- Prima parte -
Cel mai apropiat de realizarea visului lui Einstein a venit puțin cunoscutul fizician polonez Theodor Kaluca, care, în 1921, și-a propus să generalizeze teoria lui Einstein prin includerea electromagnetismului în formularea geometrică a teoriei câmpurilor (la fel cum geometria spațiului-timp descrie gravitația). Acest lucru ar fi trebuit făcut astfel încât ecuațiile teoriei electromagnetismului lui Maxwell să rămână în continuare valabile. Kaluza a înțeles că teoria lui Maxwell nu poate fi formulată în limbajul geometriei pure (în sensul în care o înțelegem de obicei), chiar presupunând prezența spațiului curbat. Kaluza a făcut următorul pas după Einstein, adăugând spațiului-timp în patru dimensiuni o a cincea schimbare (neobservabilă) în care electromagnetismul este un fel de „gravitație” (interacțiunea slabă și puternică nu era cunoscută atunci). Se pune întrebarea:de ce nu simțim această a cincea dimensiune în vreun fel (spre deosebire de primele patru)?
În 1926, fizicianul suedez Oskar Klein a sugerat că nu observăm dimensiunea suplimentară deoarece, într-un anumit sens, s-a „prăbușit” la o dimensiune foarte mică. O buclă mică se extinde din fiecare punct al spațiului în a cincea dimensiune. Nu observăm toate aceste bucle datorită dimensiunilor mici. Klein a calculat perimetrul buclelor în jurul celei de-a cincea dimensiuni folosind valoarea cunoscută a sarcinii electrice elementare a electronului și a altor particule, precum și magnitudinea interacțiunii gravitaționale dintre particule. S-a dovedit a fi egal cu 10-32 cm, adică De 1020 de ori mai mică decât dimensiunea unui nucleu atomic. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că nu observăm a cincea dimensiune: este răsucită pe o scară mult mai mică decât dimensiunea oricăreia dintre structurile pe care le cunoaștem, chiar și în fizica particulelor subnucleare. Evident, în acest caz, problema mișcării nu se pune, să zicem,atom în a cincea dimensiune. Mai degrabă, această dimensiune ar trebui considerată ca fiind în interiorul atomului.
De ceva timp, teoria Klauz-Klein a fost uitată, dar când interacțiunile puternice, slabe și electromagnetice au fost combinate într-o singură teorie și a rămas să se găsească o teorie generală pentru ei și pentru gravitație, teoria Klauz-Klein a fost amintită din nou. Pentru a efectua toate operațiile de simetrie necesare, a fost necesar să adăugați încă 7 dimensiuni (întregul spațiu ca întreg s-a dovedit a fi 11-dimensional). Și pentru ca aceste dimensiuni suplimentare să nu fie resimțite, acestea trebuie să fie înfășurate la o scară foarte mică. Cu toate acestea, acum apare întrebarea: dacă o dimensiune poate fi rulată doar într-un cerc, atunci șapte dimensiuni pot fi rulate într-o figură de diferite topologii (fie într-un tor cu 7 dimensiuni, fie într-o sferă cu 7 dimensiuni, sau într-o altă figură). Cel mai simplu model, spre care se apleacă majoritatea oamenilor de știință, este 7-sfera (7-sfera). Cum era de așteptatcele patru dimensiuni observate în prezent ale spațiului-timp nu s-au prăbușit, deoarece această stare corespunde celei mai mici energii (spre care tind toate sistemele fizice). Există o ipoteză conform căreia, în primele etape ale vieții universului, toate aceste dimensiuni au fost desfășurate.
O mare varietate de sisteme și structuri naturale, caracteristicile și dinamismul lor sunt determinate de interacțiunea obiectelor materiale, adică acțiunea lor reciprocă reciproc. Interacțiunea este principalul motiv al mișcării materiei, prin urmare, interacțiunea, ca mișcarea, este universală, adică este inerent tuturor obiectelor materiale, indiferent de natura lor de origine și de organizare sistemică. Caracteristicile diferitelor interacțiuni determină condițiile de existență și specificul proprietăților obiectelor materiale.
