- Del to -
The Unified Theory of the Universe, eller Theory of Everything, er en hypotetisk enhetlig fysisk og matematisk teori som beskriver alle kjente grunnleggende interaksjoner. Opprinnelig ble dette begrepet brukt på en ironisk måte for å referere til en rekke generaliserte teorier. Over tid ble begrepet forankret i populariseringen av kvantefysikk for å betegne en teori som ville kombinere alle fire grunnleggende interaksjoner i naturen: gravitasjons, elektromagnetisk, sterk kjernefysisk og svak kjernefysisk interaksjon. Videre må den forklare eksistensen av alle elementære partikler. Søket etter en enhetlig teori kalles et av hovedmålene for moderne vitenskap.
Ideen om en enhetlig teori oppsto takket være kunnskapen samlet av mer enn en generasjon forskere. Etter hvert som kunnskap ble oppnådd utvidet menneskehetens forståelse av omverdenen og dens lover. Siden det vitenskapelige bildet av verden er en generalisert, systemisk dannelse, kan dens radikale endring ikke reduseres til en egen, selv om den største, vitenskapelige oppdagelsen. Sistnevnte kan imidlertid gi opphav til en slags kjedereaksjon som er i stand til å gi en hel serie, et kompleks av vitenskapelige funn, som til slutt vil føre til en endring i det vitenskapelige bildet av verden. I denne prosessen er selvfølgelig det viktigste funn i de grunnleggende vitenskapene det er avhengig av. I tillegg til å huske at vitenskap først og fremst er en metode, er det ikke vanskelig å anta at en endring i det vitenskapelige bildet av verden også skulle bety en radikal restrukturering av metodene for å skaffe ny kunnskap,inkludert endringer i vitenskapelighetens normer og idealer.
Utviklingen av ideen om verden skjedde ikke umiddelbart. Slike tydelig og utvetydig fikset radikale endringer i vitenskapelige bilder av verden, dvs. Det er tre vitenskapelige revolusjoner i historien om vitenskapens utvikling generelt og naturvitenskap spesielt. Hvis de personifiseres av navnene på forskerne som spilte den mest fremtredende rollen i disse hendelsene, bør de tre globale vitenskapelige revolusjonene kalles aristoteliske, newtonske og Einsteins.
I VI - IV århundrene. F. Kr. den første revolusjonen i kunnskapen om verden ble gjennomført, som et resultat av at vitenskapen selv ble født. Den historiske betydningen av denne revolusjonen ligger i å skille vitenskap fra andre former for erkjennelse og mestre verden, i etableringen av visse normer og modeller for konstruksjon av vitenskapelig kunnskap. Naturligvis har problemet med universets opprinnelse okkupert folks sinn i veldig lang tid.
I følge en rekke tidlige jødisk-kristne-muslimske myter dukket universet opp på et bestemt og ikke veldig fjernt tidspunkt i fortiden. En av grunnlagene for en slik tro var behovet for å finne "grunnårsaken" til universet. Enhver hendelse i universet forklares ved å indikere årsaken, det vil si en annen hendelse som skjedde tidligere; en slik forklaring på eksistensen av selve universet er bare mulig hvis det hadde en begynnelse. En annen grunn ble fremsatt av den salige Augustin (den ortodokse kirken anser Augustin som velsignet, og den katolske kirken - helgen). i boka "Guds by". Han påpekte at sivilisasjonen utvikler seg, og vi husker hvem som begikk denne eller den gjerningen og hvem som oppfant hva. Derfor er det lite sannsynlig at menneskeheten, og sannsynligvis Universet, eksisterer på veldig lang tid. Velsignet Augustin anses som akseptabel datoen for universets opprettelse, tilsvarende Mosebok: ca 5000 f. Kr. (Interessant nok er denne datoen ikke så langt fra slutten av den siste istiden - 10.000 f. Kr., som arkeologer anser begynnelsen på sivilisasjonen).
Aristoteles og de fleste andre greske filosofer likte ikke ideen om skapelsen av universet, siden den var forbundet med guddommelig inngripen. Derfor trodde de at mennesker og verden rundt dem eksisterte og vil fortsette å eksistere for alltid. Gamle forskere vurderte argumentet om sivilisasjonens fremgang og bestemte seg for at flom og andre katastrofer med jevne mellomrom skjedde i verden, som hele tiden førte menneskeheten tilbake til sivilisasjonens utgangspunkt.
