- Del ett -
Det närmaste att förverkliga Einsteins dröm kom den lilla kända polska fysikern Theodor Kaluca, som redan 1921 satte sig för att generalisera Einsteins teori genom att inkludera elektromagnetism i den geometriska formuleringen av fältteori (precis som rymdtidens geometri beskriver gravitation). Detta borde ha gjorts så att ekvationerna i Maxwells teori om elektromagnetism skulle fortsätta att gälla. Kaluza förstod att Maxwells teori inte kunde formuleras på språket för ren geometri (i den meningen att vi vanligtvis förstår det), till och med under förutsättning att det finns krökt utrymme. Kaluza tog nästa steg efter Einstein, lade till den fyrdimensionella rymdtiden en femte (obemärkbar) förändring där elektromagnetism är ett slags "gravitation" (dålig och stark interaktion var inte känd då). Frågan uppstår:varför känner vi inte den femte dimensionen på något sätt (till skillnad från de första fyra)?
År 1926 föreslog den svenska fysikern Oskar Klein att vi inte märker den extra dimensionen eftersom den på sätt och vis har "kollapsat" till en mycket liten storlek. En liten slinga sträcker sig från varje punkt i rymden till den femte dimensionen. Vi märker inte alla dessa öglor på grund av deras lilla storlek. Klein beräknade öglornas omkrets runt den femte dimensionen med hjälp av det kända värdet av elektronens elektriska laddning av elektronen och andra partiklar, liksom storleken på gravitationsinteraktionen mellan partiklarna. Det visade sig vara lika med 10-32 cm, dvs. 1020 gånger mindre än storleken på en atomkärna. Därför är det inte förvånande att vi inte märker den femte dimensionen: den är vriden på en skala som är mycket mindre än storleken på någon av de strukturer vi känner, även i fysik av subnukleära partiklar. Uppenbarligen uppstår i detta fall inte frågan om rörelse, säg,atom i den femte dimensionen. Snarare bör denna dimension anses vara inom atomen.
Under en tid glömdes Klauz-Klein-teorin ut, men när de starka, svaga och elektromagnetiska interaktionerna kombinerades till en enda teori, och det återstod att hitta en allmän teori för dem och för tyngdkraften, kom Klauz-Klein-teorin ihåg igen. För att utföra alla nödvändiga symmetrioperationer var det nödvändigt att lägga till ytterligare 7 dimensioner (hela utrymmet som helhet visade sig vara 11-dimensionellt). Och så att dessa ytterligare dimensioner inte känns, måste de rullas upp i mycket liten skala. Men nu uppstår frågan: om en dimension bara kan rullas in i en cirkel, kan sju dimensioner rullas till en figur av olika topologier (antingen till en 7-dimensionell torus eller till en 7-dimensionell sfär eller till någon annan figur). Den enklaste modellen, till vilken de flesta forskare är benägna, kan fungera som en 7-dimensionell sfär (7-sfär). Som förväntatde fyra för närvarande observerade dimensionerna av rymdtid har inte kollapsat, eftersom detta tillstånd motsvarar den lägsta energin (som alla fysiska system tenderar till). Det finns en hypotes enligt vilken i de tidiga stadierna av universums liv, alla dessa dimensioner användes.
Ett stort utbud av naturliga system och strukturer, deras egenskaper och dynamik bestäms av interaktionen mellan materiella objekt, dvs. deras ömsesidiga handling mot varandra. Det är interaktion som är huvudorsaken till materiens rörelse, därför är interaktion, som rörelse, universell, d.v.s. är inneboende i alla materiella objekt, oavsett ursprung och systemisk organisation. Funktioner av olika interaktioner bestämmer förhållandena för existens och egenskaperna hos materiella föremål.
Samverkande föremål utbyter energi och - de viktigaste egenskaperna hos deras rörelse. I klassisk fysik bestäms interaktion av den kraft med vilken ett materiellt objekt verkar på ett annat.
