Вся история человеческой мысли отмечена непрестанными попытками проникнуть  в сущность материи, постигнуть изначальные законы мироздания. И во всей этой истории не было проблемы более фантастической и гипнотизирующей, на разгадку которой было бы затрачено столько интеллектуальных усилий, чем проблема природы мирового эфира, той субстанции, которой заполнено космическое пространство. В разные периоды эта мировая среда называлась по-разному, в наши дни за ней утвердилось название «физический вакуум».
        На первый взгляд вакуум многолик и неуловим: он повсюду и нигде. С одной стороны, нам кажется, что вакуум воспринимается органами чувств. В этом смысле вакуум близок к тому, что мы обычно понимаем под словом «материальное». С другой стороны, вакуум – это пустота, которую мы можем воспринять только рассудком, как мы воспринимаем абстрактные категории. В самом деле, нельзя же придумать прибор, который бы ответил на вопрос: что есть ничто?
        Эта кажущаяся двойственность природы вакуума явилась главной объективной причиной того, что в мифах и философских системах древнейших цивилизаций первые размышления о природе космической среды погружались затем в пучину религиозных мистификаций.
        3000 лет назад человечество сделало первый шаг к познанию вакуума, и этот шаг, длившийся тысячу лет, лишь показал, как бесконечно далека еще была разгадка.
        Эстафету древнейших цивилизаций подхватили эллины. Они совершили научный подвиг, отделив естествознание от иррационализма и подарив потомкам тот универсальный код познания, который до сих пор служит ключом к исследованию природы. А трудах Анаксимандра, Демокрита и их последователей было разработано первое атомистическое представление о веществе и дано описание вакуума (апейрона, амера) как строительного материала для атомов и среды, заполняющей собою мировое пространство. На нашем языке это звучало бы так: апейрон, амер есть вакуум, а атом вещества есть неделимый сгусток вакуума.
        После бесплодного средневековья начался новый, так называемый классический период развития науки, который продолжался вплоть до ХХ века. Было установлено, что свет и электромагнитное поле в пределах точности эксперимента имеют волновую природу. Чтобы объяснить возможность распространения их по космическому пространству, оказалось уже необходимым ввести в науку гипотезу о мировом эфире – носителе электрических колебаний. Сразу же было предложено множество моделей эфира, и все они уживались друг с другом, так как невозможно было, как тогда казалось, предложить эксперимент по отбору правильной модели.
        Но в той же теории электромагнетизма изучался и другой круг явлений: движение зарядов с почти световой скоростью. Отсюда возникло конкретное требование к физическим свойствам эфира. И наконец, Майкельсон и Морли экспериментально доказали, что эфир не увлекается движущимися телами. Этот результат завел физику в тупик. Все здание естествознания, каждый кирпичик (научный факт) которого соответствовал действительности, на завершающей стадии своего развития пришло к противоречию.
        Когда говорят о кризисе классической физики, то обычно имеют в виду ее неспособность объяснить структуру вещества. Более глубоким основанием этого кризиса правильнее считать неспособность классической физики построить модель вакуума, удовлетворяющую требованиям достигнутого опытного знания.
        Выход из кризиса оказался неожиданным. В 1905 году Эйнштейн предложил специальную теорию относительности, в которой были изменены установившиеся в веках представления о пространстве и времени. Новая структура пространства – времени разрешала трудности теории быстродвижущихся зарядов, вовсе не обращаясь к понятию эфира. Теория Эйнштейна была столь необычной, что все внимание физиков было переключено на восприятие и развитие этих новых идей (или на борьбу с ними). Об эфире забыли. Но сам Эйнштейн понимал, что своей теорией он разрешил только часть трудностей классической физики. По-прежнему не было ответа на вопрос о природе среды, по которой распространяются электромагнитные волны. Эфир не был устранен из физики как понятие. В 1916 году Эйнштейн предложил новую теорию гравитации в виде общей теории относительности, из которой следовало, что по пространству могут распространяться и гравитационные волны. Теперь проблема эфира стала волновать Эйнштейна все больше, он неоднократно возвращался к ней, но ее решения не было.
        Итог этого четвертого шага, связанного с развитием эйнштейновской физики, сформулируем так: наконец-то была разработана теория структуры вакуума как физического искривленного пространства – времени, способного содержать в себе или переносить энергию. В то же время динамическая структура вакуума как переносчика полей оказалась вне пределов досягаемости теории Эйнштейна.
        С начала 20-х годов стала развиваться квантовая теория структуры материи на уровне атомов, ядер и элементарных частиц. Квантовые принципы не менее радикальный отход от классической физики, чем теория Эйнштейна. В квантовой теории возникли совершенно новые понятия, которые позволили получить первые представления о строении вакуума. Теория предсказала ряд физически наблюдаемых проявлений вакуума, и все они были подтверждены экспериментом. Оказалось, что вакуум влияет на структуру электронных орбит в атомах, на закономерности взаимодействий элементарных частиц. Более того, измеряемые параметры частиц полностью определяются вакуумом, а сами частицы оказались как бы построенными из элементов вакуума (вспомните древних греков!). Возникло и утвердилось представление о квантовом вакууме как о море Дирака, в котором непрерывно рождаются и исчезают частицы всех сортов.
