- Partea a doua -
Teoria Unificată a Universului sau Teoria Totului este o ipotetică teorie fizică și matematică unificată care descrie toate interacțiunile fundamentale cunoscute. Termenul a fost inițial folosit ironic pentru a se referi la o varietate de teorii generalizate. De-a lungul timpului, termenul s-a înrădăcinat în popularizarea fizicii cuantice pentru a desemna o teorie care ar combina toate cele patru interacțiuni fundamentale din natură: interacțiuni gravitaționale, electromagnetice, puternice și nucleare. Mai mult, trebuie să explice existența tuturor particulelor elementare. Căutarea unei teorii unificate este numită unul dintre obiectivele principale ale științei moderne.
Ideea unei teorii unificate a apărut datorită cunoștințelor acumulate de mai mult de o generație de oameni de știință. Pe măsură ce cunoștințele au fost dobândite, înțelegerea omenirii despre lumea înconjurătoare și legile ei s-a extins. Întrucât tabloul științific al lumii este o formațiune generalizată, sistemică, schimbarea sa radicală nu poate fi redusă la o descoperire științifică separată, chiar dacă este cea mai mare. Acesta din urmă poate da naștere, totuși, unui fel de reacție în lanț capabil să dea o serie întreagă, un complex de descoperiri științifice, care va duce în cele din urmă la o schimbare a imaginii științifice a lumii. În acest proces, cele mai importante, desigur, sunt descoperirile din științele fundamentale pe care se bazează. În plus, amintindu-ne că știința este în primul rând o metodă, nu este dificil să presupunem că o schimbare a imaginii științifice a lumii ar trebui să însemne și o restructurare radicală a metodelor de obținere a cunoștințelor noi,inclusiv schimbări în chiar normele și idealurile științei.
Dezvoltarea ideii de lume nu a avut loc imediat. Astfel de schimbări radicale clar și fără echivoc fixate în imaginile științifice ale lumii, adică Există trei revoluții științifice în istoria dezvoltării științei în general și a științelor naturale în special. Dacă sunt personificate de numele oamenilor de știință care au jucat cel mai vizibil rol în aceste evenimente, atunci cele trei revoluții științifice globale ar trebui numite aristotelice, newtoniene și ale lui Einstein.
În secolele VI - IV. Î. Hr. a avut loc prima revoluție în cunoașterea lumii, în urma căreia s-a născut știința însăși. Sensul istoric al acestei revoluții constă în a distinge știința de alte forme de cunoaștere și a stăpâni lumea, în crearea anumitor norme și modele pentru construirea cunoștințelor științifice. Desigur, problema originii Universului a ocupat mintea oamenilor de foarte mult timp.
Potrivit mai multor mituri iudeo-creștine-musulmane, universul nostru a apărut într-un anumit moment și nu foarte îndepărtat în timp. Una dintre bazele unor astfel de credințe a fost necesitatea de a găsi „cauza principală” a universului. Orice eveniment din Univers este explicat prin indicarea cauzei sale, adică un alt eveniment care s-a întâmplat mai devreme; o astfel de explicație a existenței Universului în sine este posibilă numai dacă acesta a avut un început. Un alt motiv a fost prezentat de fericitul Augustin (Biserica Ortodoxă consideră că Augustin este binecuvântat, iar Biserica Catolică - sfântă). în cartea „Orașul lui Dumnezeu”. El a subliniat că civilizația progresează și ne amintim cine a săvârșit una sau alta faptă și cine a inventat ce. Prin urmare, este puțin probabil ca umanitatea și, prin urmare, probabil Universul să existe pentru o perioadă foarte lungă de timp. Fericitul Augustin a considerat o dată acceptabilă pentru crearea Universului, corespunzătoare cărții Genezei: aproximativ 5000 î. Hr. (Interesant este că această dată nu este atât de departe de sfârșitul ultimei ere glaciare - 10.000 î. Hr., pe care arheologii o consideră începutul civilizației).
Aristotel și majoritatea celorlalți filozofi greci nu au plăcut ideea creației universului, deoarece a fost asociată cu intervenția divină. Prin urmare, au crezut că oamenii și lumea din jurul lor au existat și vor continua să existe pentru totdeauna. Oamenii de știință din vechime au luat în considerare argumentul referitor la progresul civilizației și au decis că inundațiile și alte cataclisme au avut loc periodic în lume, ceea ce a readus omenirea tot timpul la punctul de plecare al civilizației.
