О РОЖДЕНИИ ФОТОНОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИЕЙ В ФИЗИЧЕСКОМ ВАКУУМЕ О РОЖДЕНИИ ФОТОНОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИЕЙ В ФИЗИЧЕСКОМ ВАКУУМЕ

О РОЖДЕНИИ ФОТОНОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ
ЭНЕРГИЕЙ В ФИЗИЧЕСКОМ ВАКУУМЕ
Доктор техн. наук А.Н.Черний
Академия электротехнических наук Российской Федерации, г. Москва
тел.: 8(903)556-6148
Аннотация. Рассматривается одна из важнейших проблем современной фундаментальной физики, связанная с ненулевым значением плотности энергии физического вакуума, которым заполнена вся Вселенная. На основе флуктуационной модели автором обосновано рождение в физическом вакууме антифотонов с отрицательной энергией. Дано объяснение механизма аннигиляции виртуальных пар. Настоящая работа чрезвычайно важны для астрономии. Дело в том, что в результате дезинтеграции физического вакуума сверхсильным гравитационным полем черной дыры, виртуальные частицы проникают в действительный мир. Позитроны и фотоны, имеющие положительную энергию, притягиваются к черной дыре и уходят под горизонт событий. В тоже время, электроны и антифотоны, обладающие отрицательной энергией, под действием антигравитации улетают в космическое пространство. В перспективе излучение антифотонов может быть зарегистрировано специальными гамма – детекторами. Создание таких приборов  это чрезвычайно сложная научно-техническая задача, решение которой позволит астрономам воочию наблюдать таинственный облик черной дыры.
Ключевые слова: физический вакуум, электрон, позитрон, фотон, антифотон.

Есть многое на свете, друг Горацио,
Что и не снилось нашим мудрецам…
Шекспир. «Гамлет, принц Датский»

Энергия фотона Е для соответствующей ему волны с частотой  в вакууме равна [ 1, с.54 ]:
E = h. ( 1 )
Величина h является фундаментальной физической константой и называется постоянной Планка, или квантом действия. Это очень маленькая порция энергии h = + 6,6261761034Джс. Употребляется и другое значение = + 1,0545910  34Джс.
Формула ( 1 ) была получена в 1900 году выдающимся немецким физиком- теоретиком Максом Карлом Эрнстом Людвигом Планком в работе, посвященной решению парадокса теплового излучения абсолютно черного тела, когда Планк предположил, что свет распространяется не непрерывно, а строго определенными дискретными порциями энергии – квантами. Формула Планка ( 1 ) уже вскоре получила экспериментальное подтверждение в опытах, связанных с фотоэлектронным эффектом и давлением света. За открытие кванта действия Максу Планку в 1918 году была вручена Нобелевская премия.
Согласно формуле ( 1 ), энергия фотона всегда имеет положительное значение и возрастает с увеличением частоты излучения. А как дело обстоит в параллельном мире, который ученые называют физическим вакуумом?
Под физическим вакуумом подразумевается материальная среда с наинизшем энергетическим состоянием системы полей или частиц.
В работе [ 2 ] было показано, что физический вакуум расположен в мнимой зоне четырехмерного евклидового пространства-времени, где все «шиворот на выворот» по сравнению с нашим действительным миром (оси координат меняют свое направление на обратное, время течет вспять, физические явления диаметрально противоположны), а скорость виртуальных частиц превышает скорость света. Физический вакуум заполнен виртуальными частицами и античастицами при полном отсутствии реального, привычного для нас вещества. Это хорошо видно на диаграмме Дирака (рис. 1), которая является геометрическим отображением релятивистской функции Гамильтона [ 3, с.132]:
,
где р – импульс электрона, m0 – его масса покоя, а с – скорость света в вакууме.