Aristoteles skapte formell logikk, dvs. faktisk er bevislæren det viktigste verktøyet for å utlede og systematisere kunnskap; utviklet et kategorisk og konseptuelt apparat; godkjent en slags kanon for organisering av vitenskapelig forskning (problemets historie, problemstilling, argumenter "for" og "mot", begrunnelse for avgjørelsen); objektivt differensiert vitenskapelig kunnskap i seg selv, og skiller naturvitenskapene fra metafysikk (filosofi), matematikk, etc. Normene for vitenskapelig natur av kunnskap satt av Aristoteles, modeller for forklaring, beskrivelse og begrunnelse i vitenskap har hatt ubestridelig autoritet i mer enn tusen år, og mye (for eksempel formell logikk) er fremdeles effektive.
Kampanjevideo:
Det viktigste fragmentet av det eldgamle vitenskapelige bildet av verden var den konsistente geosentriske doktrinen om verdenssfærene. Geosentrismen i den tiden var slett ikke en "naturlig" beskrivelse av direkte observerbare fakta. Det var et vanskelig og modig skritt inn i det ukjente: når alt kommer til alt, for enhetens og konsistensen av kosmosstrukturen, var det nødvendig å supplere den synlige himmelske halvkule med en analog usynlig, for å innrømme muligheten for eksistensen av antipoder, dvs. innbyggere på motsatt side av kloden osv.
Aristoteles mente at jorden er urørlig, og solen, månen, planetene og stjernene kretser rundt den i sirkulære baner. Han trodde det, fordi han i samsvar med hans mystiske synspunkter betraktet jorden som sentrum av universet, og den sirkulære bevegelsen - den mest perfekte. Ptolemaios utviklet Aristoteles idé til en komplett kosmologisk modell i det 2. århundre. Jorden står i sentrum, omgitt av åtte sfærer som bærer Månen, Solen og fem så kjente planeter: Merkur, Venus, Mars, Jupiter og Saturn (figur 1.1). Planetene selv, trodde Ptolemaios, beveger seg i mindre sirkler festet til de tilsvarende kulene. Dette forklarte den svært vanskelige veien som, som vi ser, planetene tar. På den aller siste sfæren er det faste stjerner, som forblir i samme posisjon i forhold til hverandre og beveger seg over himmelen som en helhet. Hva som ligger bak den siste sfæren ble ikke forklart, men i alle fall var det ikke lenger en del av universet som menneskeheten observerer.
Ptolemaios modell gjorde det mulig å forutsi himmellegemers posisjon i himmelen, men for en nøyaktig forutsigelse måtte han akseptere at Månens bane noen steder nærmer seg Jorden to ganger nærmere enn i andre! Dette betyr at månen i en posisjon skal vises to ganger større enn i en annen! Ptolemaios var klar over denne feilen, men likevel ble hans teori akseptert, men ikke overalt. Den kristne kirke aksepterte den ptolematiske modellen av universet som ikke inkonsekvent med Bibelen, for denne modellen var veldig god ved at den etterlot mye rom for helvete og himmel utenfor sfæren til faste stjerner. I 1514 foreslo den polske presten Nicolaus Copernicus imidlertid en enda enklere modell. (I begynnelsen, fryktet kanskje for at kirken skulle erklære ham ketter, forplantet Copernicus modellen sin anonymt). Hans idé varat Solen er stasjonær i sentrum, og Jorden og andre planeter kretser rundt den i sirkulære baner. Nesten et århundre gikk før Copernicus 'ide ble tatt på alvor. To astronomer - tyske Johannes Kepler og italienske Galileo Galilei - støttet offentlig Copernicus teori, selv om banene som ble spådd av Copernicus ikke helt falt sammen med de observerte. Aristoteles-Ptolemaios teori tok slutt i 1609, da Galileo begynte å observere nattehimmelen med sitt nylig oppfunnne teleskop. Ved å rette et teleskop mot planeten Jupiter, oppdaget Galileo flere små satellitter, eller måner, som kretser rundt Jupiter. Dette betydde at ikke alle himmellegemer nødvendigvis må dreie seg direkte rundt jorden, slik Aristoteles og Ptolemaios mente. (Selvfølgelig kan man fortsatt vurdereat Jorden hviler i sentrum av universet, og månene til Jupiter beveger seg langs en veldig kompleks bane rundt Jorden, slik at det bare virker som om de dreier seg om Jupiter. Imidlertid var Copernicus teori mye enklere.) Samtidig modifiserte Johannes Kepler Copernicus teori, basert på antagelsen om at planetene ikke beveger seg i sirkler, men i ellipser (en ellips er en langstrakt sirkel). Endelig, nå spådommer sammenfalt med observasjonene. Endelig falt nå spådommene sammen med observasjonene. Endelig, nå har spådommene falt sammen med resultatene av observasjoner.
