Что такое пустота в физике?

 

Здесь я помещаю развернутый ответ на вопрос, возникший в комментарии к моей статье
Причина спиралевидной формы галактических скоплений и обоснование нарушения законов Кеплера
http://www.proza.ru/2008/01/17/282


ВОПРОС ЗВУЧИТ ТАК:
«Мне не совсем понятны утверждения: «На самом деле из астрономии известно, что межзвездное пространство - отнюдь не пустота…» Что такое «пустота»? Это отсутствие в пространстве ВЕЩЕСТВА - атомарных структур и элементарных частиц или отсутствие среды, проводящей энергии излучений и других взаимодействий?»

МОЙ ОТВЕТ НА ЭТОТ ВОПРОС

К сожалению, официальная наука на эту тему до сих пор не договорилась, и это – одна из сторон того, что я назвал бы «неопределенность теории, выдаваемая официальными физиками за полную ясность», а вы назвали более кратко и эмоционально «научное мракобесие». Под «абсолютной пустотой», видимо, надо понимать «абсолютное отсутствие всякого вещества». Но есть три или две субстанции, которые обособлены от понятия «вещества». Это – электромагнитное поле, гравитационное поле и вакуум. Я не ошибся в том, что их «три или две». Физика до сих пор не знает, определяются ли электромагнитное и гравитационное поля одной общей природой, или являются проявлениями природы совершенно не связанной. Иными словами, возможно ли их раздельное и независимое существование, возможна ли среда, которая бы вела себя традиционным образом по отношению к электромагнитному полю и не таким образом по отношению к гравитационному, или наоборот. Физики на одной стадии разделяли электрическое поле и магнитное, потом выяснили, что это – проявления одной природы в разных условиях, и назвали его электромагнитным. Возник большой соблазн привязать к этой компании и гравитационные взаимодействия. Но пока это официальной науке не удалось. Следовательно, будем пока говорить либо «И», либо «ИЛИ». Что касается вакуума – это тоже официальной физикой в одном случае трактуется как синоним пустоты, но в другом случае трактуется как некая среда, которая даже обладает свойствами упругой среды, но не обладает никакими свойствами, которые позволили бы утверждать о движении этой среды относительно пространства. То есть вакуум – это такая среда, которая, как минимум, обладает ИНВАРИАНТНОСТЬЮ к скорости систем отсчета, как минимум, по отношению к электромагнитным и гравитационным полям. Следовательно, не очень понятно, надо ли вакуум подключать через «И» к этому списку (электромагнитное и гравитационное поля) или же указание на наличие вакуума – это уже достаточное условие для утверждения того, что имеется возможность передачи электромагнитного и гравитационного полей.
В этом вопросе обстоит дело так: если мы могли бы из какой-то области пространства изъять все материальные тела и вещества, включая самые малые элементарные частицы, то ТО, ЧТО ОСТАЛОСЬ БЫ, мы бы назвали «абсолютной пустотой». Мы, разумеется, можем ЭКРАНИРОВАТЬ все электромагнитные поля. Поэтому мы можем обеспечить отсутствие электромагнитного поля в некоторой области пространства. Следовательно, принципиально достижима такая пустота, в которой не будет электромагнитного поля. Можно предположить, что «пустота, в которой есть электромагнитное поле» - это уже не такая уж и «абсолютная пустота», тем более, что частным случаем электромагнитного поля является свет, а официальная физика считает, что свет – это одновременно и поле, и поток частиц. То есть поток частиц – это явно не столь уж «абсолютная» пустота.