Рис. 1 Диаграмма Дирака

«Подвальная часть» рис. 1 относится к физическому вакууму, заполненному частицами с отрицательной энергией и античастицами, которые спонтанно взаимодействуют между собой, умирая и рождаясь вновь. Верхний энергетический уровень физического вакуума заполнен электронами с отрицательной энергией и приблизительно равным им по числу позитронами (электронами с положительным зарядом и положительной энергией).
Согласно квантовой теории электрон, также как и любая элементарная частица, имеет свойства как частицы, так и волны (корпускулярно-волновой дуализм). Об этом говорит формула Луи де Бройля
m = р = h /  , ( 2 )
где m  масса движущейся частицы,   ее скорость, р  ее импульс, h  постоянная Планка,   длина волны движущейся частицы.
Частицы с отрицательной энергией, например, электроны, имеют отрицательную массу и довольно странное «поведение», их энергия уменьшается, если импульс частицы увеличивается, т. е. если частица ускоряется (нижняя кривая на рис. 1). Ускорение такого электрона направлено в сторону, противоположную приложенной силе. [ 1, с.205]. На математическом языке об этом говорит выражение ( 3 ), которое является зеркальным отображением формулы ( 2 ).
р =  m = (h / ) . ( 3 )
Ничего удивительного в этом нет, так как формула ( 3 ) описывает мнимый мир физического вакуума, где оси координат меняют свое направление на обратное, а время течет в обратном направлении по отношению к нашей действительности [ 2 ]. Поэтому длина волны электрона имеет отрицательное значение, что и приводит к результату ( 3 ).
В основе современной концепции физического вакуума лежит флуктуационная модель, основанная на соотношении неопределенностей Гейзенберга. Основным динамическим процессом во флуктуационной модели является реакция аннигиляции виртуальных пар  частиц и античастиц. В нашем действительном мире реакция аннигиляции хорошо изучена на ускорителях заряженных частиц. В процессе аннигиляции пары (частица – античастица) строго выполняются все законы сохранения; материя в этом процессе не уничтожается, а лишь переходит из одной формы в другую.
Когда скорость электрона е и позитрона е+ незначительна (  с) при их столкновении в результате аннигиляции образуются два гамма кванта
е + е+   + . ( 4 )
До столкновения этих частиц их суммарный импульс в системе координат, связанной с центром масс системы электрон – позитрон, был равен нулю. После взаимодействия пары образуются два фотона, импульсы которых направлены в противоположные стороны, их суммарный импульс должен быть равен нулю. Этого требует закон сохранения импульса. Каждый из фотонов уносит энергию, равную h = mec2 = 0,511 МэВ  энергии покоя электрона [ 4, c. 474], что следует из закона сохранения энергии. В экспериментах на ускорителях со встречными пучками е е+ высокой энергии ( 1 ГэВ) наблюдается аннигиляция пары с образованием тяжелых частиц, например, мезонов е + е+  + + .
А как реакция аннигиляции протекает в физическом вакууме, плотно заполненном электронами с отрицательной энергией и позитронами с положительной энергией?
Частицы с отрицательной массой должны двигаться с гиперсветовыми скоростями [ 2 ] , однако электроны не могут достигнуть номинальной скорости по причине, о которой будет сказано ниже. Поэтому с большой вероятностью можно утверждать, что аннигиляция электрона и позитрона в физическом вакууме происходит в реакции ( 5 ), похожей на ( 4 ), где скорость частиц незначительна (  с). Именно похожей, но не тождественной, поскольку здесь масса электрона имеет отрицательное значение.
е + +е+   + +. ( 5 )
Так как энергия виртуального электрона е =  0,511 МэВ, а энергия виртуального позитрона +е+ = + 0,511 МэВ, в результате аннигиляции энергия материи падает до нуля.
Между нулями нашего реального мира и физического вакуума нельзя ставить знак равенства 0  0! В нашей действительности ноль означает полное отсутствие чего-либо, например денег в кармане игрока после встречи с «одноруким бандитом», а в виртуальном мире энергетический ноль  это «целое состояние». Взгляните на энергетическую диаграмму Дирака, где нулевой уровень на величину E =  mc2 превышает максимальную энергию виртуальных частиц.
При анализе взаимодействия микрочастиц необходимо учитывать соотношение неопределенности Гейзенберга. Для энергии-времени это соотношение имеет следующий вид [ 1, c. 208]:
Е  /2t , ( 6 )
где  постоянная Планка.
Из соотношения неопределенностей Гейзенберга ( 6 ) следует, что плотность энергии физического вакуума очень мала, ее хватает лишь на спонтанное рождение и уничтожение виртуальных частиц и античастиц. Непрерывную и спонтанную флуктуацию частиц и античастиц около средних энергетических значений виртуальной пары называют нулевыми колебаниями вакуума [ 1, c.211].
Очевидно, что нулевые колебания вакуума могут происходить лишь в том случае если частицы и античастицы рождаются парами и являются между собой энергетическими антиподами. Примером может быть виртуальная пара, образованная электроном с отрицательной энергией, равной  0,511 МэВ, и позитроном с положительной энергией + 0,511 МэВ. Поэтому нулевой энергии вакуума, результирующей энергии взаимодействия электрона и позитрона ( 5 ), вполне достаточно для рождения фотона и антифотона без использования, так называемого, «займа Гейзенберга». При этом, один из фотонов  должен иметь энергию, равную h =  mec2 = 0,511 МэВ, а другой +  положительную энергию + 0,511 МэВ.
Фотоны  и + являются взаимными антиподами. Поэтому гамма-квант с отрицательной энергией  , который очень необычен для нашей действительности, мы назовем антифотоном.
Постараемся разобраться в механизме взаимодействия фотона и антифотона в физическом вакууме. Для этого вначале рассмотрим реакцию аннигиляции электрона и позитрона в нашем реальном пространстве-времени. В результате этой реакции образуются два гамма-кванта 2+, каждый с энергией + 0,511 МэВ, которые в соответствии с законом сохранения импульса будут двигаться в противоположных направлениях, как показано на рис.2, а.