Når det gjelder Kepler, var hans elliptiske baner en kunstig hypotese, og dessuten "inelegant", siden en ellipse er en mye mindre perfekt figur enn en sirkel. Kepler fant nesten utilsiktet at elliptiske baner var i samsvar med observasjonene, og klarte aldri å forene dette med ideen om at planetene kretser rundt solen under påvirkning av magnetiske krefter. Forklaringen kom først mye senere, i 1687, da Isaac Newton publiserte sin bok "Mathematical Principles of Natural Philosophy". I den la Newton ikke bare frem en teori om bevegelsen til materielle legemer i tid og rom, men utviklet også komplekse matematiske metoder som var nødvendige for å analysere bevegelsen til himmellegemer.
I tillegg postulerte Newton loven om universell gravitasjon, i henhold til hvilken hver kropp i universet tiltrekkes av enhver annen kropp med større kraft, jo større masse er disse kroppene og jo mindre avstanden mellom dem. Dette er selve kraften som får kropper til å falle til bakken. (Historien om at Newton var inspirert av et eple som falt på hodet hans, er nesten helt sikkert upålitelig. Newton sa selv om dette bare at tyngdekraften kom da han satt i et "kontemplativt humør", og "årsaken var eplets fall") …
Videre viste Newton at månen under påvirkning av gravitasjonskrefter beveger seg i henhold til sin lov i en elliptisk bane rundt jorden, og jorden og planetene roterer i elliptiske baner rundt solen. (8) Newtons modell er en kropp som beveger seg jevnt i absolutt uendelig rom og rett fram til dette legemet blir påvirket av en kraft (den første mekanikken) eller to kropper som virker på hverandre med like og motsatte krefter (den tredje mekanikken); selve kraften anses å være ganske enkelt årsaken til akselerasjonen av bevegelige legemer (mekanikkens andre lov), det vil si som om den eksisterer av seg selv og fra ingen steder den kommer fra.
Newton beholdt betraktningen av mekanikk som en universell fysisk teori. I XIX århundre. dette stedet ble tatt av et mekanistisk bilde av verden, inkludert mekanikk, termodynamikk og den kinetiske teorien om materie, den elastiske teorien om lys og elektromagnetisme. Oppdagelsen av elektronet stimulerte en revisjon av ideer. På slutten av århundret bygde H. Lorenz sin elektroniske teori for å dekke alle naturfenomener, men han oppnådde ikke dette. Problemer knyttet til ladningens skjønnhet og feltets kontinuitet, og problemer i teorien om stråling ("ultrafiolett katastrofe") førte til opprettelsen av et kvantefeltbilde av verden og kvantemekanikk.
Et klassisk eksempel på bruk av abstrakte begreper for å forklare naturen ble gitt i 1915 av Einstein, som publiserte sin virkelig epokale generelle relativitetsteori. Dette verket er et av de få som markerer vendepunkter i menneskets oppfatning av verden rundt seg. Skjønnheten til Einsteins teori skyldes ikke bare kraften og elegansen i ligningene til gravitasjonsfeltet, men også den overveldende radikalismen i hans synspunkter. Generell relativitetsteori har trygt kunngjort at tyngdekraften er geometrien til det buede rommet. Begrepet akselerasjon i rommet ble erstattet av begrepet romkrumning. (2)
Etter opprettelsen av SRT ble det forventet at den universelle dekning av den naturlige verden kunne tilveiebringes av et elektromagnetisk bilde av verden, som kombinerte relativitetsteorien, Maxwells teori og mekanikk, men denne illusjonen ble snart fjernet.