Aristotel a creat logica formală, adică de fapt, doctrina probei este instrumentul principal pentru obținerea și sistematizarea cunoștințelor; a dezvoltat un aparat categoric și conceptual; a aprobat un fel de canon pentru organizarea cercetării științifice (istoricul problemei, enunțul problemei, argumentele „pentru” și „împotriva”, justificarea deciziei); cunoașterea științifică diferențiată în mod obiectiv în sine, separând științele naturii de metafizică (filozofie), matematică etc. Normele naturii științifice a cunoașterii stabilite de Aristotel, modelele de explicație, descriere și justificare în știință s-au bucurat de o autoritate incontestabilă de mai bine de o mie de ani și multe (legile logicii formale, de exemplu) sunt încă eficiente.
Video promotional:
Cel mai important fragment al imaginii științifice antice a lumii a fost doctrina geocentrică consistentă a sferelor lumii. Geocentrismul acelei ere nu era deloc o descriere „naturală” a faptelor direct observabile. A fost un pas dificil și curajos către necunoscut: la urma urmei, pentru unitatea și consistența structurii cosmosului, a fost necesar să se completeze emisfera cerească vizibilă cu una invizibilă analogă, să se admită posibilitatea existenței antipodelor, adică locuitorii din partea opusă a globului etc.
Aristotel a crezut că Pământul este nemișcat, iar Soarele, Luna, planetele și stelele se învârt în jurul său pe orbite circulare. A crezut așa, pentru că, în conformitate cu punctele sale de vedere mistice, el a considerat Pământul centrul universului, iar mișcarea circulară - cea mai perfectă. Ptolemeu a dezvoltat ideea lui Aristotel într-un model cosmologic complet în secolul al II-lea. Pământul stă în centru, înconjurat de opt sfere care poartă Luna, Soarele și cinci planete cunoscute atunci: Mercur, Venus, Marte, Jupiter și Saturn (Fig. 1.1). Planetele în sine, credea Ptolemeu, se mișcă în cercuri mai mici atașate la sferele corespunzătoare. Acest lucru a explicat calea foarte dificilă pe care, după cum vedem, o iau planetele. În ultima sferă există stele fixe, care, rămânând în aceeași poziție una față de cealaltă, se mișcă prin cer toate împreună ca întreg. Ceea ce se află în spatele ultimei sfere nu a fost explicat, dar în orice caz nu mai face parte din Univers pe care omenirea îl observă.
Modelul lui Ptolemeu a făcut posibilă prezicerea bine a poziției corpurilor cerești în firmament, dar pentru o predicție exactă a trebuit să accepte că traiectoria Lunii în unele locuri se apropie de Pământ de 2 ori mai aproape decât în altele! Aceasta înseamnă că într-o poziție Luna ar trebui să apară de 2 ori mai mare decât în alta! Ptolemeu era conștient de acest defect, dar totuși teoria sa a fost acceptată, deși nu peste tot. Biserica creștină a acceptat modelul Ptolemaic al universului ca fiind incompatibil cu Biblia, deoarece acest model a fost foarte bun prin faptul că a lăsat mult spațiu pentru iad și cer în afara sferei stelelor fixe. Cu toate acestea, în 1514 preotul polonez Nicolaus Copernic a propus un model și mai simplu. (La început, temându-se, poate, că Biserica îl va declara eretic, Copernic și-a propagat modelul în mod anonim). Ideea lui a fostcă Soarele este staționar în centru, iar Pământul și alte planete se învârt în jurul său în orbite circulare. A trecut aproape un secol înainte ca ideea lui Copernic să fie luată în serios. Doi astronomi - germanul Kepler și italianul Galileo Galilei - au susținut public teoria lui Copernic, chiar dacă orbitele prezise de Copernic nu coincideau cu cele observate. Teoria lui Aristotel-Ptolemeu a luat sfârșit în 1609, când Galileo a început să observe cerul nopții cu noul său telescop inventat. Îndreptând un telescop către planeta Jupiter, Galileo a descoperit câțiva sateliți mici, sau lunile, care orbitează în jurul lui Jupiter. Aceasta însemna că nu toate corpurile cerești trebuie să se învârtă în mod necesar în jurul Pământului, așa cum credeau Aristotel și Ptolemeu. (Desigur, s-ar putea lua în considerarecă Pământul se odihnește în centrul universului, iar lunile lui Jupiter se mișcă de-a lungul unei căi foarte complexe în jurul Pământului, astfel încât pare doar că se învârt în jurul lui Jupiter. Cu toate acestea, teoria lui Copernic a fost mult mai simplă.) În același timp, Johannes Kepler a modificat teoria lui Copernic, pe baza presupunerii că planetele nu se mișcă în cercuri, ci în elipse (o elipsă este un cerc alungit). În cele din urmă, acum predicțiile au coincis cu observațiile. În cele din urmă, acum predicțiile au coincis cu rezultatele observațiilor. În cele din urmă, acum predicțiile au coincis cu rezultatele observațiilor.
