Классический вакуум

Вслед за Аристотелем средневековая наука отрицала существо­вание пустоты. Horror vacui — природе свойственна боязнь пусто­ты. Само это понятие каким-то образом связывалось с нечистой силой.

В знаменитой трагедии Гёте есть такое место. Обращаясь к Фаусту, Мефистофель спрашивает:

— Достаточно ль знаком ты с пустотой?

И слышит в ответ от ученого доктора:

— Вот новости! Такой вопрос излишен.

В нем отголосок «кухни ведьмы» слышен.

Первым в истории Нового времени, кто попытался по-новому подойти к проблеме вакуума, был Галилей. В главном научном труде — «Беседах о двух главных науках» — ученый критикует концепцию Аристотеля и вводит понятие о микроскопических пустотах, которые должны содержаться в веществе. Но он не огра­ничивается этим и дает поручение своему ученику Торричелли разобраться в проблеме, которая возникла у строителей фонтанов во Флоренции. Им по неизвестной причине не удавалось вытянуть насосом воду из колодца выше, чем на 10 м.

«Природа боится пустоты, но до определенной степени», — предположил Галилей. Вряд ли такое объяснение удовлетворило его, но сделать следующий шаг он уже не мог: последние силы покидали старого ученого. В 1642 г. на вилле Арчетри под Флорен­цией, где до конца дней продолжала держать его инквизиция, Га­лилей скончался на руках своих учеников Торричелли и Вивиани.

Торричелли с честью справился с поручением своего учителя. Он предположил, что вода в колодце поднимается под давлени­ем воздушного океана, величина которого как раз равна весу деся­тиметрового столба воды. Если взять запаянную с одного конца трубку и наполнить ее ртутью, которая в 13,5 раза тяжелее воды, а затем свободный конец трубки опустить в сосуд, содержащий ртуть, то высота столба ртути над уровнем жидкости в сосуде будет 760 мм, а над этим столбом образуется «торричеллиева пустота» — вакуум, так как давление паров ртути очень мало.

В 1643 г., спустя всего год после кончины Галилея, другой его ученик, Винченцо Вивиани, простыми опытами подтвердил спра­ведливость рассуждений своего старшего товарища.

А затем события стали развиваться с поразительной, небыва­лой быстротой. Всего через 4 года, в 1647 г., был сделан следующий шаг: Блез Паскаль доказал, что атмосферное давление падает с высотой. По его просьбе несколько его друзей взяли трубку Тор­ричелли и поднялись с ней на гору Пюи де Дом высотой 1,5 км. При восхождении высота подъема ртути в трубке и, следовательно, атмосферное давление постепенно падали.

После этих опытов нетрудно было подсчитать, каким должно быть атмосферное давление на больших высотах. На высоте 200 км оно должно составлять всего 10~^б мм рт. ст. Так был открыт косми­ческий вакуум.

Сразу после опытов Вивиани и Торричелли в Германии, Анг­лии, Франции появляются усовершенствованные конструкции ба­рометров. Роберт Бойль в Англии и Отто Герике в Германии изо­бретают первые воздушные насосы. В 1665 г. Эдуард Сомерсет пишет работу «Век изобретений», в которой описывает паровой насос для приведения в действие фонтанов. Возникает идея паро­вой машины, которая была не чем иным, как пароатмосферным насосом.

Продвижение открытия Торричелли в практику проходило бы­стрыми темпами. Инженеры XVII столетия не хуже наших совре­менников умели оценить практическую силу новых физических идей.

Открытие вакуума (или «Пустого Пространства», как с уваже­нием писал Герике) потрясло умы современников. Вот что, к при­меру, писал один из очевидцев знаменитых опытов Герике: «Я ничего более чудесного никогда не видел, не слышал, не читал и даже не предполагал, а также не думаю, что после создания мира когда-нибудь что-либо подобное, не говоря уже о более удивитель­ном, видело свет солнца. Таково же мнение великих князей и ученейших мужей, которым я сообщил об этих опытах».

В наше время вакуум давно уже никого не удивляет и прочно взят на вооружение металлургией, электронной промышленнос­тью, радиотехникой, другими отраслями промышленности. Но оз­начает ли это, что вакуум раскрыл все свои тайны?