Under lång tid trodde man att interaktionen mellan materiella föremål, även på stort avstånd från varandra, överförs direkt genom det tomma utrymmet. Detta uttalande överensstämmer med begreppet handling på avstånd. Nu har ett annat koncept experimentellt bekräftats - begreppet kortdistansåtgärd: interaktioner överförs genom fysiska fält med en ändlig hastighet som inte överstiger ljusets hastighet i vakuum. Detta, i huvudsak, fältkoncept i kvantfältsteori kompletteras med uttalandet: i varje interaktion finns det ett utbyte av speciella partiklar - fältkvantor.
Samspelet mellan materiella objekt och system som observeras i naturen är mycket olika. Men som visats av fysiska studier kan alla interaktioner tillskrivas fyra typer av grundläggande interaktioner: gravitation, elektromagnetisk, stark och svag.
Kampanjvideo:
Gravitationsinteraktion manifesteras i den ömsesidiga attraktionen mellan alla materiella föremål med massa. Det överförs genom gravitationsfältet och bestäms av en grundläggande naturlag - lagen om universell gravitation. Lagen om universell gravitation beskriver fallet av materiella kroppar i jordens fält, rörelsen av solsystemets planeter, stjärnor etc.
I enlighet med kvantfältsteorin är bärarna av gravitationsinteraktionen gravitoner - partiklar med nollmassa, kvantiteter av gravitationsfältet. Elektromagnetisk interaktion orsakas av elektriska laddningar och överförs genom elektriska och magnetiska fält. Ett elektriskt fält uppstår i närvaro av elektriska laddningar och ett magnetfält - när de rör sig. Ett magnetfält som förändras genererar ett alternerande elektriskt fält, vilket i sin tur är en källa till ett alternerande magnetfält.
På grund av den elektromagnetiska interaktionen finns atomer och molekyler, kemiska transformationer av materia sker. Olika tillstånd av aggregering, friktion, elasticitet, etc. bestäms av krafterna för intermolekylär interaktion, elektromagnetisk till sin natur. Elektromagnetisk interaktion beskrivs av de grundläggande lagarna för elektrostatik och elektrodynamik: Coulombs lag, Ampers lag, etc., och i generaliserad form - av Maxwells elektromagnetiska teori, som relaterar de elektriska och magnetiska fälten. Mottagning, omvandling och tillämpning av elektriska och magnetiska fält, liksom elektrisk ström, utgör grunden för att skapa en mängd moderna tekniska medel: elektriska apparater, radioapparater, tv-apparater, belysnings- och värmeenheter, datorer etc.
Enligt kvantelektrodynamik är bärare av elektromagnetisk interaktion fotoner - kvantiteter av det elektromagnetiska fältet med noll massa. I många fall spelas de in av instrument i form av elektromagnetiska vågor av olika längd. Till exempel är synligt ljus som uppfattas av det blotta ögat, genom vilket huvuddelen (cirka 90%) av informationen om världen reflekteras, en elektromagnetisk våg i ett ganska smalt våglängdsområde (cirka 0,4-0,8 mikron), vilket motsvarar den maximala solstrålningen.
Den starka interaktionen säkerställer bindning av nukleoner i kärnan. Det bestäms av kärnkrafter som har laddningsoberoende, kortdistansåtgärd, mättnad och andra egenskaper. Starka interaktioner är ansvariga för atomkärnornas stabilitet. Ju starkare interaktionen mellan nukleoner i kärnan är, desto stabilare är kärnan, desto större är dess specifika bindningsenergi. Med en ökning av antalet nukleoner i kärnan och därmed storleken på kärnan minskar den specifika bindningsenergin och kärnan kan sönderfalla, vilket är vad som händer med elementens kärnor i slutet av det periodiska systemet.
Det antas att den starka interaktionen överförs av gluoner - partiklar som "hänger ihop" kvarkerna som ingår i protoner, neutroner och andra partiklar.