În ceea ce-l privește pe Kepler, orbitele sale eliptice erau o ipoteză artificială și, mai mult, „inelegantă”, întrucât o elipsă este o figură mult mai puțin perfectă decât un cerc. Constatând aproape întâmplător că orbitele eliptice erau în acord cu observațiile, Kepler nu a reușit să împace acest fapt cu ideea sa că planetele se învârt în jurul soarelui sub influența forțelor magnetice. Explicația a venit abia mult mai târziu, în 1687, când Isaac Newton și-a publicat cartea „Principiile matematice ale filosofiei naturale”. Newton în ea a propus nu numai o teorie a mișcării corpurilor materiale în timp și spațiu, dar a dezvoltat și metode matematice complexe necesare pentru a analiza mișcarea corpurilor cerești.
În plus, Newton a postulat legea gravitației universale, conform căreia fiecare corp din Univers este atras de orice alt corp cu forța mai mare, cu atât este mai mare masa acestor corpuri și cu cât este mai mică distanța dintre ele. Aceasta este chiar forța care face corpurile să cadă la pământ. (Povestea că Newton a fost inspirat de un măr care i-a căzut pe cap este aproape sigur de nesiguranță. Newton însuși a spus despre asta doar că ideea gravitației a venit atunci când stătea într-o „dispoziție contemplativă” și „motivul a fost căderea mărului)) …
Mai mult, Newton a arătat că, conform legii sale, Luna sub influența forțelor gravitaționale se mișcă pe o orbită eliptică în jurul Pământului, iar Pământul și planetele se rotesc în orbite eliptice în jurul Soarelui. (8) Modelul lui Newton este un corp care se mișcă uniform în spațiul infinit absolut și direct, până când acest corp este acționat de o forță (prima lege a mecanicii) sau de două corpuri care acționează unul pe celălalt cu forțe egale și opuse (a treia lege a mecanicii); forța însăși este considerată a fi pur și simplu cauza accelerației corpurilor în mișcare (a doua lege a mecanicii), adică ca și când ar exista de la sine și de unde nu provine.
Newton a păstrat considerația mecanicii ca o teorie fizică universală. În secolul al XIX-lea. acest loc a fost luat de o imagine mecanicistă a lumii, incluzând mecanica, termodinamica și teoria cinetică a materiei, teoria elastică a luminii și electromagnetismul. Descoperirea electronului a stimulat o revizuire a ideilor. La sfârșitul secolului, H. Lorenz și-a construit teoria electronică pentru a acoperi toate fenomenele naturale, dar nu a realizat acest lucru. Problemele asociate cu discreția sarcinii și continuitatea câmpului, precum și problemele din teoria radiațiilor („catastrofă ultravioletă”) au condus la crearea unei imagini cu câmp cuantic a lumii și a mecanicii cuantice.
Un exemplu clasic de utilizare a conceptelor abstracte pentru a explica natura a fost dat în 1915 de Einstein, care și-a publicat teoria generală a relativității cu adevărat epocală. Această lucrare este una dintre puținele care marchează puncte de cotitură în percepția omului despre lumea din jur. Frumusețea teoriei lui Einstein se datorează nu numai puterii și eleganței ecuațiilor câmpului gravitațional, ci și radicalismului copleșitor al opiniilor sale. Relativitatea generală a proclamat cu încredere că gravitația este geometria spațiului curbat. Conceptul de accelerație în spațiu a fost înlocuit de conceptul de curbură a spațiului. (2)
După crearea SRT, era de așteptat ca acoperirea universală a lumii naturale să poată fi asigurată de o imagine electromagnetică a lumii, care combina teoria relativității, teoria și mecanica lui Maxwell, dar această iluzie a fost curând risipită.