Далее. Мы не можем экранировать гравитационное поле. Но мы можем сообщить лаборатории такую траекторию, при движении по которой внутри лаборатории не будет ощущаться никакого гравитационного поля. То есть мы можем не «экранировать», но «компенсировать» гравитационное поле. Физическую сущность, которую нельзя изъять, но можно компенсировать, целесообразно называть не «веществом», а «полем», «зарядом» или чем-то подобным. Из этого следует, что понятие «пустота» никак не требует отсутствия гравитационного поля. НО ЕСЛИ ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ СПОСОБНО РАСПРОСТРАНЯТЬСЯ В ПУСТОТЕ, следовательно, пустота – это не такая уж и пустота. Как минимум, это – упругая среда, передающая гравитационное поле за счет своих движений (предположительно – колебаний особого рода, отличающихся от колебаний при передаче электромагнитного поля).

Итак, гравитационное поле выносим за скобки и пока не обсуждаем. Пусть оно никак не связано с определением «абсолютная пустота».

Поскольку мы часто встречаем рассуждения о том, как распространяется свет или электромагнитное излучение в «абсолютной пустоте», то мы, следовательно, должны предположить, что и наличие света или электромагнитного поля не влияет на степень опустошенности той области пустоты, который мы назовем «абсолютной пустотой».
Получается, что под «абсолютной пустотой» мы должны понимать такое свойство области пространства, при котором отсутствует какое бы то ни было вещество или частицы, за исключением гравитационного и электромагнитных полей и собственно первичного и неотъемлемого субстрата, равномерно заполняющего весь мир, но не имеющего такой характеристики, как «скорость», однако, обеспечивающего передачу света и гравитационного излучения так, как это обеспечивает упругая среда. Этот субстрат называется ВАКУУМОМ. Про этот субстрат Эйнштейн сказал, что «ЭФИР СУЩЕСТВУЕТ», но, дескать, не тот эфир, который мы привыкли ожидать, а тот, который не имеет скорости.

Итак, для физиков, начиная с Эйнштейна, было важно, с одной стороны – ОТКАЗАТЬСЯ ОТ ПОНЯТИЯ УПРУГОЙ СРЕДЫ, как носителя признака собственной скорости, с другой стороны – ВОССТАНОВИТЬ ПОНЯИТЕ УПРУГОЙ СРЕДЫ как среды, ответственной за распространение полей – гравитационного и электромагнитного.

Проблема эфира в том, что он просто обязан иметь собственную скорость, и, следовательно, обязана существовать предпочтительная система, относительно которой средняя скорость эфира равна нулю. Необходимость отказаться от предпочтительной системы потребовала ПУБЛИЧНО ВЫБРОСИТЬ НА ПОМОЙКУ понятие эфира, а затем СТЫДЛИВО ПОДОБРАТЬ, ПОЧИСТИТЬ И СНОВА ИСПОЛЬЗОВАТЬ это самое понятие, но уже под новым названием «ВАКУУМ».
В современной физике вакуум – это не просто «пустота», а СРЕДА.
Физики говорят об «упругости» вакуума, о его сжимаемости и так далее.
То есть по сути отказа от понятия «ЭФИР» не произошло – произошла лишь смена названия. При смене названия новому понятию добавлено одно новое свойство, которое логикой или фантазией не приемлется. Это свойство – отсутствие какой-либо скорости. Вакуум с этой позиции одинаков во всех системах, то есть одновременно и покоится во всех системах. Это эквивалентно тому, что сказать, что он движется с любой скоростью в любой системе в любом направлении. Это, как мне кажется, невозможная аналитическая конструкция. Этот тезис из разряда фантастических, разум отказывается переварить такое построение. Да оно и не нужно.

Для скорости света в такой вот «АБСОЛЮТНОЙ ПУСТОТЕ» выведено совершено абсурдное свойство – скорость света обязана быть постоянной в любой инерциальной системе.

Любой газ не является абсолютной пустотой. Любой газ – это пусть разреженное, но все же некоторое количество атомов, для которых можно указать СРЕДНЮЮ СКОРОСТЬ. Любой газ в среднем покоится только относительно единственной системы, и относительно всех других систем отсчета он движется в среднем. Даже очень маленькая скорость, но не строго нулевая, по истечении достаточно большого времени приведет к достаточно большому удалению. Только в единственной системе газ не удаляется ни в каком направлении, а остается в среднем на своем исходном месте.

