- Del två -
The Unified Theory of the Universe, eller Theory of Everything, är en hypotetisk enhetlig fysisk och matematisk teori som beskriver alla kända grundläggande interaktioner. Termen användes ursprungligen ironiskt för att hänvisa till en mängd generaliserade teorier. Med tiden blev begreppet förankrat i populariseringen av kvantfysik för att beteckna en teori som skulle kombinera alla fyra grundläggande interaktioner i naturen: gravitationell, elektromagnetisk, stark kärnkraft och svag kärnkraftsinteraktion. Dessutom måste det förklara förekomsten av alla elementära partiklar. Sökandet efter en enhetlig teori kallas ett av de viktigaste målen för modern vetenskap.
Idén om en enhetlig teori uppstod tack vare kunskapen som samlats in av mer än en generation forskare. I takt med att kunskapen fick, utvidgades mänsklighetens förståelse av omvärlden och dess lagar. Eftersom den vetenskapliga bilden av världen är en generaliserad, systemisk bildning kan dess radikala förändring inte reduceras till en separat, även om den största, vetenskapliga upptäckten. Det senare kan dock ge upphov till en slags kedjereaktion som kan ge en hel serie, ett komplex av vetenskapliga upptäckter, som i slutändan kommer att leda till en förändring av den vetenskapliga bilden av världen. I denna process är naturligtvis det viktigaste upptäckter inom de grundläggande vetenskaper som det bygger på. Dessutom, när man kommer ihåg att vetenskapen främst är en metod, är det inte svårt att anta att en förändring av den vetenskapliga bilden av världen också bör innebära en radikal omstrukturering av metoderna för att få ny kunskapinklusive förändringar i själva vetenskapens normer och ideal.
Utvecklingen av världens idé inträffade inte omedelbart. Sådana tydligt och entydigt fixade radikala förändringar i vetenskapliga bilder av världen, dvs. Det finns tre vetenskapliga revolutioner i historien om vetenskapens utveckling i allmänhet och naturvetenskap i synnerhet. Om de personifieras av namnen på de forskare som spelade den mest framträdande rollen i dessa händelser, bör de tre globala vetenskapliga revolutionerna kallas Aristotelian, Newtonian och Einstein's.
Under VI - IV århundradena. FÖRE KRISTUS. den första revolutionen i kunskapen om världen genomfördes, som ett resultat av att vetenskapen själv föddes. Den revolutionära historiska innebörden ligger i att skilja vetenskap från andra former av kognition och behärska världen, i skapandet av vissa normer och modeller för konstruktion av vetenskaplig kunskap. Naturligtvis har problemet med universums ursprung upptagit människors sinnen under mycket lång tid.
Enligt ett antal tidiga judisk-kristna-muslimska myter uppstod vårt universum vid en viss och inte särskilt avlägsen tidpunkt i det förflutna. En av grunden till sådana övertygelser var behovet av att hitta universums "grundorsak". Varje händelse i universum förklaras genom att ange dess orsak, det vill säga en annan händelse som hände tidigare; en sådan förklaring av universumets existens är endast möjlig om det hade en början. En annan anledning framfördes av den välsignade Augustine (den ortodoxa kyrkan anser att Augustine är välsignad och den katolska kyrkan - helgon). i boken "Guds stad". Han påpekade att civilisationen går framåt, och vi kommer ihåg vem som begick den här eller den andra gärningen och vem uppfann vad. Därför är det osannolikt att mänskligheten, och därför, troligen universum, existerar på mycket lång tid. Den välsignade Augustinus ansåg ett acceptabelt datum för skapandet av universum, motsvarande Genesisboken: cirka 5000 f. Kr. (Intressant är att detta datum inte är så långt från slutet av den senaste istiden - 10 000 f. Kr., vilket arkeologer anser som början på civilisationen).
Aristoteles och de flesta andra grekiska filosofer tyckte inte om tanken på skapandet av universum, eftersom det var förknippat med gudomlig intervention. Därför trodde de att människor och världen omkring dem fanns och kommer att fortsätta att existera för alltid. Forntida forskare ansåg argumentet angående civilisationens framsteg och bestämde att översvämningar och andra katastrofer periodvis inträffade i världen, som hela tiden återvände mänskligheten till civilisationens startpunkt.