Alla elementära partiklar, förutom foton, deltar i den svaga interaktionen. Den bestämmer majoriteten av förfall av elementära partiklar, växelverkan mellan neutrino och materia och andra processer. Svag interaktion manifesterar sig huvudsakligen i processerna för beta-sönderfall av atomkärnor hos många isotoper, fria neutroner etc. Det är allmänt accepterat att bärarna av den svaga interaktionen är vioner - partiklar med en massa ungefär 100 gånger massan av protoner och neutroner.
Hittills har en enhetlig teori om att beskriva interaktioner ännu inte utvecklats helt, men de flesta forskare är benägna att bilda universum som ett resultat av Big Bang: vid noll ögonblick uppstod universum från en singularitet, det vill säga från en punkt med noll volym och oändligt hög densitet och temperatur. Själva "början" av universum, det vill säga dess tillstånd, som enligt teoretiska beräkningar motsvarar en radie nära noll, undviker till och med ett teoretiskt begrepp. Poängen är att ekvationerna för relativistisk astrofysik förblir giltiga upp till en densitet i storleksordningen 1093 g / cm3. Universum, komprimerat till en sådan densitet, hade en gång en radie av storleksordningen en tio miljardels centimeter, det vill säga det var jämförbart i storlek med ett proton! Temperaturen på denna mikrovers, förresten, som vägde minst 1051 ton, var oerhört hög och uppenbarligennära 1032 grader. Universum var en så liten bråkdel av en sekund efter "explosionen". I början”vänder sig både densitet och temperatur till oändlighet, det vill säga denna” början”, med hjälp av matematisk terminologi, är den speciella” singular”punkt för vilken ekvationerna i modern teoretisk fysik förlorar sin fysiska betydelse. Men detta betyder inte att det inte fanns någonting före "början": vi kan helt enkelt inte föreställa oss vad som var före den villkorliga "början" av universum. (3)att det inte fanns något före "början": vi kan helt enkelt inte föreställa oss vad som fanns före universums villkorliga "början". (3)att det inte fanns något före "början": vi kan helt enkelt inte föreställa oss vad som fanns före universums villkorliga "början". (3)
När universums ålder nådde en hundradels sekund, sjönk dess temperatur till cirka 1011 K och sjönk under tröskelvärdet vid vilket protoner och neutroner kan produceras, några av dessa partiklar undgick förintelse - annars skulle det inte finnas någon fråga i vårt moderna universum. En sekund efter Big Bang sjönk temperaturen till 10 10 K och neutriner slutade interagera med materia. Universum har blivit praktiskt taget "transparent" för neutriner. Elektroner och positroner fortsatte fortfarande att utplåna och dyka upp igen, men efter cirka 10 sekunder föll nivån på strålningsenergitäthet under tröskeln, och ett stort antal elektroner och positroner förvandlades till strålning från den katastrofala processen med ömsesidig förintelse. I slutet av denna process återstår emellertid ett visst antal elektroner, tillräckligt för attförenas med protoner och neutroner, ge upphov till den mängd materia som vi observerar idag i universum.
Universums ytterligare historia är lugnare än dess turbulenta början. Expansionstakten avtog gradvis, temperaturen minskade gradvis, som genomsnittlig densitet, och när universum var en miljon år gammalt blev dess temperatur så låg (3500 grader Kelvin) att protoner och kärnor av heliumatomer redan kunde fånga in fria elektroner och förvandlas till neutrala atomer. Från detta ögonblick börjar det moderna stadiet av universums utveckling. Galaxer, stjärnor, planeter dyker upp. Så småningom, många miljarder år senare, blev universum det vi ser det.
