- Del en -
Det nærmeste til å realisere Einsteins drøm kom den lite kjente polske fysikeren Theodor Kaluca, som allerede i 1921 satte seg for å generalisere Einsteins teori ved å inkludere elektromagnetisme i den geometriske formuleringen av feltteori (ligner på hvordan geometrien i romtid beskriver tyngdekraften). Dette burde vært gjort slik at ligningene til Maxwells teori om elektromagnetisme fortsatt ville holde. Kaluza forsto at Maxwells teori ikke kunne formuleres på språket for ren geometri (i den forstand at vi vanligvis forstår det), til og med antatt tilstedeværelsen av et buet rom. Kaluza tok neste skritt etter Einstein, la til den firedimensjonale romtiden en femte (ikke observerbar) forandring der elektromagnetisme er en slags "tyngdekraft" (svake og sterke interaksjoner var ikke kjent da). Spørsmålet oppstår:hvorfor føler vi ikke denne femte dimensjonen på noen måte (i motsetning til de fire første)?
I 1926 foreslo den svenske fysikeren Oskar Klein at vi ikke legger merke til den ekstra dimensjonen fordi den på en eller annen måte har "rullet opp" til en veldig liten størrelse. En liten sløyfe strekker seg fra hvert punkt i rommet til den femte dimensjonen. Vi legger ikke merke til alle disse løkkene på grunn av deres lille størrelse. Klein beregnet omkretsen til sløyfene rundt den femte dimensjonen ved å bruke den kjente verdien av den elektroniske elektriske ladningen til elektronet og andre partikler, så vel som størrelsen på gravitasjonsinteraksjonen mellom partiklene. Den viste seg å være lik 10-32 cm, dvs. 1020 ganger mindre enn størrelsen på en atomkjerne. Derfor er det ikke overraskende at vi ikke merker den femte dimensjonen: den er vridd på skalaer som er mye mindre enn dimensjonene til noen av strukturene vi kjenner, selv i fysikken til subnukleære partikler. Åpenbart, i dette tilfellet, oppstår ikke spørsmålet om bevegelse, si,atom i den femte dimensjonen. Snarere bør denne dimensjonen betraktes som å være innenfor atomet.
I noen tid ble Klauz-Klein-teorien glemt, men da de sterke, svake og elektromagnetiske interaksjonene ble kombinert i en enkelt teori, og det gjenstod å finne en generell teori for dem og for tyngdekraften, ble Klauz-Klein-teorien husket igjen. For å utføre alle nødvendige symmetrioperasjoner var det nødvendig å legge til 7 dimensjoner til (hele rommet som helhet viste seg å være 11-dimensjonalt). Og slik at disse tilleggsdimensjonene ikke blir følte, må de rulles opp i veldig liten skala. Nå oppstår imidlertid spørsmålet: Hvis en dimensjon bare kan rulles inn i en sirkel, kan syv dimensjoner rulles til en figur av forskjellige topologier (enten til en 7-dimensjonal torus, eller til en 7-dimensjonal sfære eller til en annen figur). Den enkleste modellen, som de fleste forskere lener seg mot, er 7-sfæren (7-sfæren). Som forventetde fire tiden observerte dimensjonene av romtid har ikke kollapset, siden denne tilstanden tilsvarer den laveste energien (som alle fysiske systemer har tendens til). Det er en hypotese om at i de tidlige stadiene av universets liv ble alle disse dimensjonene distribuert.
Et stort utvalg av naturlige systemer og strukturer, deres egenskaper og dynamikk bestemmes av samspillet mellom materielle objekter, dvs. deres gjensidige handling mot hverandre. Det er interaksjon som er hovedårsaken til materiens bevegelse, derfor er interaksjon, som bevegelse, universell, dvs. er iboende i alle materielle objekter, uavhengig av opprinnelsesart og systemisk organisering. Funksjoner av forskjellige interaksjoner bestemmer eksistensforholdene og detaljene til egenskapene til materielle objekter.
Samspillende gjenstander utveksler energi og - de viktigste egenskapene til deres bevegelse. I klassisk fysikk bestemmes interaksjon av kraften som en materiell gjenstand virker på en annen.