        Но в квантовой теории содержалось еще одно предсказание: энергия вакуума как моря Дирака должна быть бесконечной. Это предсказание противоречило наблюдениям, поэтому энергию вакуума не учитывали в теории, полагая, что либо она не имеет смысла, либо еще не пришло время для ее истолкования. Этот пятый шаг исследования вакуума привел к представлению, что вакуум – это физическая среда, динамика которой подчиняется законам квантовой физики; свойства вакуума проявляются в самых разнообразных экспериментах, но косвенно; энергетических проявлений у вакуума нет, а предсказываемая теорией энергия вакуума, по-видимому, не имеет смысла.
        С начала 60-х годов в теоретической физике возникло новое направление, перспективность которого осознана только в последнее время. Оно связано с так называемой нелинейной квантовой теорией, которая обладает рядом привлекательных черт. Во-первых, эта теория может моделировать все свойства элементарных частиц одновременно, а не по отдельности, как это было раньше. Возникла надежда построить единую теорию материи. Во-вторых, подтвердилось, что фундаментальным объектом микромира является вакуум, то есть квантовое поле в наинизшем энергетическом состоянии, а все то, что раньше называлось элементарными частицами, является просто вторичными, возбужденными состояниями вакуума. В-третьих, сделан принципиальный шаг в понимании структуры вакуума, в том числе его энергии. Оказалось, энергия вакуума имеет физический смысл! Более того, в вакууме существует система энергетических уровней, которые могут быть разделены даже пространственно. Между ними возможны переходы, сопровождающиеся поглощением или выделением энергии.
        Этот новый, шестой шаг только начинается, и делать какие-либо выводы преждевременно. И все же теперь видно, что вакуум можно будет изучать экспериментально по его энергетическим проявлениям уже при легко достижимых энергиях. Нам представляется, что на ускорителях следующего поколения (свыше триллиона электрон-вольт) возможна постановка подобной поисковой работы.
        Несмотря на незавершенность этих вопросов, можно наметить контуры еще одного, седьмого шага. Попытаемся объединить в одну систему представления о структуре вакуума, вытекающие из теории Эйнштейна, и теорию его квантовой структуры. Тогда придется рассматривать детали пространства – времени на расстояниях, стол малых по сравнению с размерами частиц, насколько сами частицы меньше Солнца. Н этих расстояниях начинает играть существенную роль гравитационный дефект энергии, который приводит к тому, что с вакуумом оказывается возможным связать практически бесконечную плотность энергии, скомпенсированной собственным гравитационным полем («Неделя» уже рассказывала об этом в 1976 году). Этот седьмой шаг – последний, который еще можно себе представить. В физике известно, что лежащие в основе современной теории квантовые и релятивистские принципы позволяют строить теоретические модели материи, пространства и времени только до так называемых планковских длин – допустимого предела современного знания (10^-33 сантиметров) и времен (10^-44 секунд), то есть до того уровня, на котором вырисовывается квантово-гравитационная структура вакуума. В дальнейшем потребуются принципиально новые идеи.
        Реальность вакуума как физической субстанции доказана экспериментально. Но теперь возникает более глубокое представление о вакууме как о многоуровневой энергетической системе, причем интенсивность энергии каждого уровня тем выше, чем глубже по шкале расстояний он находится. Дальнейшая работа в этом направлении и недалекая (как мы надеемся) возможность вакуумных экспериментов принесут новое знание о фундаментальных законах Вселенной.
        Но в этой проблеме есть и другая сторона. Предположим, будет доказано, что вакуум – субстанция, обладающая энергией, другими словами, конденсат энергии (кстати, первый такой эксперимент с положительным результатом был выполнен еще в 1948 году и вошел в историю физики под названием эффекта Казимира). Тогда возникает вопрос: может ли вакуум служить источником энергии? Есть два соображения, которые позволяют предположить, что так оно и будет. Во Вселенной на всех уровнях ее строения происходят взрывы гигантских масштабов, источник энергии которых неизвестен. Даже проблема источника энергии звезд встречается с трудностями. Когда мы наблюдаем нестационарные процессы во Вселенной, не видим ли мы при этом вакуум «за работой»? И другое соображение. Единственный конденсат энергии в природе, который мы пока знаем, - вещество, - тоже многоуровневая энергетическая система. Природа устроена так, что для большинства уровней конденсации энергии в веществе характерно наличие экзотермических процессов (получение большого количества энергии с затратой меньшей) и цепных процессов. Остается надеяться, что природа повторится и в случае вакуумного конденсата.
        Интенсивность энергии вакуума даже на близко лежащих уровнях превосходит ядерную, а интенсивность гравитационного уровня бесконечна. Если человечество откроет и сумеет использовать вакуумную энергию, оно приобретет поистине космическое могущество, то самое могущество, которое философы Древнего Востока приписывали верховному божеству – Мировому эфиру.