Рис. 2 Взаимодействие фотона с антифотоном

А как протекает таже реакция в физическом вакууме? Если кто-то подумает, что она идет по «сценарию» рис. 2,б, то он ошибется. Необходимо помнить, что антифотон  это частица с отрицательной энергией и ее импульс имеет отрицательный знак (р), поэтому она должна двигаться в направлении аннигиляционного микровзрыва, породившего ее, как показано на рис. 2, в. «Взаимное объятие» фотона и антифотона приведет к их самоуничтожению с рождением электрона с отрицательной энергией (е ) и позитрона (+е+). е имеет импульс р , а импульс позитрона +р, поэтому эти частица и античастица должны вдавливаться друг в друга и аннигилировать ( 5 ). Флуктуация материи ( 5 ) в физическом вакууме идет постоянно, вот уже много миллиардов лет, что обеспечивает виртуальным частицам вечную молодость.
Определим суммарную энергию нулевых колебаний физического вакуума на основе формулы Планка.
ЕV = h+ + h , ( 7 )
где h+  энергия фотона, а h  энергия антифотона.
Энергия фотона и антифотона равны по абсолютной величине и противоположны по знаку, поэтому суммарная энергия нулевых колебаний физического вакуума согласно формуле ( 7 ) должна быть равна нулю.
Несмотря на нулевой энергетический баланс взаимодействия отдельных виртуальных пар, суммарная энергия нулевых колебаний физического вакуума не может быть равной нулю. Это вызвано колебаниями нулевой линии отсчета, связанными с принципом неопределенности Гейзенберга, согласно которому
. ( 8 )
На диаграмме Дирака (рис. 1) нулевой линией отсчета является абсцисса, проходящая через точку о, где энергия частиц Е = 0.
Расчеты по формулам ( 7 ) и ( 8 ) показывают, что плотность энергии физического вакуума близка к нулевому значению.
Астрономические наблюдения позволили определить плотность энергии вакуума. По словам Ю.Н.Ефремова, «Результат оказался неожиданным. Ожидалось, что такая фундаментальная величина должна иметь какое-то выделенное значение,  либо нулевое, либо же определяемое планковской плотностью. Однако наблюденное значение плотности меньше планковской на 123 порядка  и все же оно отнюдь не нулевое!»[ 8, c. 224].
Таким образом, наши теоретические выводы, полученные с использованием антифотона с отрицательной энергией, хорошо согласуются с результатами астрономических наблюдений. И это главное!
Предельно малая результирующая энергетическая величина флуктуации виртуальных частиц делает для нас мир физического вакуума незаметным, несмотря на высокую концентрацию его частиц в единице объема. Только специальные эксперименты (механизм Швингера, вакуумный эффект Казимира и др.) подтверждают реальность этой физической субстанции.
Наличие фотонов с отрицательной энергией в пространстве-времени физического вакуума полностью соответствует закону симметрии природы и вносит ясность в механизм нулевых колебаний вакуума. Кроме того, наличие в вакууме антифотонов с отрицательной энергией и приблизительно равного числа фотонов с положительной энергией с их нулевой энергетической осцилляцией разрешает проблему бесконечной энергии и бесконечной плотности энергии вакуума [ 7, c.138].
О возможности строгой симметрии между фермионными и бозонными состояниями виртуальных частиц, приводящей к нулевой плотности вакуума, ученые догадывались и раньше [ 9 ]. Однако довести это предположение до теории не позволилo отсутствие антифотона с отрицательной энергией.
Ниже приведена таблица, в которой даны физические характеристики виртуальных частиц, участвующих в реакции ( 5 ).