Следовательно, любая система, содержащая сколь угодно разреженный газ, может быть охарактеризована АБСОЛЮТНО ПОКОЯЩЕЙСЯ СИСТЕМОЙ ОТСЧЕТА, и все остальные системы, которые движутся хоть с какой-то ненулевой скоростью относительно этой, или вращаются хоть с какой угодно малой угловой скоростью, покоящимися уже не будут.

Итак, невозможность определить абсолютный покой актуальна только для абсолютной пустоты, и не возникает в сколь угодно разреженном газе. Запомним это.

Даже сейчас физики не умеют достигать абсолютного вакуума. Нам не известны в природе такие участки пространства, где был бы абсолютный вакуум. Это – теоретическая абстракция, которая на практике абсолютно НЕДОСТИЖИМА.

Всякая недостижимая абстракция может нас интересовать лишь в том случае, если существуют такие условия, когда этой недостижимостью можно пренебречь. Иными словами, если бы существовала такая разреженность среды, при которой наличие среды можно было бы считать несущественным, то есть среда в этом случае вела бы себя в точности как абсолютная пустота, тогда имело бы смысл обсуждать то, как ведет себя полная пустота.

Но переход от сколь угодно разреженной среды к абсолютному вакууму меняет некоторые свойства СКАЧКОМ.
В частности, сколь угодно разреженная среда, но все же среда – ВСЕГДА ОБЛАДАЕТ СРЕДНЕЙ СКОРОСТЬЮ. И лишь полное отсутствие вещества может, так уж и быть, не обладать никакой средней скоростью.

Следовательно, свойство «отсутствие средней скорости» - это свойство, которое может быть отнесено только к тому, чего в природе никогда не существовало, не существует, и нет оснований утверждать, что где-то когда-то будет существовать.
Запомним и это.
И еще запомним, что Майкельсон в своих опытах тем более не мог бы достичь такого разрежения среды, которое с полным правом можно было бы назвать «АБСОЛЮТНОЙ ПУСТОТОЙ.
Иначе говоря, В ОПЫТАХ МАЙКЕЛЬСОНА НЕ БЫЛО АБСОЛЮТНОЙ ПУСТОТЫ.

И тут я напомню один любопытный момент. Для скорости света в движущейся среде уже давно опытным путем установлена зависимость скорости света от скорости среды. Эта зависимость установлена опытами Физо.
Для установления скорости света в любой среде, сколь угодно разреженной нет необходимости введения постулатов теории относительности. Для скорости света в сколь угодно разреженной среде нет необходимости в гениальных догадках Эйнштейна. Скорость света в сколь угодно разреженной среде ЭЛЕМЕНТАРНО ВЫЧИСЛЯЕТСЯ, и она НИКОГДА НЕ СОВПАДАЕТ со скоростью света в вакууме.
Запомним и это.

А теперь соединим все вместе.

Не стыкуется!

С одной стороны, скорость света в любой сколь угодно разреженной среде вычисляется, и она, согласно теории относительности, не совпадает со скоростью света в абсолютном вакууме никогда, с другой стороны, в опыте Майкельсона якобы установлена инвариантность скорости света к скорости лаборатории, то есть изучены свойства скорости света в абсолютном вакууме, а не в относительном, с третьей стороны, Майкельсон не мог достичь абсолютного вакуума, а изучения относительного вакуума и его влияния на скорость света в задаче и не требовалось, ибо эта вещь известная и с положениями теории относительности не совпадает!