Aristoteles skapade formell logik, dvs. faktiskt är bevisdoktrin det viktigaste verktyget för att härleda och systematisera kunskap; utvecklat en kategorisk och konceptuell apparat; godkänt ett slags kanon för organisering av vetenskaplig forskning (problemets historia, formulering av problemet, argument "för" och "emot", motiveringen av beslutet); objektivt differentierad vetenskaplig kunskap i sig, som skiljer naturvetenskapen från metafysik (filosofi), matematik, etc. Normerna för vetenskaplig natur av kunskap som fastställts av Aristoteles, modellerna för förklaring, beskrivning och rättfärdigande inom vetenskapen har haft obestridlig auktoritet i mer än tusen år, och mycket (till exempel formell logiklagar) är effektiv till denna dag.
Kampanjvideo:
Det viktigaste fragmentet av den antika vetenskapliga bilden av världen var den konsekventa geocentriska läran om världssfären. Geocentrismen från den tiden var inte alls en "naturlig" beskrivning av direkt observerbara fakta. Det var ett svårt och modigt steg in i det okända: trots allt, för enhetens och konsistensen av kosmosstrukturen, var det nödvändigt att komplettera den synliga himmelska halvklotet med en analog osynlig, för att erkänna möjligheten att det finns antipoder, d.v.s. invånare på motsatta sidan av världen, etc.
Aristoteles trodde att jorden är orörlig och solen, månen, planeterna och stjärnorna kretsar kring den i cirkulära banor. Han trodde det, för i enlighet med hans mystiska åsikter betraktade han jorden som universums centrum och den cirkulära rörelsen - den mest perfekta. Ptolemaios utvecklade Aristoteles idé till en komplett kosmologisk modell under det andra århundradet. Jorden står i mitten, omgiven av åtta sfärer som bär månen, solen och fem då kända planeter: Merkurius, Venus, Mars, Jupiter och Saturnus (Fig. 1.1). Planeterna själva, trodde Ptolemaios, rör sig i mindre cirklar fästa vid motsvarande sfärer. Detta förklarade den mycket svåra vägen som, som vi ser, planeterna tar. På den allra sista sfären finns fasta stjärnor, som förblir i samma position i förhållande till varandra och rör sig genom himlen som en helhet. Vad som ligger bakom den sista sfären förklarades inte, men i alla fall var det inte längre en del av universum som mänskligheten observerar.
Ptolemaios modell gjorde det möjligt att förutsäga väl himmelskropparnas position på himlen, men för en korrekt förutsägelse var han tvungen att acceptera att Månens bana på vissa ställen närmar sig jorden två gånger närmare än i andra! Detta innebär att månen i en position ska visas två gånger större än i en annan! Ptolemaios var medveten om denna brist, men ändå accepterades hans teori, men inte överallt. Den kristna kyrkan accepterade den ptolemaiska modellen av universum som inte oförenlig med Bibeln, för denna modell var mycket bra genom att den lämnade mycket utrymme för helvetet och himlen utanför sfären av fasta stjärnor. Men 1514 föreslog den polska prästen Nicolaus Copernicus en ännu enklare modell. (Till en början, kanske av fruktan för att kyrkan skulle förklara honom som kättare, propagerade Copernicus sin modell anonymt). Hans idé varatt solen står stilla i mitten, och jorden och andra planeter kretsar kring den i cirkulära banor. Nästan ett sekel gick innan Copernicus idé togs på allvar. Två astronomer - tyska Johannes Kepler och italienska Galileo Galilei - stödde offentligt Copernicus teori, även om de banor som Copernicus förutspådde inte helt sammanföll med de observerade. Aristoteles-Ptolemaios teori upphörde 1609, när Galileo började observera natthimlen med sitt nyligen uppfunna teleskop. Genom att rikta ett teleskop mot planeten Jupiter upptäckte Galileo flera små satelliter eller månar som kretsade kring Jupiter. Detta innebar att inte alla himmellegemer nödvändigtvis måste kretsa direkt runt jorden, som Aristoteles och Ptolemaios trodde. (Naturligtvis kan man fortfarande övervägaatt jorden vilar i centrum av universum, och Jupiters månar rör sig längs en mycket komplex väg runt jorden, så att det bara verkar som om de kretsar kring Jupiter. Men Copernicus teori var mycket enklare.) Samtidigt modifierade Johannes Kepler Copernicus teori, baserat på antagandet att planeterna inte rör sig i cirklar utan i ellipser (en ellips är en långsträckt cirkel). Slutligen har förutsägelserna nu sammanfallit med resultaten av observationerna. Slutligen har förutsägelserna nu sammanfallit med resultaten av observationerna. Slutligen har förutsägelserna nu sammanfallit med resultaten av observationerna.