Obiectele care interacționează schimbă energia și - principalele caracteristici ale mișcării lor. În fizica clasică, interacțiunea este determinată de forța cu care un obiect material acționează asupra altuia.
Multă vreme s-a crezut că interacțiunea obiectelor materiale, chiar și la o distanță mare una de cealaltă, se transmite instantaneu prin spațiul gol. Această afirmație este în concordanță cu conceptul de acțiune la distanță. Până acum, un alt concept a fost confirmat experimental - conceptul de acțiune pe rază scurtă: interacțiunile sunt transmise prin câmpuri fizice cu o viteză finită care nu depășește viteza luminii în vid. Acest concept, în esență, de câmp în teoria cuantică a câmpului este completat de afirmația: pentru orice interacțiune, există un schimb de particule speciale - cuantele de câmp.
Interacțiunile dintre obiectele materiale și sistemele observate în natură sunt foarte diverse. Cu toate acestea, după cum arată studiile fizice, toate interacțiunile pot fi atribuite a patru tipuri de interacțiuni fundamentale: gravitațională, electromagnetică, puternică și slabă.
Video promotional:
Interacțiunea gravitațională se manifestă prin atracția reciprocă a oricăror obiecte materiale cu masă. Se transmite prin intermediul unui câmp gravitațional și este determinat de o lege fundamentală a naturii - legea gravitației universale. Legea gravitației universale descrie căderea corpurilor materiale în câmpul Pământului, mișcarea planetelor sistemului solar, a stelelor etc.
În conformitate cu teoria câmpului cuantic, purtătorii interacțiunii gravitaționale sunt gravitonii - particule cu masă zero, cuantele câmpului gravitațional. Interacțiunea electromagnetică este cauzată de sarcini electrice și se transmite prin intermediul câmpurilor electrice și magnetice. Un câmp electric apare atunci când există sarcini electrice și un câmp magnetic atunci când acestea se mișcă. Un câmp magnetic în schimbare generează un câmp electric alternativ, care, la rândul său, este o sursă a unui câmp magnetic alternativ.
Datorită interacțiunii electromagnetice, există atomi și molecule și au loc transformări chimice ale materiei. Diferite stări de agregare, frecare, elasticitate etc. sunt determinate de forțele interacțiunii intermoleculare, de natură electromagnetică. Interacțiunea electromagnetică este descrisă de legile fundamentale ale electrostaticii și electrodinamicii: legea lui Coulomb, legea lui Ampere etc. și în formă generalizată - de teoria electromagnetică a lui Maxwell, care raportează câmpurile electrice și magnetice. Primirea, transformarea și aplicarea câmpurilor electrice și magnetice, precum și a curentului electric servesc drept bază pentru crearea unei varietăți de mijloace tehnice moderne: aparate electrice, aparate de radio, televizoare, dispozitive de iluminat și încălzire, calculatoare etc.
Conform electrodinamicii cuantice, purtătorii de interacțiune electromagnetică sunt fotoni - cuantele câmpului electromagnetic cu masă zero. În multe cazuri, acestea sunt înregistrate de instrumente sub formă de unde electromagnetice de diferite lungimi. De exemplu, lumina vizibilă percepută cu ochiul liber, prin care se reflectă volumul (aproximativ 90%) de informații despre lumea înconjurătoare, este o undă electromagnetică într-un interval de lungimi de undă destul de îngust (aproximativ 0,4-0,8 microni), corespunzător radiației solare maxime.
Interacțiunea puternică asigură legătura nucleonilor în nucleu. Este determinat de forțele nucleare care posedă independență de sarcină, acțiune pe rază scurtă, saturație și alte proprietăți. Interacțiunile puternice sunt responsabile pentru stabilitatea nucleelor atomice. Cu cât interacțiunea nucleonilor din nucleu este mai puternică, cu atât nucleul este mai stabil, cu atât este mai mare energia sa de legare specifică. Odată cu creșterea numărului de nucleoni din nucleu și, în consecință, cu dimensiunea nucleului, energia de legare specifică scade și nucleul se poate descompune, ceea ce se întâmplă cu nucleele elementelor la sfârșitul tabelului periodic.