I lang tid ble det antatt at samspillet mellom materielle gjenstander, selv i stor avstand fra hverandre, overføres umiddelbart gjennom det tomme rommet. Denne uttalelsen er i samsvar med begrepet handling på avstand. Nå er et annet konsept eksperimentelt bekreftet - begrepet kortdistanseinteraksjon: interaksjoner overføres gjennom fysiske felt med en endelig hastighet som ikke overstiger lysets hastighet i vakuum. Dette, i hovedsak, feltkonsept i kvantefeltteori suppleres med utsagnet: i enhver interaksjon er det en utveksling av spesielle partikler - feltkvanta.
Samspillet mellom materielle gjenstander og systemer observert i naturen er veldig mangfoldig. Som vist av fysiske studier kan imidlertid alle interaksjoner tilskrives fire typer grunnleggende interaksjoner: gravitasjon, elektromagnetisk, sterk og svak.
Kampanjevideo:
Gravitasjonsinteraksjon manifesteres i gjensidig tiltrekning av materielle gjenstander med masse. Den overføres ved hjelp av et gravitasjonsfelt og bestemmes av en grunnleggende naturlov - loven om universell gravitasjon. Loven om universell gravitasjon beskriver fallet av materielle legemer i jordens felt, bevegelsen til planetene i solsystemet, stjerner, etc.
I samsvar med kvantefeltsteorien er bærerne av gravitasjonsinteraksjonen gravitoner - partikler med null masse, kvanta av gravitasjonsfeltet. Elektromagnetisk interaksjon er forårsaket av elektriske ladninger og overføres gjennom elektriske og magnetiske felt. Et elektrisk felt oppstår i nærvær av elektriske ladninger, og et magnetfelt - når de beveger seg. Et magnetfelt i endring genererer et vekslende elektrisk felt, som igjen er en kilde til et alternerende magnetfelt.
På grunn av den elektromagnetiske interaksjonen eksisterer atomer og molekyler, kjemiske transformasjoner av materie finner sted. Ulike tilstander av aggregering, friksjon, elastisitet, etc. bestemmes av kreftene til intermolekylær interaksjon, elektromagnetisk i naturen. Elektromagnetisk interaksjon er beskrevet av de grunnleggende lovene for elektrostatikk og elektrodynamikk: Coulombs lov, Amperes lov, etc., og i generalisert form - av Maxwells elektromagnetiske teori, som forbinder de elektriske og magnetiske feltene. Mottak, transformasjon og anvendelse av elektriske og magnetiske felt, samt elektrisk strøm tjener som grunnlag for å skape en rekke moderne tekniske midler: elektriske apparater, radioer, TV-apparater, belysnings- og oppvarmingsenheter, datamaskiner osv.
I henhold til kvanteelektrodynamikk er bærerne av elektromagnetisk interaksjon fotoner - kvanta av det elektromagnetiske feltet med null masse. I mange tilfeller blir de registrert av instrumenter i form av elektromagnetiske bølger av forskjellige lengder. For eksempel er synlig lys oppfattet med det blotte øye, gjennom hvilket størstedelen (ca. 90%) av informasjonen om den omliggende verden reflekteres, en elektromagnetisk bølge i et ganske smalt bølgelengdeområde (ca. 0,4-0,8 mikron), tilsvarende den maksimale solstrålingen.
Den sterke interaksjonen sikrer binding av nukleoner i kjernen. Det bestemmes av atomstyrker som har ladningsuavhengighet, kortdistanshandling, metning og andre egenskaper. Sterke interaksjoner er ansvarlige for stabiliteten til atomkjerner. Jo sterkere samspillet mellom nukleoner i kjernen, jo mer stabil kjernen, jo større er dens spesifikke bindingsenergi. Med en økning i antall nukleoner i kjernen og følgelig størrelsen på kjernen, reduseres den spesifikke bindingsenergien, og kjernen kan forfalle, og det er det som skjer med kjernen til elementene på slutten av det periodiske systemet.