В опыте, в котором не достигнуто КАЧЕСТВЕННОЕ отличие от всех ранее известных условий, а лишь достигнуто КОЛИЧЕСТВЕННОЕ приближение, нельзя делать выводы о ситуации, отличающейся не количественно, а качественно!
Опыт Майкельсона может дать основания делать выводы о скорости света в разреженной среде, и только. Если выводы распространяются на отсутствие среды, то они могут распространяться только при условии гладкости зависимости – то есть при условии, что нет принципиальной разницы между сколь угодно разреженным вакуумом и абсолютным вакуумом. Если же в теории устанавливается эта самая принципиальная разница, тогда опыт, не достигающий этого качественного отличия не дает оснований для выводов об этом самом качественном отличии.
Опыт с интерферометром, заполненным разреженной средой, дает основания для выводов только относительно интерферометра, заполненного именно разреженной средой, но не дает оснований для качественно иных выводов относительно интерферометра, в котором бы от среды не было и следа.

В интерферометре со сколь угодно разреженной средой имеется признак скорости среды, а именно: средняя скорость газа, заполняющего этот интерферометр. В этом случае имеется возможность ВЫЧИСЛИТЬ ТЕОРЕТИЧЕСКИ скорость света, а главное – ПРИРАЩЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА ВСЛЕДСТВИЕ ДВИЖЕНИЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРА.

Тут далее имеются два принципиально разных условия опыта.
ЛИБО приращения скорости света вследствие движения лаборатории столь несущественны, что не влияют на результирующий сдвиг интерференционных полос. В этом случае нет смысла ставить опыт. Надо ставить его в других условиях, когда сдвиг полос будет столь существенным, что он может быть выявлен экспериментально.
ЛИБО приращения скорости света вследствие движения лаборатории достаточно существенны, чтобы выявить перемещения интерференционных полос. В этом случае следовало бы задуматься, КАКАЯ ЖЕ В ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТИ СВЯЗЬ между интерференционной картиной и приращениями скорости света на различных участках интерферометра Майкельсона, что с, одной стороны, приращения скорости света существенны, а, с другой стороны, перемещения интерференционных полос несущественны?
 Для ответа на этот вопрос имеется одно простое рассуждение: Изменение скорости света на различных направлениях ВОВСЕ НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО приводит и к перемещению интерференционных полос. Достаточно лишь, чтобы изменение ПРИРАЩЕНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗ света на различных траекториях при этом не было столь существенным, чтобы выявлялось в этом опыте (или вовсе отсутствовало). А это ведь уже совсем другая теоретическая основа!

Фаза – это интегральная характеристика. Разность фаз – дифференциальная характеристика. В опыте Майкельсона речь идет о приращении фаз на двух замкнутых участках пути, и даже о разности этих приращениях.
Набег фазы на одном плече – это интегральная характеристика от скорости света и его частоты вдоль этого плеча. Набег фазы на обратном пути этого плеча – это также интегральная характеристика вдоль этого плеча, зависящая от другой скорости и от другой частоты, поскольку при движении лаборатории относительно «неподвижного» источника света возникает доплеровский сдвиг частоты, причем в одном случае он положительный, в другом – отрицательный.
Перемещение интерференционных полос в интерферометре Майкельсона определяется разностью приращений фаз в разных плечах, то есть разностью двух интегралов от разностей двух вообще говоря не равных функций.
Пусть имеются два плеча интерферометра: плечо 1-2 и плечо 3-4.
При прямом прохождении приращение фазы будет, соответственно Ф12 и Ф34, при обратном - Ф21, Ф43.
Таким образом, приращение фазы в каждом плече – это четыре РАЗНЫЕ величины: Ф12, Ф21, Ф34, Ф43.
Каждая величина как-то может зависеть от двух величин – от f(m-n) и от c(m-n) – от частоты и от скорости на участке m-n, т.е. на путях 1-2, 2-1, 3-4 и 4-3.

Вычислим два интеграла от двух разностей:
I1 = integral (Ф21-Ф12),
I2 = integral (Ф34-Ф43)
Теперь вычислим новую величину, равную разности этих двух интегралов.
Ф = I2 - I1.
Этот функционал зависит от Ф12, Ф21, Ф34, Ф43, которые, в свою очередь, зависят от f(m-n) и от c(m-n).