Spesiell relativitetsteori (SRT) (spesiell relativitetsteori; relativistisk mekanikk) er en teori som beskriver bevegelse, mekanikkens lover og rom-tid-forhold i hastigheter nær lysets hastighet. Innenfor rammen av den spesielle relativitetsteorien er Newtons klassiske mekanikk en tilnærming med lav hastighet. Generalisering av SRT for gravitasjonsfelt kalles generell relativitetsteori (GRT). SRT er basert på to postulater:
1. I alle treghetsreferanserammer er lysets hastighet uendret (det er en invariant) og avhenger ikke av bevegelsen til kilden, mottakeren eller selve rammen. I den klassiske mekanikken til Galileo-Newton er hastigheten til den relative tilnærmingen til to legemer alltid større enn hastighetene til disse legemene, og avhenger både av hastigheten til et objekt og av hastigheten til et annet. Derfor synes vi det er vanskelig å tro at lysets hastighet ikke avhenger av kildens hastighet, men dette er et vitenskapelig faktum.
2. Virkelig rom og tid danner et enkelt fire-dimensjonalt rom-tid-kontinuum slik at verdien av romtid-intervallet mellom hendelser forblir uendret under overgangen mellom referanserammer. I SRT er det ingen samtidige hendelser i alle referanserammer. Her ser to hendelser, samtidig i en referanseramme, annerledes ut i tid fra et annet synspunkt, i bevegelse eller i ro, referanseramme.
Den spesielle relativitetsteorien beholder alle de grunnleggende definisjonene av klassisk fysikk - impuls, arbeid, energi. Imidlertid dukker det også opp noe nytt: først og fremst masseavhengigheten av bevegelseshastigheten. Derfor kan man ikke bruke det klassiske uttrykket for kinetisk energi, fordi det ble oppnådd under antagelsen om at massen til objektet forblir uendret.
Mange teoretikere har prøvd å omfavne tyngdekraften og elektromagnetismen med enhetlige ligninger. Under innflytelse av Einstein, som introduserte fire-dimensjonal romtid, ble flerdimensjonale feltteorier bygget i et forsøk på å redusere fenomener til de geometriske egenskapene til rommet.
Foreningen ble utført på grunnlag av den etablerte uavhengigheten av lysets hastighet for forskjellige observatører som beveger seg i det tomme rommet i fravær av eksterne krefter. Einstein avbildet objektets verdenslinje på et plan (fig. 2), hvor den romlige aksen er rettet horisontalt og den temporale aksen er rettet vertikalt. Deretter er den vertikale linjen objektets verdenslinje, som er i ro i den gitte referanserammen, og den skrå linjen er objektet som beveger seg med konstant hastighet. Den buede verdenslinjen tilsvarer den akselererte bevegelsen til objektet. Ethvert punkt på dette planet tilsvarer en posisjon på et gitt sted til et gitt tidspunkt og kalles en hendelse. I dette tilfellet er tyngdekraften ikke lenger en kraft som virker på den passive bakgrunnen for rom og tid, men er en forvrengning av selve romtiden. Tross alt er gravitasjonsfeltet”krumning av romtid.
Fig. 2. Romtidsdiagram
Rett etter opprettelsen (1905) sluttet den spesielle relativitetsteorien å passe Einstein, og han begynte å jobbe med generaliseringen av den. Det samme skjedde med generell relativitet. I 1925 begynte Einstein å jobbe med teorien, som han var bestemt til å studere med korte avbrudd til slutten av hans dager. Hovedproblemet som bekymret ham - feltkildens natur - hadde allerede en viss historie da Einstein tok opp den. Hvorfor faller ikke partikler fra hverandre, for eksempel? Tross alt bærer et elektron en negativ ladning, og negative ladninger avviser hverandre, dvs. elektronet måtte eksplodere fra innsiden på grunn av frastøting av nærliggende områder!
På en måte har dette problemet vedvaret til i dag. Det er ennå ikke bygget en tilfredsstillende teori som beskriver kreftene som virker inne i elektronet, men vanskelighetene kan omgåes ved å anta at elektronet ikke har noen indre struktur - det er en punktladning som ikke har dimensjoner og derfor ikke kan rives fra innsiden.
Likevel er det generelt akseptert at hovedbestemmelsene i moderne kosmologi - vitenskapen om universets struktur og evolusjon - begynte å danne seg etter opprettelsen i 1917 av A. Einstein av den første relativistiske modellen basert på teorien om tyngdekraften og hevdet å beskrive hele universet. Denne modellen karakteriserte universets stasjonære tilstand og viste seg å være feil som vist av astrofysiske observasjoner.
Et viktig skritt i å løse kosmologiske problemer ble gjort i 1922 av professor ved Petrograd University A. A. Friedman (1888-1925). Som et resultat av å løse kosmologiske ligninger, kom han til konklusjonen: Universet kan ikke være i en stasjonær tilstand - alle galakser beveger seg bort i retning fremover fra hverandre, og derfor var de alle på ett sted.