Se presupune că interacțiunea puternică este transmisă de gluoni - particule care „lipesc” quarkii care alcătuiesc protoni, neutroni și alte particule.
Toate particulele elementare, cu excepția fotonului, participă la interacțiunea slabă. Determină majoritatea degradărilor particulelor elementare, interacțiunea neutrinilor cu materia și alte procese. Interacțiunea slabă se manifestă în principal în procesele de dezintegrare beta a nucleilor atomici ai multor izotopi, neutroni liberi etc. În general, se acceptă faptul că purtătorii interacțiunii slabe sunt vioni - particule cu o masă de aproximativ 100 de ori mai mare decât masa protonilor și neutronilor.
Până în prezent, o teorie unificată a descrierii interacțiunilor nu a fost încă dezvoltată pe deplin, dar majoritatea oamenilor de știință sunt înclinați spre formarea Universului ca urmare a Big Bang-ului: în momentul zero din timp, Universul a apărut dintr-o singularitate, adică dintr-un punct cu volum zero și densitate și temperatură infinit de ridicate. Însăși „începutul” Universului, adică starea sa corespunzătoare, conform calculelor teoretice, unei raze apropiate de zero, eludează chiar un concept teoretic. Ideea este că ecuațiile astrofizicii relativiste rămân valabile până la o densitate de aproximativ 1093 g / cm3. Universul, comprimat la o asemenea densitate, a avut odată o rază de ordinul a zece miliarde de centimetru, adică era comparabil ca mărime cu un proton! Apropo, temperatura acestui microvers, care cântărea cel puțin 1051 tone, a fost incredibil de ridicată și, aparent,aproape de 1032 grade. Universul a fost o fracțiune atât de mică de secundă după începerea „exploziei”. Chiar la „început” atât densitatea cât și temperatura se transformă în infinit, adică acest „început”, folosind terminologia matematică, este acel punct special „singular” pentru care ecuațiile fizicii teoretice moderne își pierd sensul fizic. Dar asta nu înseamnă că nu a existat nimic înainte de „început”: pur și simplu nu ne putem imagina ce a fost înainte de „începutul” condiționat al Universului. (3)că nu a existat nimic înainte de „început”: pur și simplu nu ne putem imagina ce a fost înainte de „început” condiționat al Universului. (3)că nu a existat nimic înainte de „început”: pur și simplu nu ne putem imagina ce a fost înainte de „început” condiționat al Universului. (3)
Când vârsta Universului a atins o sutime de secundă, temperatura sa a scăzut la aproximativ 1011 K, scăzând sub valoarea pragului la care pot fi produși protoni și neutroni, unele dintre aceste particule au scăpat de anihilare - altfel nu ar exista materie în Universul nostru modern. La o secundă după Big Bang, temperatura a scăzut la 10 10 K și neutrinii au încetat să interacționeze cu materia. Universul a devenit practic „transparent” pentru neutrini. Electronii și pozitronii au continuat să anihileze și să apară din nou, dar după aproximativ 10 secunde nivelul densității energiei radiației a scăzut sub pragul lor, iar un număr imens de electroni și pozitroni s-au transformat în radiații dintr-un proces catastrofal de anihilare reciprocă. La sfârșitul acestui proces, totuși, rămâne un anumit număr de electroni, suficient pentruunindu-se cu protoni și neutroni, dau naștere cantității de materie pe care o observăm astăzi în Univers.
Istoria ulterioară a Universului este mai calmă decât începutul său turbulent. Rata de expansiune a încetinit treptat, temperatura, ca și densitatea medie, a scăzut treptat, iar când Universul avea un milion de ani, temperatura sa a devenit atât de scăzută (3500 grade Kelvin) încât protonii și nucleii atomilor de heliu puteau deja capta electroni liberi și transforma în atomi neutri. Din acest moment, în esență, începe etapa modernă a evoluției Universului. Apar galaxii, stele, planete. În cele din urmă, multe miliarde de ani mai târziu, universul a devenit ceea ce îl vedem.