När det gäller Kepler var hans elliptiska banor en konstgjord hypotes och dessutom "inelegant", eftersom en ellips är en mycket mindre perfekt figur än en cirkel. Kepler kunde nästan av misstag finna att elliptiska banor överensstämde med observationerna och kunde inte förena detta med sin idé att planeterna kretsar runt solen under påverkan av magnetiska krafter. Förklaringen kom först mycket senare, 1687, när Isaac Newton publicerade sin bok "Mathematical Principles of Natural Philosophy". I den lade Newton inte bara fram en teori om materiella kroppars rörelse i tid och rum, utan utvecklade också komplexa matematiska metoder som var nödvändiga för att analysera himmellegemernas rörelse.
Dessutom postulerade Newton lagen om universell gravitation, enligt vilken varje kropp i universum lockas till någon annan kropp med större kraft, desto större massa av dessa kroppar och desto mindre avstånd mellan dem. Det är just den kraften som gör att kroppar faller till marken. (Historien om att Newton var inspirerad av ett äpple som föll på hans huvud är nästan säkert opålitligt. Newton själv sa bara om detta att tanken på gravitation kom när han satt i ett "kontemplativt humör", och "anledningen var äpplets fall") …
Vidare visade Newton att månen under inverkan av gravitationskrafter rör sig i en elliptisk bana runt jorden, och jorden och planeterna roterar i elliptiska banor runt solen. (8) Newtons modell är en kropp som rör sig enhetligt i absolut oändligt utrymme och rakt fram tills denna kropp påverkas av en kraft (mekanikens första lag) eller två kroppar som verkar på varandra med lika och motsatta krafter (mekanikens tredje lag); själva kraften anses vara helt enkelt orsaken till accelerationen av rörliga kroppar (mekanikens andra lag), det vill säga som om den existerar av sig själv och ingenstans kommer den ifrån.
Newton behöll betraktandet av mekanik som en universell fysisk teori. På XIX-talet. denna plats togs av en mekanistisk bild av världen, som inkluderar mekanik, termodynamik och kinetisk teori om materia, den elastiska teorin om ljus och elektromagnetism. Upptäckten av elektronen stimulerade en revidering av idéer. I slutet av seklet byggde H. Lorenz sin elektroniska teori för att täcka alla naturfenomen, men han uppnådde inte detta. Problem associerade med laddningens diskretitet och fältets kontinuitet och problem i teorin om strålning ("ultraviolett katastrof") ledde till skapandet av en kvantfältbild av världen och kvantmekaniken.
Ett klassiskt exempel på användningen av abstrakta begrepp för att förklara naturen gavs 1915 av Einstein, som publicerade sin verkligt epokala allmänna relativitetsteori. Detta verk är ett av få som markerar vändpunkter i människans uppfattning av världen omkring honom. Skönheten i Einsteins teori beror inte bara på kraften och elegansen i gravitationens ekvationer utan också på den överväldigande radikalismen i hans åsikter. Allmän relativitetsteori har med säkerhet förkunnat att tyngdkraften är geometrin i det krökta utrymmet. Begreppet acceleration i rymden ersattes av begreppet rymdens krökning. (2)
Efter skapandet av SRT förväntades det att den universella täckningen av den naturliga världen skulle kunna ge en elektromagnetisk bild av världen, som kombinerade relativitetsteorin, Maxwells teori och mekanik, men denna illusion försvann snart.