Сорок лет спустя после опытов Торричелли Исаак Ньютон опубликовал свой главный труд — «Математические начала нату-

ральной философии», который явился важнейшей вехой на пути к созданию классический механики. Какой же была Вселенная, открывшаяся современникам со страниц «Начал»? Мир, скон­струированный Ньютоном, был странен и полон парадоксов. Аб­солютно пустое пространство, не имеющее границ и подчиняю­щееся геометрии Евклида. Здесь вечно кружатся светила и плане­ты, послушные закону всемирного тяготения, который действует на расстоянии, без помощи какой-либо промежуточной среды. Пространство Ньютоновой Вселенной — это что-то вроде пустого ящика без стенок или вроде казармы, как выразился немецкий математик Г. Вейль [39].

Свойства этого абсолютного пространства парадоксальны: между заполняющими его телами действуют Ньютоновы силы тяготения, которые распространяются прямолинейно, мгновенно и на любые расстояния. Что такое протяженное пространство, если взаимодействия между телами не зависят ни от протяжения, ни от времени? Признание таких свойств этих тел вело по существу к отрицанию непрерывности пространства и времени.

Время у Ньютона было столь же абсолютным, как и простран­ство. Ход времени равномерен и синхронен во всех точках про­странства и ни от чего не зависит. Часы идут абсолютно одинаково во всех уголках бесконечной Вселенной.

С бесконечностью тоже было не все в порядке. Ньютон полагал, что звезды равномерно распределены во Вселенной. Но может ли такая Вселенная, в которой действует универсальный закон все­мирного тяготения, быть устойчивой?

Нетрудно показать, что в случае равномерного распределения масса со временем должна вся целиком стянуться либо в одну точку, либо в бесчисленные сферы. Видимо, существует какой-то «агент», который препятствует такому развитию явлений и воз­вращает Вселенной устойчивость.

Сложнее снять другой парадокс бесконечной Вселенной. Если звезды распределены в ней равномерно, то яркость неба не должна отличаться от яркости самой близкой звезды — Солнца. Однако этого не происходит — в этом состоит так называемый фотометрический парадокс. Снять его можно, отказавшись от предположе­ния Ньютона о равномерном распределении звезд в пустом про­странстве. Если предположить, что с увеличением расстояния (от чего — от центра Вселенной?) плотность звездного населения па­дает, то фотометрического парадокса не возникает. Но тогда появ-

яяется другой парадокс: существование действительно абсолютно пустого бесконечного пространства, в котором имеется некая вы­деленная сфера, содержащая звезды.

Созданная Ньютоном математическая теория позволила ре­шить ряд важнейших задач небесной механики (теория движения Луны, планет и комет, объяснение приливов и отливов и др.). Развивая теорию Ньютона, его последователи в XVIII и XIX вв. обеспечили буквально триумфальное шествие астрономии и ме­ханики. Эти новые успехи были связаны с именами таких блес­тящих ученых, как Л. Эйлер, А. Клеро, Ж. Даламбер, Ж. Лагранж, П. Лаплас.

Но снять те парадоксы и эпистемологические проблемы, кото­рые возникают в связи с постулатом Ньютона об абсолютно пус­том пространстве, не удалось ни одному из них. Интересно поэто­му проследить, каким путем к этой концепции пришел сам Ньютон и какие отставленные им, но сохраняющие научную ценность и сегодня идеи возникали у него на этом нелегком пути. Чтобы разобраться в этих вопросах, обратимся к исследованиям творче­ства Ньютона, выполненным Б. Доббс и И.С. Дмитриевым [39].

Ньютон начинал анализ с критического разбора картезианской теории тяжести, согласно которой сила тяготения обусловлена давлением мирового эфира. Он делает выписки из сочинений Де­карта и Гассенди о падающем дожде тонкой материи, уносящем с собой вниз все тела. И тут ему приходит в голову идея использо­вать падение этой тонкой материи для того, чтобы создать вечный двигатель, perpetuum mobile. Одна из схем такого двигателя могла бы выглядеть следующим образом: верхние лопасти колеса, вра­щающегося вокруг горизонтальной оси, экранируют от падающего на них эфирного ветра нижние лопасти. Если заслонить плотным экраном лопасти, поднимающиеся с другой стороны колеса вверх, то колесо будет вращаться вечно. «Проверить, — записывает Ньютон, — не изменится ли вес тела, если над ним или под ним помес­тить другое, более тяжелое тело» [39].

