной элементарной частицы – это лишь момент бесконечных превращений на шкале больших вселенских перемен». Эти перемены в процессе порождения включают в себя виртуальный момент «развертывания – свертывания» и «свертывания – развертывания». Виртуальные частицы как процессы характеризуются особым статусом существования в режиме постоянного «биения». Они имеют квантовое состояние: спин, электрический и барионовый заряд. Но они существуют крайне кратковременно в промежуточных ситуациях «порождения» крупных частиц и (как посредники) оказываются «переносчиками» их взаимодействий, частицами связи «крупных» частиц в моменты их преобразования. У физических виртуальных частиц имеется самоактивность, самоорганизованность, способность связывать взаимодействующие изменяющиеся объекты («крупные» частицы). Виртуальная частица как бы «выбрасывается» полем («свертком» поля) и тут же поглощаются другим «свертком» поля. А тот в свою очередь выбрасывает свою виртуальную частицу, поглощающающуюся первым «свертком» поля. Происходит «взаимообмен» виртуальными частицами при порождении полем элементарных частиц. При столкновении микрочастиц возникают промежуточные короткоживущие состояния микросистемы. Процесс «рождения и уничтожения» (возникновения и исчезновения) виртуальных частиц выступает переносчиком взаимодействия, элементом механизма обеспечения перехода микросистемы из одного состояния в другое. Виртуальные частицы, проявляясь, действуют в промежуточных, переходных (имеющих крайне малую длительность) состояниях возникновения нового (элементарных частиц). Они «включают» взаимодействие более «крупных» и более долго живущих частиц. Как переносчики взаимодействий элементарных частиц они оказываются своего рода «клеем», не позволяющим материи распадаться на части. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками являются частицы с большой массой покоя, а время жизни их чрезвычайно коротко – всего лишь около 10 – 26 секунды. За виртуальное физическое пространство принимается пространство, определяемое размерами протонов и нейтронов 0,9 х 10 – 15 м. и сеточкой с ячейками 1,2 х 10 – 35 м. Структура и энергетика его практически не изучена. Пространство природы за пределами разрешения электронного микрокосмоса не изучено и является ареной спекуляции тех физиков, которые «открывают» то частицы пространства, то частицы вакуума и теоретически описывают даже частицы правакуума. (М.А.Марков)