Dar aceasta nu este singura ipoteză. Potrivit uneia dintre ipoteze, Universul a început să se extindă haotic și aleatoriu și apoi, sub acțiunea unui mecanism de disipare (amortizare), a apărut o anumită ordine. O astfel de presupunere a haosului primar complet, spre deosebire de simetria primară completă, este atractivă, deoarece nu necesită „crearea” Universului într-o stare strict definită. Dacă oamenii de știință reușesc să găsească un mecanism de amortizare adecvat, atunci acest lucru va face posibilă potrivirea unei game foarte largi de condiții inițiale cu forma acum observabilă a Universului.
Una dintre cele mai răspândite ipoteze despre mecanismul de disipare este ipoteza creării de particule și antiparticule din energia produsă de efectele mareelor într-un câmp gravitațional. Particulele și antiparticulele se nasc în spațiul „gol” curbat (similar cu cazul spațiului curbat de o gaură neagră), iar spațiul reacționează la o astfel de naștere prin scăderea curburii. Cu cât spațiul-timp este mai curbat, cu atât creează particule și antiparticule mai intense. Într-un univers neomogen, astfel de efecte ar fi trebuit să egaleze totul, creând o stare de omogenitate. Este chiar posibil ca toată materia din Univers să fi apărut în acest fel și nu dintr-o singularitate. Un astfel de proces nu necesită nașterea materiei fără antimaterie, ca în singularitatea originală. Cu toate acestea, dificultatea cu această ipoteză este aceeacă nu a fost încă posibil să se găsească un mecanism de separare a materiei și antimateriei care să nu le permită celor mai mulți dintre ei să anihileze din nou.
Pe de o parte, existența neomogenităților ne-ar putea salva de singularitate, dar George Ellis și Stephen Hawking folosind modele matematice au arătat că, luând în considerare câteva propoziții foarte plauzibile despre comportamentul materiei, la presiuni ridicate, nu poate fi exclusă existența a cel puțin unei singularități, chiar dacă abateri de la uniformitate. Comportamentul unui univers anizotrop și neomogen în trecut în apropierea unei singularități ar putea fi foarte complex și este foarte dificil să construim aici modele. Este mai ușor să folosiți modelele lui Friedman, care prezic comportamentul universului de la naștere până la moarte (în cazul unei topologii sferice). Deși abaterile de la uniformitate nu ne scapă universul de o singularitate în spațiu-timp, totuși, este posibilcă majoritatea materiei disponibile în prezent în Univers nu a căzut în această singularitate. Explozii de acest fel, atunci când materia de densitate superioară, dar nu infinită, apare în vecinătatea unei singularități, au fost numite „plâns”. Cu toate acestea, teorema lui Hawkin-Ellis cere ca energia și presiunea să rămână pozitive. Nu există nicio garanție că aceste condiții sunt îndeplinite la densități ultra-ridicate de materie.
Există o presupunere că efectele cuantice, dar nu în materie, ci în spațiu-timp (gravitația cuantică), care devin foarte semnificative la valori ridicate ale curburii spațiu-timp, ar putea preveni dispariția Universului într-o singularitate, provocând, de exemplu, un „salt” materie la o densitate suficient de mare. Cu toate acestea, din cauza lipsei unei teorii satisfăcătoare a gravitației cuantice, raționamentul nu oferă concluzii clare. Dacă acceptăm ipoteza „scâncetării” sau „săriturilor” cuantice, înseamnă că spațiul și timpul au existat înainte de aceste evenimente.
După descoperirea expansiunii Universului, în 1946, astrofizicienii britanici Herman Bondi și Thomas Gold au sugerat că, totuși, deoarece Universul este omogen în spațiu, acesta trebuie să fie omogen în timp. În acest caz, ar trebui să se extindă într-un ritm constant și, pentru a preveni o scădere a densității materiei, ar trebui să se formeze continuu noi galaxii, care să umple golurile formate din dispersia galaxiilor existente. Substanța pentru construirea de noi galaxii apare continuu pe măsură ce universul se extinde. Un astfel de univers nu este static, ci staționar: stelele și galaxiile individuale parcurg ciclurile lor de viață, dar, în general, universul nu are început sau sfârșit. Pentru a explica cum apare materia fără a încălca legea conservării energiei,Fred Hoyle a inventat un nou tip de câmp - crearea unui câmp cu energie negativă. Odată cu formarea materiei, energia negativă a acestui câmp este amplificată și energia totală este conservată.