Det antas at den sterke interaksjonen overføres av gluoner - partikler som "limer" kvarkene som utgjør protoner, nøytroner og andre partikler.
Alle elementære partikler, bortsett fra foton, deltar i den svake interaksjonen. Den bestemmer flertallet av forfall av elementære partikler, samspillet mellom nøytrinoer med materie og andre prosesser. Svak interaksjon manifesterer seg hovedsakelig i prosessene med beta-forfall av atomkjerner av mange isotoper, frie nøytroner, etc. Det er generelt akseptert at bærerne av den svake interaksjonen er vioner - partikler med en masse omtrent 100 ganger massen av protoner og nøytroner.
Til dags dato har en enhetlig teori om å beskrive interaksjoner ennå ikke blitt fullstendig utviklet, men de fleste forskere er tilbøyelige til dannelsen av universet som et resultat av Big Bang: i null øyeblikk oppsto universet fra en unikhet, det vil si fra et punkt med null volum og uendelig høy tetthet og temperatur. Selve "begynnelsen" av universet, det vil si at dets tilstand ifølge teoretiske beregninger tilsvarer en radius nær null, unngår til og med et teoretisk begrep. Poenget er at ligningene til relativistisk astrofysikk forblir gyldige opp til en tetthet på ca. 1093 g / cm3. Universet, komprimert til en slik tetthet, hadde en gang en radius i størrelsesorden en ti milliardedel centimeter, det vil si at den var sammenlignbar i størrelse med et proton! Temperaturen på denne mikroversen, forresten, som veide minst 1051 tonn, var utrolig høy og tilsynelatendenær 1032 grader. Universet var en så liten brøkdel av et sekund etter starten på "eksplosjonen". Helt i "begynnelsen" blir både tetthet og temperatur til uendelig, dvs. denne "begynnelsen", ved hjelp av matematisk terminologi, er det spesielle "entall" punktet som ligningene i moderne teoretisk fysikk mister sin fysiske betydning for. Men dette betyr ikke at det ikke var noe før "begynnelsen": vi kan rett og slett ikke forestille oss hva som var før den betingede "begynnelsen" av universet. (3)at det ikke var noe før "begynnelsen": vi kan rett og slett ikke forestille oss hva som var før den betingede "begynnelsen" av universet. (3)at det ikke var noe før "begynnelsen": vi kan rett og slett ikke forestille oss hva som var før den betingede "begynnelsen" av universet. (3)
Da universets alder nådde hundredels sekund, falt temperaturen til ca 1011 K, og falt under terskelverdien som protoner og nøytroner kan produseres ved, noen av disse partiklene slapp utslettelse - ellers ville det ikke være noe i vårt moderne univers. Ett sekund etter Big Bang falt temperaturen til 10 10 K, og nøytrinoer sluttet å samhandle med materie. Universet har blitt praktisk talt "gjennomsiktig" for nøytrinoer. Elektroner og positroner fortsatte å utslette og dukke opp igjen, men etter ca. 10 sekunder falt nivået av strålingsenergitetthet under terskelen, og et stort antall elektroner og positroner ble til stråling fra en katastrofal prosess med gjensidig utslettelse. På slutten av denne prosessen gjenstår det imidlertid et visst antall elektroner, tilstrekkelig tilå forene seg med protoner og nøytroner, gi opphav til den mengden materie som vi observerer i dag i universet.
Universets videre historie er roligere enn den turbulente begynnelsen. Ekspansjonshastigheten avtok gradvis, temperaturen, som gjennomsnittstettheten, sank gradvis, og da universet var en million år gammelt, ble temperaturen så lav (3500 grader Kelvin) at protoner og kjerner av heliumatomer allerede kunne fange frie elektroner og bli til nøytrale atomer. Fra dette øyeblikket begynner egentlig det moderne stadiet i universets evolusjon. Galakser, stjerner, planeter dukker opp. Til slutt, mange milliarder år senere, ble universet det vi ser det.