Men detta är inte den enda hypotesen. Enligt en av hypoteserna började universum expandera kaotiskt och slumpmässigt, och sedan uppstod en viss ordning under inverkan av någon mekanism för försvinnande (dämpning). Detta antagande om fullständigt primärt kaos, i motsats till fullständig primär symmetri, är attraktivt genom att det inte kräver att "skapa" universum i något strikt definierat tillstånd. Om forskare lyckas hitta en lämplig dämpningsmekanism, kommer detta att göra det möjligt att komma överens med den nu observerbara formen av universum ett mycket brett spektrum av initiala förhållanden.
En av de vanligaste hypoteserna om avledningsmekanismen är hypotesen om att skapa partiklar och antipartiklar från den energi som produceras av tidvatteneffekter i ett gravitationellt fält. Partiklar och antipartiklar föds i krökt "tomt" utrymme (liknande fallet med utrymme krökt av ett svart hål), och rymden reagerar på en sådan födelse genom att minska krökningen. Ju mer rymdtiden är krökt, desto intensivare skapas partiklar och antipartiklar. I ett inhomogent universum borde sådana effekter ha utjämnat allt och skapat ett tillstånd av homogenitet. Det är till och med möjligt att all materia i universum uppstod på detta sätt och inte från en singularitet. En sådan process kräver inte att materia föder utan antimateria, som i den ursprungliga singulariteten. Problemet med denna hypotes är dock attatt det hittills inte har varit möjligt att hitta en mekanism för att separera materia och antimateria, som inte skulle tillåta de flesta av dem att utplåna igen.
Å ena sidan kan förekomsten av inhomogeniteter rädda oss från singulariteten, men George Ellis och Stephen Hawking med hjälp av matematiska modeller visade att, med hänsyn till några mycket trovärdiga förslag om materiens beteende, vid höga tryck, kan existensen av minst en singularitet inte uteslutas, även om avvikelser från enhetlighet. Uppförandet av ett anisotropiskt och inhomogent universum i det förflutna nära en singularitet kan vara mycket komplicerat, och det är mycket svårt att bygga några modeller här. Det är lättare att använda Friedmans modeller, som förutsäger universums beteende från födelse till död (i fallet med en sfärisk topologi). Även om avvikelser från enhetlighet inte befriar vårt universum från en singularitet i rymdtid, är det ändå möjligtatt det mesta av den aktuella tillgängliga materien i universum inte faller under denna unikhet. Explosioner av detta slag, när materia av superhög, men inte oändlig densitet, förekommer i närheten av en singularitet, kallades "gnälla". Hawkin-Ellis-satsen kräver dock att energin och trycket förblir positiva. Det finns ingen garanti för att dessa villkor uppfylls vid ultrahöga densiteter av materia.
Det finns ett antagande om att kvanteffekter, men inte i materia, utan i rymdtid (kvantgravitation), som blir mycket signifikanta vid höga värden av rymd-tid-krökning, skulle kunna förhindra universums försvinnande i en singularitet, vilket till exempel orsakar en "studs" materia med tillräckligt hög densitet. Men på grund av bristen på en tillfredsställande teori om kvantgravitation ger resonemanget inga tydliga slutsatser. Om vi accepterar hypotesen att "gnälla" eller kvant "studsa", betyder det att det fanns utrymme och tid före dessa händelser.
Efter upptäckten av universums expansion 1946 föreslog de brittiska astrofysikerna Herman Bondi och Thomas Gold att det ändå, eftersom universum är homogent i rymden, måste vara homogent i tiden. I det här fallet bör den expandera med konstant hastighet, och för att förhindra en minskning av materiets densitet, bör nya galaxer kontinuerligt bildas, vilket kommer att fylla luckorna som bildas från spridningen av befintliga galaxer. Substans för att bygga nya galaxer uppträder kontinuerligt när universum expanderar. Ett sådant universum är inte statiskt utan stationärt: enskilda stjärnor och galaxer går igenom sina livscykler, men i allmänhet har universum ingen början eller slut. För att förklara hur materien uppträder utan att bryta mot lagen om energibesparing,Fred Hoyle uppfann en ny typ av fält - skapa ett fält med negativ energi. Med bildandet av materia förstärks den negativa energin i detta fält och den totala energin sparas.