Frecvența producției atomice în acest model este atât de mică încât nu poate fi detectată experimental. Până la mijlocul anilor 60, au fost făcute descoperiri care indică faptul că universul evoluează. Apoi, a fost descoperită radiația termică de fundal, indicând că Universul se afla într-o stare densă și fierbinte în urmă cu câteva miliarde de ani și, prin urmare, nu poate fi staționar.
Cu toate acestea, din punct de vedere filosofic, conceptul de univers care nu este născut și care nu moare este foarte atractiv. Este posibil să se combine meritele filosofice ale universului staționar cu teoria big bang-ului în modelele unui univers oscilant. Acest model cosmologic se bazează pe modelul Friedmann cu contracție, completat de presupunerea că universul nu pier atunci când singularitățile apar la ambele momente „se termină”, ci trece printr-o stare superdensă și face un „salt” în următorul ciclu de expansiune și contracție. Acest proces poate continua la nesfârșit. Cu toate acestea, pentru a nu acumula entropie și radiații de fond din ciclurile anterioare de expansiune-contracție, va trebui să acceptați că în stadiul densității ridicate sunt încălcate toate legile termodinamice (prin urmare, entropia nu se acumulează),cu toate acestea, se presupune că legile teoriei relativității vor fi păstrate. În expresia sa extremă, un astfel de punct de vedere presupune că toate legile și constantele lumii din fiecare ciclu vor fi noi și, deoarece nu se păstrează nimic de la ciclu la ciclu, atunci putem vorbi despre universuri care nu au legătură fizică între ele. Cu același succes, se poate presupune existența simultană a unui ansamblu infinit de universuri, unele dintre ele ar putea fi similare cu ale noastre. Aceste concluzii au un caracter pur filosofic și nu pot fi infirmate nici prin experiment, nici prin observație (13). Cu același succes, se poate presupune existența simultană a unui ansamblu infinit de universuri, unele dintre ele ar putea fi similare cu ale noastre. Aceste inferențe sunt de natură pur filosofică și nu pot fi infirmate nici prin experiment, nici prin observație (13). Cu același succes, se poate presupune existența simultană a unui ansamblu infinit de universuri, unele dintre ele ar putea fi similare cu ale noastre. Aceste inferențe sunt de natură pur filosofică și nu pot fi infirmate nici prin experiment, nici prin observație (13).
Deoarece există multe ipoteze pentru crearea Universului, căutarea unei teorii a totul este la fel de variată - modelul standard, teoria corzilor, teoria M, o teorie extrem de simplă a tuturor, teoriile Marii Uniri etc.
Modelul standard este o construcție teoretică în fizica particulelor elementare care descrie interacțiunile electromagnetice, slabe și puternice ale tuturor particulelor elementare. Modelul standard nu include gravitația. Până acum, toate predicțiile Modelului Standard au fost confirmate prin experiment, uneori cu o precizie fantastică de o milionime de procent. Abia în ultimii ani au început să apară rezultate în care predicțiile modelului standard diferă ușor de experiment și chiar fenomene care sunt extrem de dificil de interpretat în cadrul său. Pe de altă parte, este evident că modelul standard nu poate fi ultimul cuvânt din fizica particulelor, deoarece conține prea mulți parametri externi și, de asemenea, nu include gravitația. Prin urmare, căutarea abaterilor de la modelul standard a fost unul dintre cele mai active domenii de cercetare din ultimii ani.
Teoria corzilor este o ramură a fizicii matematice care studiază dinamica și interacțiunile particulelor nu punctuale, ci ale obiectelor unidimensionale extinse, așa-numitele corzi cuantice. Teoria corzilor combină ideile mecanicii cuantice și teoria relativității, prin urmare, o viitoare teorie a gravitației cuantice va fi construită probabil pe baza sa. Teoria corzilor se bazează pe ipoteza că toate particulele elementare și interacțiunile lor fundamentale apar ca urmare a vibrațiilor și interacțiunilor corzilor cuantice ultramicroscopice la scări de ordinul lungimii Planck de 10-35 m. Această abordare, pe de o parte, evită astfel de dificultăți ale teoriei câmpului cuantic, precum renormalizarea pe de altă parte, conduce la o privire mai profundă asupra structurii materiei și spațiului-timp.