Эти идеи Ньютон продолжает обсуждать в рукописи, известной под названием «Hypothesis». Он придумывает различные виды эфира — «эфирный спиритус» (aethereall spirit) и «жизненно-воз­душный спиритус» (vitall-aereallspirit), который способен поддер­живать огонь и жизнь.

В том же ключе этот анализ продолжен в следующей рукопи­си — «Vegetation». Ньютон приходит к выводу, что Земля — это

«великое животное или, скорее, одухотворенное растение». Идеи эфира по-прежнему владеют его воображением. Чтобы понять явления природы, утверждает он, одних механических объяснений недостаточно. Необходимо допустить существова­ние чувствительного спиритуса, тонкого, тайного и благородно­го агента, который и определяет все жизненные процессы в произрастающих телах. Нельзя исключить, что этот тонкий актив­ный спиритус содержится {entangle) в мировом эфире как в носителе {vehicle).

Эти рассуждения привели Ньютона к тому, что для него, как ему казалось, наступил момент истины: связав воедино эфир, «vegetable spirit» и свет, т.е. явления гравитации, жизни, света и тепла, он подошел к пониманию главного в природе — источника всех протекающих в ней процессов, которые определяют все многообразие мира.

Это было ошибкой: момент истины наступил для Ньютона чуть позже, примерно в 1684 г., когда он понял, что выведенные им математические законы движения планет можно согласовать с эм­пирическими законами Кеплера только в том случае, если предположить, что мировой эфир если и существует, то не способен ока­зывать никакого влияния на движение тел. Подчиняясь инерции мысли, Ньютон поначалу хотел рассмотреть свойства этого «нете­лесного эфира» — «more Geometrarum, stricte». Но вскоре понял, что решить эту задачу невозможно, поскольку уравнения движения не содержат параметров, зависящих от такой среды.

Это означало полный отказ от первоначальных идей о механи­ческом телесном гравитационном эфире в пользу концепции абсо­лютно пустого Пространства, которая и легла в основу классичес­кой механики. Но проблема так и осталась нерешенной: если сило­вое взаимодействие тел всегда предполагает их контакт (удар, дав­ление и т.п.), то там, где нет контакта, не должно быть и силы. Но у Ньютона она есть — это сила тяготения, действующая через пустое пространство.

Невозможность разобраться в этих парадоксах, оставаясь в рамках классической механики, вероятно, попортила немало крови великому физику. Вряд ли случайны слова, сказанные им незадолго до кончины: «Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу и развлекающимся тем, что от поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красную раковину, в то

время как великий океан истины расстилается передо мной неис­следованным».

Можем ли мы считать, что абсолютно пустое пространство дей­ствительно ничего не содержит? Попробуем поставить мыслен­ный эксперимент. Представим себе цилиндр с поршнем, из-под которого откачали практически весь воздух. Теперь поднимем поршень вверх и на некоторое время оставим сосуд в покое при комнатной температуре. Со стенок сосуда в полость под поршнем поступит тепловое излучение, температура которого, очевидно, тоже будет комнатной. А теперь позволим поршню быстро упасть вниз. Падая, он сожмет излучение, и температура его повысится. В результате поршень, который в начале опыта касался дна сосуда, теперь не сможет до него опуститься. Это произойдет только после того, когда излучение отдаст избыточную энергию стенкам сосуда. Значит, вакуум не пуст!

А вот другой эксперимент, который в 1948 г. предложил гол­ландский физик X. Казимир. Поместим в вакуум параллельно друг другу, но не вплотную две металлические пластины. На них нет электрического заряда, однако в окружающем пространстве неизбежно присутствует электрическое поле. Пластины будут отра­жать его. Но поскольку на их поверхности электрическое поле обращается в нуль — металл служит отличным проводником, — то между пластинами должна возникнуть сила притяжения. Ее вели­чина зависит от расстояния между пластинами и спектра электро­магнитного излучения.

Спустя 10 лет опыты, основанные на предложении Казимира, удалось осуществить другому голландскому физику — М. Спар-наю. Оказалось, пластины действительно притягивались друг к другу. Эффект не исчезал и когда температура приближалась к абсолютному нулю. Даже и в этих условиях вакуум не пуст — его заполняет беспорядочное флуктуирующее нулевое излучение.

Величина силы, действующей в вакууме между двумя парал­лельными пластинами, оказалась весьма значительной. Если рас­стояние между отполированными по высокому классу пластинами уменьшали до 10⁷ см, то давление, испытываемое ими, достигало 10⁴ кг/см².

Глава 5.3