Det neste trinnet ble tatt i 1924, da den amerikanske astronomen E. Hubble (1889-1953) målte avstanden til nærmeste galakser (den gang kalt nebula) ved Mount Wilson Observatory i California, og oppdaget dermed galaksenes verden. Da astronomer begynte å studere spektra av stjerner i andre galakser, ble det oppdaget noe enda merkeligere: vår egen galakse hadde de samme karakteristiske settene med manglende farger som stjerner, men de ble alle forskjøvet med samme mengde mot den røde enden av spekteret. Synlig lys er vibrasjoner eller bølger i det elektromagnetiske feltet. Frekvensen (antall bølger per sekund) for lysvibrasjoner er ekstremt høy - fra fire hundre til syv hundre millioner bølger per sekund. Det menneskelige øye oppfatter lys av forskjellige frekvenser som forskjellige farger, med de laveste frekvensene som tilsvarer den røde enden av spekteret,og den høyeste til lilla. Tenk deg en lyskilde som ligger i en fast avstand fra oss (for eksempel en stjerne), som avgir lysbølger med en konstant frekvens. Åpenbart vil frekvensen av innkommende bølger være den samme som den de sendes ut med (selv om gravitasjonsfeltet i galaksen er lite og dens innflytelse er ubetydelig). Anta nå at kilden begynner å bevege seg i vår retning. Når neste bølge sendes ut, vil kilden være nærmere oss, og derfor vil tiden det tar for toppen av denne bølgen å nå oss være mindre enn i tilfelle en fast stjerne. Følgelig vil tiden mellom toppene til de to ankomne bølgene være mindre, og antall bølger vi mottar i løpet av ett sekund (dvs. frekvensen) vil være større enn når stjernen var stille. Når kilden fjernes, vil frekvensen av innkommende bølger være mindre. Det betyr,at spektrene til tilbaketrekkende stjerner vil være rødskiftet (rødforskyvning), og spektrene til nærliggende stjerner skal oppleve et fiolett skifte. Dette forholdet mellom hastighet og frekvens kalles Doppler-effekten, og denne effekten er vanlig selv i vårt daglige liv. Doppler-effekten brukes av politiet, som bestemmer hastigheten på kjøretøyer langtfra av frekvensen av radiosignaler som reflekteres fra dem.
Etter å ha bevist at andre galakser eksisterte, viet Hubble alle de påfølgende årene til å lage kataloger over avstander til disse galaksene og observere spektrene deres. På den tiden trodde de fleste forskere at bevegelsen av galakser er tilfeldig, og derfor skulle spektrene forskjøvet mot den røde siden observeres like mye som de som ble forskjøvet mot fiolett. For en overraskelse det var da de fleste av galaksene viste en rød forskyvning av spektrene, det vil si at det viste seg at nesten alle galakser beveger seg vekk fra oss! Enda mer overraskende var oppdagelsen som ble publisert av Hubble i 1929: Hubble oppdaget at selv størrelsen på rødskiftet ikke er tilfeldig, men er direkte proporsjonal med avstanden fra oss til galaksen. Med andre ord, jo lenger unna en galakse er, jo raskere beveger den seg! Og dette betydde at universet ikke kunne være statisk, som tidligere antatt,at den faktisk utvider seg kontinuerlig, og avstandene mellom galakser vokser hele tiden.
Utvidelsen av universet betyr at volumet tidligere var mindre enn det er nå. Hvis tiden blir slått tilbake i modellen av universet utviklet av Einstein og Friedman, vil hendelsene gå i omvendt retning, som i en film spilt fra slutten. Så viser det seg at for rundt 13 milliarder år siden var universets radius veldig liten, det vil si vekten til galaksen, det interstellare mediet og strålingen - kort sagt, alt som nå utgjør universet var konsentrert i et ubetydelig volum, nær null. Denne primære supertette og supervarme tilstanden til universet har ingen analoger i vår moderne virkelighet. Det antas at tettheten av stoffet i universet på den tiden var sammenlignbar med tettheten til atomkjernen, og hele universet var et enormt kjernefysisk fall. Av en eller annen grunn var kjernedråpen i en ustabil tilstand og eksploderte. Denne antagelsen er kjernen i big bang-konseptet.
- Del to -