Men dette er ikke den eneste hypotesen. I følge en av hypotesene begynte universet å ekspandere kaotisk og tilfeldig, og deretter oppsto en viss orden under virkningen av en eller annen mekanisme for spredning (demping). En slik antagelse om fullstendig primærkaos, i motsetning til fullstendig primær symmetri, er attraktiv fordi den ikke krever "å skape" universet i noen strengt definert tilstand. Hvis forskere klarer å finne en passende dempningsmekanisme, vil dette gjøre det mulig å matche et veldig bredt spekter av innledende forhold med den nå observerbare formen av universet.
En av de mest utbredte hypotesene om spredningsmekanismen er hypotesen om dannelsen av partikler og antipartikler fra energien produsert av tidevannseffekter i et gravitasjonsfelt. Partikler og antipartikler blir født i et buet "tomt" rom (ligner tilfellet med plass buet av et svart hull), og rommet reagerer på en slik fødsel ved å redusere krumningen. Jo mer romtiden er buet, jo mer intens oppstår dannelsen av partikler og antipartikler. I et inhomogent univers burde slike effekter ha utlignet alt, og skapt en tilstand av homogenitet. Det er til og med mulig at all materie i universet oppsto på denne måten, og ikke fra en egenart. En slik prosess krever ikke fødsel av materie uten antimateriale, som i den opprinnelige singulariteten. Vanskeligheten med denne hypotesen er imidlertid atat det ennå ikke har vært mulig å finne en mekanisme for å skille materie og antimateriale som ikke ville tillate de fleste av dem å utslette igjen.
På den ene siden kan eksistensen av inhomogeniteter redde oss fra singulariteten, men George Ellis og Stephen Hawking ved bruk av matematiske modeller viste at det å ta hensyn til noen veldig troverdige forslag om materiens oppførsel, ved høyt trykk, at eksistensen av minst en singularitet ikke kan utelukkes, selv om avvik fra ensartethet. Oppførselen til et anisotropisk og inhomogent univers tidligere i nærheten av en singularitet kan være veldig kompleks, og det er veldig vanskelig å bygge noen modeller her. Det er lettere å bruke Friedmans modeller, som forutsier universets oppførsel fra fødsel til død (i tilfelle en sfærisk topologi). Selv om avvik fra uniformitet ikke kvitter universet vårt for enestående i romtid, er det likevel muligat det meste av den nåværende tilgjengelige saken i universet ikke falt i denne unike. Eksplosjoner av denne typen, når spørsmål om superhøy, men ikke uendelig tetthet, dukker opp i nærheten av en unikhet, ble kalt "sutre". Hawkin-Ellis-teoremet krever imidlertid at energien og trykket forblir positive. Det er ingen garanti for at disse forholdene oppfylles ved ultrahøy tetthet av materie.
Det er en antagelse om at kvanteeffekter, men ikke i materie, men i romtid (kvantegravitasjon), som blir veldig signifikante ved høye verdier av rom-tid-krumning, kan forhindre at universet forsvinner i en singularitet og forårsaker for eksempel en "sprett" materie med tilstrekkelig høy tetthet. På grunn av mangelen på en tilfredsstillende teori om kvantegravitasjon gir resonnementet imidlertid ikke klare konklusjoner. Hvis vi aksepterer hypotesen om "klynke" eller kvante "sprett", betyr det at rom og tid eksisterte før disse hendelsene.
Etter oppdagelsen av utvidelsen av universet, i 1946, foreslo britiske astrofysikere Herman Bondi og Thomas Gold at det likevel, siden universet er homogent i verdensrommet, må være homogent i tide. I dette tilfellet bør den ekspandere med konstant hastighet, og for å forhindre en reduksjon i tetthet av materie, bør nye galakser dannes kontinuerlig, som vil fylle hullene som dannes fra spredningen av eksisterende galakser. Stoff for å bygge nye galakser vises kontinuerlig når universet utvides. Et slikt univers er ikke statisk, men stasjonært: individuelle stjerner og galakser går gjennom livssyklusene sine, men generelt har universet ingen begynnelse eller slutt. For å forklare hvordan materie vises uten å bryte loven om energibesparelse,Fred Hoyle oppfant en ny type felt - å skape et felt med negativ energi. Med dannelsen av materie forsterkes den negative energien i dette feltet og den totale energien konserveres.