Produktionsfrekvensen för atomer i den här modellen är så låg att den inte kan detekteras experimentellt. I mitten av 60-talet hade upptäckter gjorts som tyder på att universum utvecklades. Då upptäcktes värmestrålning i bakgrunden, vilket indikerar att universum var i ett tätt tillstånd för flera miljarder år sedan och därför inte kan vara stillastående.
Men ur en filosofisk synvinkel är begreppet ett icke-född och icke-döende universum mycket attraktivt. Det är möjligt att kombinera det stationära universums filosofiska förtjänster med Big Bang-teorin i modeller av ett oscillerande universum. Denna kosmologiska modell baseras på Friedmann-modellen med kontraktion, kompletterad med antagandet att universum inte försvinner när singulariteter inträffar vid båda tidpunkterna "slutar" utan passerar ett supertätt tillstånd och gör ett "hopp" in i nästa cykel av expansion och kontraktion. Denna process kan fortsätta på obestämd tid. För att inte ackumulera entropi och bakgrundsstrålning från tidigare expansions-sammandragningscykler, kommer det emellertid att vara nödvändigt att anta att alla termodynamiska lagar bryts mot hög densitet (därför ackumuleras inte entropi),det antas dock att lagarna i relativitetsteorin kommer att bevaras. I sitt extrema uttryck förutsätter en sådan synvinkel att alla lagar och världskonstanter i varje cykel kommer att vara nya, och eftersom inget bevaras från cykel till cykel, kan vi prata om universum som fysiskt inte är relaterade till varandra. Med samma framgång kan man anta att det finns en oändlig enhet av universum samtidigt, en del av dem kan likna vår. Dessa slutsatser är rent filosofiska och kan inte motbevisas varken genom experiment eller observation. (13)Med samma framgång kan man anta att det finns en oändlig enhet av universum samtidigt, en del av dem kan likna vår. Dessa slutsatser är av rent filosofisk karaktär och kan inte motbevisas varken genom experiment eller observation. (13)Med samma framgång kan man anta att det finns en oändlig ensemble av universum samtidigt, en del av dem kan likna vår. Dessa slutsatser är rent filosofiska och kan inte motbevisas varken genom experiment eller observation. (13)
Eftersom det finns många hypoteser för skapandet av universum, är sökandet efter en teori om allt lika mångsidigt - standardmodellen, strängteori, M-teori, extremt enkel teori om allt, teorier om Grand Unification, etc.
Standardmodellen är en teoretisk konstruktion inom elementärpartikelfysik som beskriver de elektromagnetiska, svaga och starka interaktionerna mellan alla elementära partiklar. Standardmodellen inkluderar inte allvar. Hittills har alla förutsägelser i standardmodellen bekräftats av experiment, ibland med en fantastisk noggrannhet på en miljon procent. Det är först de senaste åren som resultat har börjat dyka upp där förutsägelserna i standardmodellen är lite i strid med experimentet och till och med fenomen som är extremt svåra att tolka inom dess ramar. Å andra sidan är det uppenbart att standardmodellen inte kan vara det sista ordet i partikelfysik, eftersom den innehåller för många externa parametrar och inte heller inkluderar gravitation. Därför har sökandet efter avvikelser från standardmodellen varit ett av de mest aktiva forskningsområdena de senaste åren.