Special relativitetsteori (SRT) (special relativitetsteori; relativistisk mekanik) är en teori som beskriver rörelse, mekanikens lagar och förhållanden mellan rum och tid i hastigheter nära ljusets hastighet. Inom ramen för den speciella relativitetsteorin är Newtons klassiska mekanik en approximation av låga hastigheter. Generalisering av SRT för gravitationsfält kallas allmän relativitetsteori (GTR). SRT bygger på två postulat:
1. I alla tröghetsramar är ljusets hastighet oförändrad (det är en invariant) och beror inte på källans, mottagarens eller själva ramen. I den klassiska mekaniken i Galileo-Newton är hastigheten för två kroppars relativa tillvägagångssätt alltid större än hastigheten för dessa kroppar och beror på både ett objekts hastighet och ett annat. Därför har vi svårt att tro att ljusets hastighet inte beror på källans hastighet, men detta är ett vetenskapligt faktum.
2. Verkligt utrymme och tid bildar en enda fyrdimensionell rymd-tidskontinuum så att värdet på mellantidsintervallet mellan händelser under övergången mellan referensramar förblir oförändrat. I SRT finns inga samtidiga händelser i alla referensramar. Här ser två händelser, samtidigt i en referensram, annorlunda ut i tiden från en annan, rörlig eller i vila, referensram.
I den speciella relativitetsteorin bevaras alla grundläggande definitioner av klassisk fysik - impuls, arbete, energi. Det finns dock också något nytt: först och främst beroendet av massa på rörelsens hastighet. Därför kan man inte använda det klassiska uttrycket för kinetisk energi, eftersom det erhölls under antagandet att objektets massa förblir oförändrad.
Många teoretiker har försökt anamma gravitation och elektromagnetism med enhetliga ekvationer. Under påverkan av Einstein, som introducerade fyrdimensionell rymdtid, byggdes flerdimensionella fältteorier i ett försök att reducera fenomen till rymdens geometriska egenskaper.
Föreningen genomfördes på grundval av det etablerade oberoende av ljusets hastighet för olika observatörer som rör sig i tomt utrymme i frånvaro av externa krafter. Einstein avbildade objektets världslinje på ett plan (Fig. 2), där den rymdliga axeln riktas horisontellt och den temporala axeln riktas vertikalt. Sedan är den vertikala linjen objektets världslinje, som ligger i vila i den givna referensramen, och den sneda linjen är objektet som rör sig med konstant hastighet. Den böjda världslinjen motsvarar objektets accelererade rörelse. Varje punkt på detta plan motsvarar en position på en given plats vid en given tidpunkt och kallas en händelse. I detta fall är tyngdkraften inte längre en kraft som verkar på en passiv bakgrund av rum och tid utan är en snedvridning av själva rymdtiden. När allt är gravitationsfältet”rymdtidens krökning.
Fig. 2. Rymdtidsdiagram
Strax efter skapandet (1905) upphörde den speciella relativitetsteorin att passa Einstein, och han började arbeta med dess generalisering. Samma sak hände med allmän relativitet. År 1925 började Einstein arbeta med teorin, som han var avsedd att studera med korta avbrott fram till slutet av hans dagar. Det största problemet som oroade honom - fältkällornas natur - hade redan en viss historia när Einstein tog upp den. Varför faller inte partiklar sönder, till exempel? När allt kommer omkring bär en elektron en negativ laddning och negativa laddningar stöter varandra, d.v.s. elektronen måste explodera från insidan på grund av avstötningen från närliggande områden!
På sätt och vis har problemet kvarstått till i dag. En tillfredsställande teori har ännu inte byggts som beskriver krafterna som verkar inuti elektronen, men svårigheterna kan kringgås genom att anta att elektronen inte har någon inre struktur - det är en punktladdning som inte har dimensioner och därför inte kan rivas isär från insidan.
Ändå är det allmänt accepterat att de viktigaste bestämmelserna i modern kosmologi - vetenskapen om universums struktur och utveckling - började bildas efter skapandet 1917 av A. Einstein av den första relativistiska modellen baserad på gravitationsteorin och hävdade att beskriva hela universum. Denna modell kännetecknade universums stationära tillstånd och visade sig vara felaktigt, vilket framgår av astrofysiska observationer.
Ett viktigt steg för att lösa kosmologiska problem gjordes 1922 av professor vid Petrograd University A. A. Friedman (1888-1925). Som ett resultat av att lösa kosmologiska ekvationer kom han till slutsatsen: Universum kan inte vara i stillastående tillstånd - alla galaxer rör sig i riktning framåt från varandra och därför var de alla på samma plats.