Теперь давайте изменим условия таким образом, что значения f(m-n) и c(m-n) изменятся.
Восемь новых величин f(1-2), c(1-2), f(2-1), c(2-1), f(3-4), c(3-4), f(4-3) и c(4-3) могут получить какие-то приращения.

Если разность двух интегралов Ф = I2 - I1 и получится равной нулю, из этого вовсе не следует, что все подынтегральные функции совпадают. И тем более не следует, что все восемь величин, дающих свой вклад в результат, обязательно остаются неизменными! Может просто оказаться, что вклад изменений одних величин компенсирует вклад изменений других величин. Так оно и оказывается, если рассмотреть теорию этого эксперимента достаточно тщательно!

 
Таким образом, физики умудряются обсуждать те свойства, которые не исследуют в данном эксперименте, и с позиции их изменений в таких условиях, в каких эксперимент теоретически не возможен, и которые отличаются от условий реального эксперимента не количественно, а КАЧЕСТВЕННО, и при этом делают вывод не количественный, а КАЧЕСТВЕННЫЙ.

То есть рассмотрен интерферометр СО СРЕДОЙ, и по результатам не обнаружения существенных сдвигов интерференционной картины делается вывод о свойствах интерферометра БЕЗ СРЕДЫ, и этот вывод делается в направлении свойств СКОРОСТИ СВЕТА, хотя в интерферометре измеряется не скорость света, а ФАЗА.

Эксперимент в ОДНИХ условиях, измеряется ОДНА величина, а вывод делается в сторону ДРГУИХ условий и в отношении ДРУГОЙ величины.

Скажем, из того условия, что летом в тихую погоду открывание окна не приводит к появлению ветра в комнате, я бы делал вывод, что зимой наличие или отсутствие окна никак не влияет на температуру в комнате!
Вдумайтесь, на самом деле выводы теории относительности из опыта Майкельсона ничуть не более обоснованы, чем выводы моего примера.

Из этих выводов теория относительности выводит ряд удивительных свойств «абсолютной пустоты», тогда как мы с вами, я надеюсь, разобрались, что, во-первых, это понятие в теории не определено достаточно четко, во-вторых, этой физической сущности мы в природе не встречаем и воспроизвести искусственно не можем, в третьих, свойства этой странной физической сущности выведены чисто теоретически из опытов, которые не имеют никакого отношения к этой физической сущности.

Итак, на вопрос «Что такое абсолютная пустота в современной теоретической физике?» ответим так:

Теоретики называют «абсолютной пустотой» произвольно в одном случае то, чем заполнен интерферометр Майкельсона в его знаменитом опыте, а в другом – идеальную абстракцию, обладающую поистине фантастическими свойствами.

Эта идеальная абстракция такова, что скорость света в ней объективно не существует, но свет может, тем не менее, распространяться. В этой «пустоте» скорость света зависит от выбора системы отсчета, причем, в любой выбранной инерциальной системе скорость света одинакова и равна волшебной константе C. В этой уникальной «пустоте», таким образом, невозможно ввести понятия «скорость», «пространство» и «время», поскольку таковые приобретают смысл только с введением некоторой системы отсчета, а система отсчета может быть введена только при наличии такого «ДОСТАТОЧНО МАССИВНОГО» тела, что перемещение этого тела пренебрежимо мало в сравнении с перемещениями остальных тел.

Вот такой парадокс. Пустота – это абсолютное «ничто», не встречающееся в природе нигде, и для этого абсолютного «ничто», как выясняется, не существует объективно ни скорости света, ни размеров пространства, ни хода времени.