Teoria specială a relativității (SRT) (teoria specială a relativității; mecanica relativistă) este o teorie care descrie mișcarea, legile mecanicii și relațiile spațiu-timp la viteze apropiate de viteza luminii. În cadrul teoriei speciale a relativității, mecanica clasică a lui Newton este o aproximare cu viteză redusă. Generalizarea SRT pentru câmpurile gravitaționale se numește teoria generală a relativității (GRT). SRT se bazează pe două postulate:
1. În toate cadrele de referință inerțiale, viteza luminii este neschimbată (este invariantă) și nu depinde de mișcarea sursei, a receptorului sau a cadrului în sine. În mecanica clasică a lui Galileo - Newton, viteza apropierii relative a două corpuri este întotdeauna mai mare decât viteza acestor corpuri și depinde atât de viteza unui obiect, cât și de viteza altuia. Prin urmare, ne este greu să credem că viteza luminii nu depinde de viteza sursei sale, dar acesta este un fapt științific.
2. Spațiul și timpul real formează un singur continuum spațiu-timp cu patru dimensiuni, astfel încât în timpul tranziției dintre cadrele de referință valoarea intervalului spațiu-timp dintre evenimente rămâne neschimbată. În SRT nu există evenimente simultane în toate cadrele de referință. Aici, două evenimente, simultane într-un cadru de referință, arată diferit în timp din punctul de vedere al altuia, în mișcare sau în repaus, cadru de referință.
Teoria specială a relativității păstrează toate definițiile de bază ale fizicii clasice - impuls, muncă, energie. Cu toate acestea, apare și ceva nou: în primul rând, dependența masei de viteza de mișcare. Prin urmare, nu se poate folosi expresia clasică pentru energia cinetică, deoarece a fost obținută sub ipoteza că masa obiectului rămâne neschimbată.
Mulți teoreticieni au încercat să îmbrățișeze gravitația și electromagnetismul cu ecuații unificate. Sub influența lui Einstein, care a introdus spațiu-timp cu patru dimensiuni, s-au construit teorii de câmp multidimensional în încercarea de a reduce fenomenele la proprietățile geometrice ale spațiului.
Unificarea a fost realizată pe baza independenței stabilite a vitezei luminii pentru diferiți observatori care se deplasează în spațiu gol în absența forțelor externe. Einstein a descris linia lumii a obiectului pe un plan (Fig. 2), unde axa spațială este direcționată orizontal, iar axa temporală este direcționată vertical. Apoi linia verticală este linia mondială a obiectului, care este în repaus în cadrul de referință dat, iar linia oblică este obiectul care se deplasează cu o viteză constantă. Linia lumii curbate corespunde mișcării accelerate a obiectului. Orice punct de pe acest plan corespunde unei poziții într-un loc dat la un moment dat și se numește eveniment. În acest caz, gravitația nu mai este o forță care acționează asupra unui fundal pasiv de spațiu și timp, ci este o distorsiune a spațiului-timp în sine. La urma urmei, câmpul gravitațional este „curbura spațiului-timp.
Fig. 2. Diagrama spațiu-timp
La scurt timp după crearea sa (1905), teoria relativității speciale a încetat să se potrivească lui Einstein și a început să lucreze la generalizarea ei. Același lucru s-a întâmplat și cu relativitatea generală. În 1925, Einstein a început să lucreze la teoria pe care a fost destinat să o studieze cu scurte întreruperi până la sfârșitul zilelor sale. Principala problemă care l-a îngrijorat - natura surselor de câmp - avea deja o anumită istorie până când Einstein a preluat-o. De ce particulele nu se destramă, de exemplu? La urma urmei, un electron poartă o sarcină negativă, iar sarcinile negative se resping reciproc, adică electronul ar trebui să explodeze din interior din cauza respingerii zonelor învecinate!
Într-un anumit sens, această problemă a persistat până în prezent. Nu a fost încă construită o teorie satisfăcătoare care descrie forțele care acționează în interiorul electronului, dar dificultățile pot fi ocolite presupunând că electronul nu are o structură internă - este o sarcină punctuală care nu are dimensiuni și, prin urmare, nu poate fi ruptă din interior.
Cu toate acestea, este general acceptat faptul că principalele dispoziții ale cosmologiei moderne - știința structurii și evoluției Universului - au început să se formeze după crearea în 1917 de către A. Einstein a primului model relativist bazat pe teoria gravitației și care pretindea că descrie întregul Univers. Acest model a caracterizat starea staționară a Universului și, după cum arată observațiile astrofizice, sa dovedit a fi incorect.
Un pas important în rezolvarea problemelor cosmologice a fost făcut în 1922 de către profesorul Universității Petrograd A. A. Friedman (1888-1925). Ca urmare a rezolvării ecuațiilor cosmologice, el a ajuns la concluzia: Universul nu poate fi într-o stare staționară - toate galaxiile se îndepărtează într-o direcție înainte una de cealaltă și, prin urmare, toate se aflau în același loc.