Название Обозначение Энергия Заряд в ед. е Спин в ед.

Электрон е  mc2  1  1/2
Позитрон +е+ + mc2 + 1 + 1/2
Фотон + + mc2 0 0
Антифотон   mc2 0 0

Фотоны с отрицательной энергией должны обладать удивительными свойствами. Так, например, при лобовом столкновении гамма-кванта, имеющего энергию  0,511 МэВ, и релятивистского электрона с энергией равной 1, 022 МэВ, в соответствии с законом сохранении энергии и импульса, электрон должен передать половину своей энергии фотону, в результате чего энергия фотона возрастет до нуля; он остановится и прекратит свое существование. При этом энергия электрона станет равной энергии покоя 0,511 МэВ, а скорость  равной нулю. Следовательно, при облучении материи фотонами с отрицательной энергией она должна охлаждаться, что позволяет в перспективе ученым и инженерам создать прожекторы для тушения лесных и иных пожаров. Гамма-кванты с отрицательной энергией не производят ионизацию вещества, что делает диагностическое просвечивание тела безопасным для человека.


Рис. 3 Излучение черной дырой частиц
с отрицательной энергией е и 
Физический вакуумом присутствует везде, им насыщены наши тела и глубины Вселенной. В непосредственной близости от горизонта событий (с внешней стороны) под действием сверхсильного гравитационного поля черной дыры происходит дезинтеграция физического вакуума, в результате чего бывшие виртуальные партнеры (электроны с отрицательной энергией и позитроны) попадают в действительный мир. Этот феномен впервые теоретически описал известный английский физик Стивен Хокинг [5]. Под действием гравитационной квантовой эмиссии частиц из физического вакуума вокруг горизонта событий 1 черной дыры 2 должен образоваться объемный слой 3 из мириады электронов с отрицательной энергией и позитронов с положительной энергией, которые взаимодействуют между собой c образованием гамма-квантов двух видов,  и + (рис.3). Частицы с положительной энергией +е+ и + 4 притягиваются сверхсильным гравитационным полем черной дыры и проваливаются под горизонт событий, увеличивая массу черной дыры. В тоже время, частицы с отрицательной энергией е и  5 уносятся антигравитационными силами от черной дыры на бесконечность. Поймать электрон с отрицательной энергией в «сети» наземных или орбитальных телескопов невозможно из-за его особого «физического характера» [ 6 ].
Регистрация гамма-квантов с отрицательной энергией возможна. Для этого потребуются телескопы со специальными гамма-детекторами. Создание таких приборов  это чрезвычайно сложная и дорогостоящая научно-техническая задача, решение которой позволит астрономам воочию наблюдать таинственный облик пока неуловимой черной дыры.

Литература
1. Баранников А.А., Фирсов А.В. Основные концепции современной физики.- М.:
Высшая школа, 2006.- 352 с.
2. Черний А.Н. Вглубь физического вакуума // Изв. вузов «Геодезия и
аэрофотосъемка», 2011.- № 4.- С 41 – 46.
3. Черний А.Н. Релятивистская физика космоса.- М.: Научный мир, 2010.- 480 с.
4. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.- М.: Наука, 1981.- 507 с.
5. Hawking S.W. Nature, 248, 30, 1974/- Black hole explosions?
6. Черний А.Н. Черная дыра, как генератор темной материи и темной энергии // Изв.
вузов «Геодезия и аэрофотосъемка», 2010.- № 6.- С. 36 – 42.
7. Архангельская И.В., Розенталь И.Л., А.Д.Чернин Космология и физический вакуум.-
М.: КомКнига, 2007.- 216 с.
8. Ефремов Ю.Н. Звездные острова.- Фрязино: Век2, 2005.- 272 с.
9. Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней вселенной.- М.: МГУ,
1988.