Strängteori är en gren av matematisk fysik som studerar dynamiken och interaktionen mellan inte punktpartiklar, utan endimensionella förlängda föremål, de så kallade kvantsträngarna. Strängteori kombinerar kvantmekanikens idéer och relativitetsteorin, därför kommer en framtida teori om kvantgravitation sannolikt att byggas på dess grund. Strängteori bygger på hypotesen att alla elementära partiklar och deras grundläggande interaktioner uppstår till följd av vibrationer och interaktioner av ultramikroskopiska kvantsträngar på skalor i storleksordningen Planck-längd på 10-35 m. Detta tillvägagångssätt, å ena sidan, undviker sådana svårigheter med kvantfältsteori som renormalisering å andra sidan leder till en djupare titt på materiens struktur och rymdtid.
Kvantsträngteori uppstod i början av 1970-talet som ett resultat av förståelsen av Gabriele Venezianos formler relaterade till strängmodeller av hadronstruktur. I mitten av 1980-talet och mitten av 1990-talet utvecklades strängteorin snabbt, och man förväntade sig att inom en snar framtid skulle en "teori om allt" formuleras på grundval av strängteori. Men trots teoriens matematiska noggrannhet och integritet har inga alternativ ännu hittats för experimentell bekräftelse av strängteori. Teorin som uppstod för att beskriva hadronisk fysik, men som inte passade helt för detta, befann sig i ett slags experimentellt vakuum för beskrivning av alla interaktioner.
M-teori (membranteori) är en modern fysisk teori skapad med syftet att kombinera grundläggande interaktioner. Det så kallade "branen" (flerdimensionellt membran) används som grundobjekt - ett utvidgat tvådimensionellt objekt eller med ett stort antal dimensioner. I mitten av 1990-talet fann Edward Witten och andra teoretiska fysiker starka bevis för att olika supersträngsteorier representerar olika begränsande fall av en ännu outvecklad 11-dimensionell M-teori. I mitten av 1980-talet kom teoretikerna till slutsatsen att supersymmetri, som är centrum för strängteorin, kunde införlivas i den på inte ett utan fem olika sätt, vilket ledde till fem olika teorier: typ I, typ IIA och IIB och två heterotiska strängteorier. Endast en av dem kunde påstå sig vara en "teori om allt", och den enasom vid låga energier och komprimerade sex extra dimensioner överensstämmer med verkliga observationer. Frågor kvarstod om vilken teori som var mer adekvat och vad man skulle göra med de andra fyra teorierna.
En extremt enkel teori om allt - en enhetlig fältteori som förenar alla kända fysiska interaktioner som finns i naturen, föreslagen av den amerikanska fysikern Garrett Lisi den 6 november 2007. Teorin är intressant för sin elegans, men den kräver allvarlig förfining. Vissa kända fysiker har redan uttryckt sitt stöd för det, men ett antal felaktigheter och problem har upptäckts i teorin.
Grand Unification-teorier - inom elementär partikelfysik, en grupp teoretiska modeller som på ett enhetligt sätt beskriver de starka, svaga och elektromagnetiska interaktionerna. Det antas att vid extremt höga energier kombineras dessa interaktioner. (10)
Vi kan säga med fullständigt förtroende att framtida upptäckter och teorier kommer att berika, och inte förkasta, det universum som Pythagoras, Aristarchus, Kepler, Newton och Einstein upptäckte för oss - ett universum som är lika harmoniskt som Platon och Pythagoras universum, men byggt på den harmoni som finns i matematiska lagar; Universum är inte mindre perfekt än Universum Aristoteles, men det drar sin perfektion i de abstrakta symmetri-lagarna; Universum, där det gränslösa tomrummet i intergalaktiska utrymmen översvämmas med mjukt ljus och bär meddelanden från tidens djup som fortfarande är obegripliga för oss; Universum, som har en början i tiden, men har ingen början eller slut i rymden, som kanske kommer att expandera för alltid, och kanske ett fint ögonblick, efter att ha slutat expandera, kommer att börja krympa. Detta universum är inte alls som detsom avbildades i de modiga hjärnorna hos dem som var de första som vågade ställa frågan: "Hur är vår värld egentligen?" Men jag tror att när de lärde sig om det var de inte upprörda.
- Del ett -