Produksjonsfrekvensen til atomer i denne modellen er så lav at den ikke kan oppdages eksperimentelt. På midten av 60-tallet hadde det blitt gjort funn som tydet på at universet utviklet seg. Deretter ble det oppdaget termisk stråling i bakgrunnen, noe som indikerer at universet var i en varm tett tilstand for flere milliarder år siden og derfor ikke kan være stasjonær.
Likevel, fra et filosofisk synspunkt, er begrepet et ikke-født og ikke-døende univers veldig attraktivt. Det er mulig å kombinere de filosofiske fordelene ved det stasjonære universet med big bang-teorien i modeller av et oscillerende univers. Denne kosmologiske modellen er basert på Friedmann-modellen med sammentrekning, supplert med antagelsen om at universet ikke går til grunne når singulariteter oppstår begge gangene "ender", men går gjennom en supertett tilstand og gjør et "hopp" inn i neste syklus av ekspansjon og sammentrekning. Denne prosessen kan fortsette på ubestemt tid. For å ikke akkumulere entropi og bakgrunnsstråling fra tidligere ekspansjonssammentrekkssykluser, må man imidlertid akseptere at på det tidspunktet med høy tetthet alle termodynamiske lover blir brutt (derfor akkumuleres ikke entropi),det antas imidlertid at lovene i relativitetsteorien vil bli bevart. I sitt ekstreme uttrykk forutsetter et slikt synspunkt at alle lover og verdenskonstanter i hver syklus vil være nye, og siden ingenting er bevart fra syklus til syklus, så kan vi snakke om universer som fysisk ikke er knyttet til hverandre. Med samme suksess kan man anta den samtidige eksistensen av et uendelig ensemble av universer, noen av dem kan være lik vårt. Disse slutningene er av rent filosofisk art og kan ikke tilbakevises verken ved eksperiment eller observasjon. (13)Med samme suksess kan man anta den samtidige eksistensen av et uendelig ensemble av universer, noen av dem kan være lik vårt. Disse konklusjonene er kun filosofiske og kan ikke tilbakevises verken ved eksperiment eller observasjon. (13)Med samme suksess kan man anta den samtidige eksistensen av et uendelig ensemble av universer, noen av dem kan være lik vårt. Disse konklusjonene er kun filosofiske og kan ikke tilbakevises verken ved eksperiment eller observasjon. (13)
Siden det er mange hypoteser for opprettelsen av universet, er søket etter en teori om alt like variert - standardmodellen, strengteori, M-teori, en ekstremt enkel teori om alt, teorier om den store foreningen, etc.
Standardmodellen er en teoretisk konstruksjon i elementær partikkelfysikk som beskriver de elektromagnetiske, svake og sterke interaksjonene mellom alle elementære partikler. Standardmodellen inkluderer ikke tyngdekraften. Inntil nå er alle spådommer fra standardmodellen bekreftet av eksperiment, noen ganger med en fantastisk nøyaktighet på en milliondel av en prosent. Det er først de siste årene at resultater har begynt å dukke opp der prediksjonene av standardmodellen er litt i strid med eksperimentet, og til og med fenomener som er ekstremt vanskelige å tolke innenfor dens rammer. På den annen side er det åpenbart at standardmodellen ikke kan være det siste ordet i partikkelfysikk, fordi den inneholder for mange eksterne parametere, og heller ikke inkluderer tyngdekraften. Derfor har søket etter avvik fra standardmodellen vært et av de mest aktive forskningsområdene de siste årene.
Strengteori er en gren av matematisk fysikk som studerer dynamikken og samspillet mellom ikke punktpartikler, men endimensjonale utvidede objekter, de såkalte kvantestrengene. Strengteori kombinerer ideene til kvantemekanikk og relativitetsteorien, derfor vil en fremtidig teori om kvantegravitasjon trolig bli bygget på grunnlaget. Strengteori er basert på hypotesen om at alle elementære partikler og deres grunnleggende interaksjoner oppstår som et resultat av vibrasjoner og interaksjoner av ultramikroskopiske kvantestrenger på skalaer i størrelsesorden Planck-lengde på 10-35 m. Denne tilnærmingen, på den ene siden, unngår slike vansker med kvantefeltteori som renormalisering derimot fører til en dypere titt på materiens struktur og romtid.