Многие не достаточно подкованные в теории относительности теоретики считают, что межзвездное пространство является моделью такой «пустоты». Но это не так. Межзвездное пространство никоим образом не является «пустотой».
И первое, на что я обратил внимание: «В МЕЖЗВЕЖДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ СКОРОСТЬ СВЕТА ИМЕЕТ ВПОЛНЕ ОПРЕДЕЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ КАЖДОГО НАПРАВЛЕНИЯ И ДЛЯ КАЖДОГО ОБЪЕМА ПРОСТРАНСТВА». Кроме того, в межзвездном пространстве ход времени вполне определен, и геометрические размеры также вполне определены. Даже если бы мы стояли полностью на позиции теории относительности, то и в этом случае мы обязаны были бы признать, что любой выделенный объем в межзвездном пространстве имеет единственным образом определенную покоящуюся систему отсчета, которую только и можно принять за инерциальную. Введение другой системы с даже небольшой постоянной скоростью движущейся относительно этой уникальной системы приведет к сколь угодно большому удалению от этой области с ходом времени. В любой реальной задаче выбор покоящейся системы не вызывает проблем, происходит ЕСТЕСТВЕННЫМ ОБРАЗОМ.
То есть естественные задачи всегда имеют естественные решения, которые принципиально не совпадают с такими теоретическими абстракциями, которые порождаются идеализаций, состоящей в удалении вещества, газов, полей и тел для создания множества равноправных систем отсчета. Никогда ни в одной задаче не являются равноправными покоящаяся система и движущаяся. Даже небольшое вращение приводит к тому, что свет в данной системе распространяется не прямолинейно. Даже небольшая постоянная скорость приводит к тому, что объект удаляется из заданной области сколь угодно далеко по прошествии сколь угодно большого времени, и только единственный выбор скорости приводит к тому, что объект может оставаться в окружении той же самой системы небесных тел, то есть в заданном расстоянии от центра масс всех задействованных в рассмотрение материальных тел.
 Мало того, что абсолютный покой всегда можно «ОТНОСИТЕЛЬНО ТОЧНО» указать, но в любой задаче, решаемой даже с привлечением теории относительности, понятие выделенной системы, понятие «абсолютного покоя» так или иначе ИСПОЛЬЗУЕТСЯ, но только теоретики делают вид, что используют они это понятие временно и не принципиально, хотя на поверку выходит как раз наоборот: это использование фундаментально необходимо, не временно, принципиально.

Если бы космическое пространство было заполнено абсолютной пустотой, и если бы относительно этого странного понятия – абсолютная пустота – справедливы были бы утверждения, что скорость света зависит от выбора системы отсчета, то свет от некоторой звезды мог бы одновременно доходить до нас, скажем, и за 1,000 миллион лет, и за 999 999,999 лет, в зависимости от скорости выбранной системы отсчета. Ведь расстояние зависело бы от скорости системы, а скорость света не должна была бы зависеть.

Если бы это было так, мы бы не могли говорить, что некоторая звезда удалена от нас на определенное расстояние. Каждый раз говоря о расстоянии до звезды, мы должны были бы уточнять «в системе отсчета, связанной с Солнцем», или «В системе отсчета, связанной с Землей 15 марта 2007 года» - ведь скорость Земли постоянно меняется, и никогда не совпадает со скоростью Солнца!

На самом деле астрономы интуитивно не пользуются теорией относительности при определении расстояний, хотя при таких больших расстояниях релятивистская поправка дает существенные изменения в расстоянии вследствие «движения системы отсчета».

В данном случае интуитивное не принятие теории относительности более обосновано, нежели насильственное принятие ее положений. Попробуйте применить теорию относительности к космическим явлениям и вы попадете в безвыходное положение. Количество возможных сущностей будет множиться, количество решений будет неуклонно возрастать в зависимости от произвола выбора.
Один парадокс близнецов чего стоит! К счастью, этот «космический» парадокс всерьез обсуждается только теоретиками от физики, и никак не влияет на нашу реальную жизнь.
Но к несчастью, этот парадокс практикой проверить затруднительно, этим объясняется его живучесть.