Teoria cuantică a șirurilor a apărut la începutul anilor 1970 ca urmare a înțelegerii formulelor lui Gabriele Veneziano legate de modelele de șiruri cu structură de hadroni. La mijlocul anilor 1980 și la mijlocul anilor 1990 s-a înregistrat dezvoltarea rapidă a teoriei corzilor și se aștepta ca în viitorul apropiat să se formuleze o „teorie a totul” pe baza teoriei corzilor. Dar, în ciuda rigorii matematice și a integrității teoriei, nu s-au găsit încă opțiuni pentru confirmarea experimentală a teoriei corzilor. Teoria care a apărut pentru a descrie fizica hadronică, dar care nu se potrivea prea mult pentru aceasta, s-a găsit într-un fel de vid experimental de descriere a tuturor interacțiunilor.
Teoria M (teoria membranelor) este o teorie fizică modernă creată cu scopul de a combina interacțiunile fundamentale. Așa-numita „brane” (membrană multidimensională) este utilizată ca obiect de bază - un obiect bidimensional extins sau cu un număr mare de dimensiuni. La mijlocul anilor '90, Edward Witten și alți fizicieni teoretici au găsit dovezi puternice că diferite teorii ale superstragurilor reprezintă diferite cazuri limitative ale unei teorii M cu 11 dimensiuni, încă nedezvoltată. La mijlocul anilor 1980, teoreticienii au ajuns la concluzia că supersimetria, care este esențială pentru teoria corzilor, ar putea fi încorporată în ea nu într-unul, ci în cinci moduri diferite, conducând la cinci teorii diferite: tipul I, tipurile IIA și IIB și două teoriile corzilor. Numai unul dintre ei ar putea pretinde că este o „teorie a totul”, și unacare la energii mici și compactate șase dimensiuni suplimentare ar fi de acord cu observații reale. Au rămas întrebări despre care teorie era mai adecvată și ce să facem cu celelalte patru teorii.
O teorie extrem de simplă a tuturor - o teorie unificată a câmpului care unește toate interacțiunile fizice cunoscute care există în natură, propusă de fizicianul american Garrett Lisi la 6 noiembrie 2007. Teoria este interesantă pentru eleganță, dar necesită îmbunătățiri serioase. Unii fizicieni cunoscuți și-au exprimat deja sprijinul pentru aceasta, dar o serie de inexactități și probleme au fost descoperite în teorie.
Teoriile Marii Unificări - în fizica elementară a particulelor, un grup de modele teoretice care descriu într-un mod unificat interacțiunile puternice, slabe și electromagnetice. Se presupune că la energii extrem de mari, aceste interacțiuni se combină. (10)
Putem spune cu deplină încredere că descoperirile și teoriile viitoare vor îmbogăți și nu vor respinge Universul pe care ni l-au descoperit Pitagora, Aristarh, Kepler, Newton și Einstein - un Univers la fel de armonios ca Universul lui Platon și Pitagora, dar construit pe armonia conținută în legi matematice; Universul nu este mai puțin perfect decât Universul lui Aristotel, dar își derivă perfecțiunea din legile abstracte ale simetriei; Un Univers în care golul nemărginit al spațiilor intergalactice este inundat de lumină blândă, purtând mesaje din adâncurile timpului care încă ne sunt de neînțeles; Universul, care are un început în timp, dar nu are început sau sfârșit în spațiu, care, probabil, se va extinde pentru totdeauna și poate că un moment frumos, după ce a încetat să se extindă, va începe să se contracte. Acest univers nu seamănă deloc cu celcare a fost descris în mintea curajoasă a celor care au fost primii care au îndrăznit să pună întrebarea: „Cum este lumea noastră cu adevărat?” Dar cred că, aflând despre asta, nu s-au supărat.
- Prima parte -