Următorul pas a fost făcut în 1924, când astronomul american E. Hubble (1889-1953) a măsurat distanța până la galaxiile din apropiere (numite în acel moment nebuloase) la Observatorul Mount Wilson din California și, prin urmare, a descoperit lumea galaxiilor. Când astronomii au început să studieze spectrele stelelor din alte galaxii, a fost descoperit ceva și mai ciudat: propria noastră galaxie avea aceleași seturi caracteristice de culori lipsă ca stelele, dar toate au fost deplasate cu aceeași cantitate spre capătul roșu al spectrului. Lumina vizibilă este vibrațiile sau undele câmpului electromagnetic. Frecvența (numărul de unde pe secundă) a vibrațiilor luminii este extrem de mare - de la patru sute la șapte sute de milioane de unde pe secundă. Ochiul uman percepe lumina de frecvențe diferite ca culori diferite, frecvențele cele mai mici corespunzând capătului roșu al spectrului,iar cel mai înalt până la violet. Imaginați-vă o sursă de lumină situată la o distanță fixă de noi (de exemplu, o stea), care emite unde de lumină la o frecvență constantă. Evident, frecvența undelor de intrare va fi aceeași cu cea cu care sunt emise (chiar dacă câmpul gravitațional al galaxiei este mic și influența sa este nesemnificativă). Să presupunem acum că sursa începe să se miște în direcția noastră. Când se emite următoarea undă, sursa va fi mai aproape de noi și, prin urmare, timpul necesar pentru ca creasta acestei unde să ajungă la noi va fi mai mică decât în cazul unei stele fixe. În consecință, timpul dintre crestele celor două valuri sosite va fi mai mic, iar numărul de valuri pe care le primim într-o secundă (adică frecvența) va fi mai mare decât atunci când steaua era staționară. Când sursa este eliminată, frecvența undelor de intrare va fi mai mică. Inseamna,că spectrele stelelor în retragere vor fi schimbate în roșu (redshift), iar spectrele stelelor care se apropie ar trebui să experimenteze o schimbare violetă. Această relație dintre viteză și frecvență se numește efect Doppler, iar acest efect este comun chiar și în viața noastră de zi cu zi. Efectul Doppler este utilizat de polițiști, care determină viteza vehiculelor de departe prin frecvența semnalelor radio reflectate de acestea.
După ce a demonstrat că există alte galaxii, Hubble și-a dedicat toți anii următori compilării cataloagelor de distanțe ale acestor galaxii și observării spectrelor lor. În acea perioadă, majoritatea oamenilor de știință credeau că mișcarea galaxiilor este aleatorie și, prin urmare, spectrele deplasate spre partea roșie ar trebui să fie observate la fel de mult ca cele deplasate spre violet. Ce surpriză a fost când majoritatea galaxiilor au arătat o deplasare spre roșu a spectrelor, adică s-a dovedit că aproape toate galaxiile se îndepărtează de noi! Și mai surprinzătoare a fost descoperirea publicată de Hubble în 1929: Hubble a descoperit că nici magnitudinea deplasării spre roșu nu este aleatorie, ci este direct proporțională cu distanța de la noi la galaxie. Cu alte cuvinte, cu cât o galaxie este mai departe, cu atât se îndepărtează mai repede! Și asta însemna că universul nu putea fi static, așa cum se credea anterior,că, de fapt, se extinde continuu și distanțele dintre galaxii cresc tot timpul.
Extinderea universului înseamnă că în trecut volumul său a fost mai mic decât este acum. Dacă timpul este inversat în modelul universului dezvoltat de Einstein și Friedman, evenimentele se vor inversa, ca într-un film jucat de la sfârșit. Apoi se dovedește că în urmă cu aproximativ 13 miliarde de ani, raza Universului era foarte mică, adică greutatea galaxiei, mediul interstelar și radiația - într-un cuvânt, tot ceea ce alcătuiește acum Universul era concentrat într-un volum neglijabil, aproape de zero. Această stare superdensă și super-fierbinte primară a Universului nu are analogi în realitatea noastră contemporană. Se presupune că la acel moment densitatea substanței Universului era comparabilă cu densitatea nucleului atomic și întregul Univers era o imensă picătură nucleară. Din anumite motive, scăderea nucleară a fost într-o stare instabilă și a explodat. Această presupunere se află în centrul conceptului big bang.
- Partea a doua -