Kvantestrengteori oppsto tidlig på 1970-tallet som et resultat av forståelsen av Gabriele Venezianos formler relatert til strengmodeller av hadronstruktur. Midt på 1980-tallet og midten av 1990-tallet så en streng utvikling av strengteori, og det var forventet at en "teori om alt" i nær fremtid ville bli formulert på grunnlag av strengteori. Men til tross for teoriens matematiske strenghet og integritet, har det ennå ikke blitt funnet noen muligheter for eksperimentell bekreftelse av strengteori. Teorien som oppsto for å beskrive hadronisk fysikk, men som ikke passet helt til dette, befant seg i et slags eksperimentelt vakuum med beskrivelse av alle interaksjoner.
M-teori (membranteori) er en moderne fysisk teori opprettet med sikte på å kombinere grunnleggende interaksjoner. Den såkalte "brane" (flerdimensjonal membran) brukes som basisobjekt - et utvidet todimensjonalt objekt eller med et stort antall dimensjoner. På midten av 1990-tallet fant Edward Witten og andre teoretiske fysikere sterke bevis for at forskjellige superstrengsteorier representerer forskjellige begrensende tilfeller av en ennå ikke utviklet 11-dimensjonal M-teori. På midten av 1980-tallet kom teoretikerne til den konklusjonen at supersymmetri, som er sentral i strengteori, ikke kunne innlemmes i den på bare én, men fem forskjellige måter, noe som førte til fem forskjellige teorier: type I, type IIA og IIB og to heterotiske strengteorier. Bare en av dem kunne hevde å være en "teori om alt", og den enesom ved lave energier og komprimerte seks ekstra dimensjoner stemmer overens med reelle observasjoner. Spørsmål forble om hvilken teori som var mer adekvat og hva de skulle gjøre med de fire andre teoriene.
En usedvanlig enkel teori om alt - en enhetlig feltteori som forener alle kjente fysiske interaksjoner som eksisterer i naturen, foreslått av den amerikanske fysikeren Garrett Lisi 6. november 2007. Teorien er interessant for sin eleganse, men den krever seriøs forbedring. Noen kjente fysikere har allerede uttrykt sin støtte for det, men en rekke unøyaktigheter og problemer har blitt oppdaget i teorien.
Grand Unification teorier - i elementær partikkelfysikk, en gruppe teoretiske modeller som på en enhetlig måte beskriver de sterke, svake og elektromagnetiske interaksjonene. Det antas at ved ekstremt høy energi kombineres disse interaksjonene. (10)
Det kan sies med full tillit at fremtidige oppdagelser og teorier vil berike, og ikke forkaste, det universet som Pythagoras, Aristarchus, Kepler, Newton og Einstein oppdaget for oss - et univers som er like harmonisk som Universet av Platon og Pythagoras, men bygget på harmonien inneholdt i matematiske lover; Universet er ikke mindre perfekt enn Aristoteles-universet, men henter sin perfeksjon fra de abstrakte symmetri-lovene; Et univers der det grenseløse tomrummet til intergalaktiske rom oversvømmes med mykt lys, som bærer meldinger fra dypet av tiden som fremdeles er uforståelige for oss; Universet, som har en begynnelse i tid, men som ikke har noen begynnelse eller slutt i rommet, som kanskje vil utvide seg for alltid, og kanskje et fint øyeblikk, etter å ha sluttet å utvide seg, vil begynne å trekke seg sammen. Dette universet er ikke i det hele tatt som detsom ble avbildet i de modige hodene til de som var de første som våger å stille spørsmålet: "Hvordan er vår verden egentlig?" Men jeg tror at når de lærte om det, var de ikke opprørte.
- Del en -