Nästa steg togs 1924, när den amerikanska astronomen E. Hubble (1889-1953) mätte avståndet till närliggande galaxer (kallade nebuloser vid den tiden) vid Mount Wilson Observatory i Kalifornien och därmed upptäckte galaxvärlden. När astronomer började undersöka spektra av stjärnor i andra galaxer upptäcktes något ännu främmande: vår egen galax hade samma karakteristiska uppsättningar av saknade färger som stjärnor, men de skiftades alla i samma mängd mot den röda änden av spektrumet. Synligt ljus är vibrationer eller vågor i det elektromagnetiska fältet. Frekvensen (antalet vågor per sekund) för ljusvibrationer är extremt hög - från fyra hundra till sju hundra miljoner vågor per sekund. Det mänskliga ögat uppfattar ljus med olika frekvenser som olika färger, med de lägsta frekvenserna som motsvarar den röda änden av spektrumet,och den högsta till lila. Föreställ dig en ljuskälla som ligger på ett fast avstånd från oss (till exempel en stjärna) som avger ljusvågor med konstant frekvens. Uppenbarligen kommer frekvensen för de inkommande vågorna att vara densamma som den som de sänds ut med (även om gravitationens fält i galaxen är litet och dess inflytande är obetydligt). Antag nu att källan börjar röra sig i vår riktning. När nästa våg släpps kommer källan att vara närmare oss, och därför kommer den tid det tar för vågens topp att nå oss att vara mindre än i fallet med en fast stjärna. Följaktligen kommer tiden mellan topparna för de två ankommande vågorna att vara mindre och antalet vågor vi får på en sekund (dvs. frekvensen) kommer att vara större än när stjärnan var stillastående. När källan tas bort blir frekvensen för de inkommande vågorna mindre. Det betyder,att spektra för vikande stjärnor kommer att förskjutas mot den röda änden (rödförskjutning), och spektra för närmande stjärnor bör uppleva ett violett skifte. Detta förhållande mellan hastighet och frekvens kallas Doppler-effekten, och denna effekt är vanlig även i våra dagliga liv. Doppler-effekten används av polisen, som bestämmer hastigheten på fordon långt utifrån frekvensen av radiosignaler som reflekteras från dem.
Efter att ha bevisat att det finns andra galaxer ägnade Hubble sig alla efterföljande år till att sammanställa avståndskataloger till dessa galaxer och observera deras spektra. Vid den tiden trodde de flesta forskare att galaxernas rörelse är slumpmässig och därför bör spektra som flyttas mot den röda sidan observeras lika mycket som de som flyttas mot den violetta. Vilken överraskning det var när de flesta galaxer visade en rödförskjutning av spektra, det vill säga det visade sig att nästan alla galaxer rör sig bort från oss! Ännu mer överraskande var upptäckten som publicerades av Hubble 1929: Hubble upptäckte att till och med storleken på rödförskjutningen inte är slumpmässig utan är direkt proportionell mot avståndet från oss till galaxen. Med andra ord, ju längre bort en galax är, desto snabbare rör sig den bort! Och detta innebar att universum inte kunde vara statiskt, som tidigare trott,att det faktiskt expanderar kontinuerligt och avstånden mellan galaxer växer hela tiden.
Utvidgningen av universum innebär att dess volym tidigare var mindre än den är nu. Om tiden vänds tillbaka i den modell av universum som utvecklats av Einstein och Friedman, kommer händelserna att gå i omvänd ordning, som i en film som spelas från slutet. Sedan visar det sig att universums radie för ungefär 13 miljarder år sedan var väldigt liten, det vill säga vikten på galaxen, det interstellära mediet och strålningen - kort sagt, allt som nu utgör universum koncentrerades i en försumbar volym, nära noll. Detta primära supertäta och super heta tillstånd i universum har inga analoger i vår samtida verklighet. Det antas att vid den tiden var densiteten hos substansen i universum jämförbar med densiteten hos atomkärnan och hela universum var ett enormt kärnkraftsdropp. Av någon anledning var kärnkraftsfallet i ett instabilt tillstånd och exploderade. Detta antagande är kärnan i big bang-konceptet.
- Del två -