Примечание.

Вейник А.И. Парен - абсолютный вакуум / выдержки из «Термодинамика реальных процессов», Минск, Навука i тэхнiка, 1991, стр. 70-73, 313-324.

Справка:

Лапчинский В.Г., доктор физико-математических наук.
Лапчинский В.Г. Физический вакуум. М.: ЦНИИ информации и технико-экономических исследований по атомной науке и технике, 1982. С. 137-204.

Казимир (Casimir Hendrik) Хендрик (1909-2000), голландский физик, член Нидерландской Академии Наук (1964), президент АН (1973). Работал у Бора в Копенгагене и в Цюрихе у Паули. Труды в области квантовой механики, ядерной физики, физики низких температур, сверхпроводимости, термодинамики, магнетизма, прикладной математики.

Эффект Казимира - эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идёт о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещённых на близком расстоянии, однако эффект Казимира существует и при более сложных геометриях. Причиной эффекта Казимира являются энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нём виртуальных частиц. Эффект был предсказан голландским физиком Х. Казимиром в 1948 году, а позднее подтверждён экспериментально.
        Когда в 1948 году Казимир сделал своё предсказание, несовершенство существовавших технологий и чрезвычайная слабость самого́ эффекта делали его экспериментальную проверку чрезвычайно трудной задачей. Один из первых экспериментов был проведён в 1958 году Спаарней (Spaarnay Marcus) Маркусом из центра Philips в Эйндховен. Спаарней пришёл к выводу, что его результаты «не противоречат теоретическим предсказаниям Казимира».
        С эффектом Казимира связано множество всяких спекуляций, но только в 1997 году Ламоро (Lamoreaux Steve) Стив из Университета Вашингтона в Сиэтле (а теперь Национальной лаборатории в Лос-Аламосе) сумел собрать экспериментальную установку, достаточно чувствительную для того, чтобы доподлинно измерить силу Казимира. Он сумел достичь точности результатов в пределах 5 процентов от теоретического предсказания Казимира (измерялось взаимодействие между сферической линзой диаметром 4 см и кварцевой пластиной 2,5 см в поперечнике), то есть подтвердил предсказание эффекта на 95%.