- Prvi del -
Najbližje uresničitvi Einsteinovih sanj je bil malo znani poljski fizik Theodor Kaluca, ki si je že leta 1921 zastavil posploševanje Einsteinove teorije z vključitvijo elektromagnetizma v geometrijsko formulacijo teorije polja (tako kot geometrija prostora-časa opisuje gravitacijo). To bi morali storiti, da bi enačbe Maxwellove teorije elektromagnetizma še naprej veljale. Kaluza je razumel, da Maxwellove teorije ni mogoče oblikovati v jeziku čiste geometrije (v smislu, ki jo običajno razumemo), tudi ob predpostavki prisotnosti ukrivljenega prostora. Kaluza je naredil naslednji korak po Einsteinu, k štiridimenzionalnemu prostoru-času je dodal še peto (neopazno) spremembo, pri kateri je elektromagnetizem nekakšna "gravitacija" (takrat šibka in močna interakcija ni bila znana). Postavlja se vprašanje:zakaj te pete dimenzije nikakor ne občutimo (za razliko od prvih štirih)?
Leta 1926 je švedski fizik Oskar Klein predlagal, da dodatne dimenzije ne opazimo, ker se je v nekem smislu "sesula" v zelo majhno velikost. Majhna zanka se razteza od vsake točke v vesolju do pete dimenzije. Zaradi majhnosti vseh teh zank ne opazimo. Klein je izračunal obseg zank okoli pete dimenzije z uporabo znane vrednosti elementarnega električnega naboja elektrona in drugih delcev ter velikosti gravitacijske interakcije med delci. Izkazalo se je enako 10-32 cm, tj. 1020 krat manjša od velikosti atomskega jedra. Zato ni presenetljivo, da pete dimenzije ne opazimo: zvita je na lestvicah, ki so veliko manjše od dimenzij katere koli od struktur, ki jih poznamo, tudi v fiziki podjedrnih delcev. Očitno se v tem primeru vprašanje predloga ne postavlja, recimo,atom v peti dimenziji. Namesto tega bi bilo treba misliti, da je ta dimenzija znotraj atoma.
Nekaj časa je bila Klauz-Kleinova teorija pozabljena, ko pa so bile močne, šibke in elektromagnetne interakcije združene v eno samo teorijo in je ostalo najti splošno teorijo zanje in za gravitacijo, se je teorija Klauz-Klein spet spomnila. Za izvedbo vseh potrebnih operacij simetrije je bilo treba dodati še 7 dimenzij (celoten prostor kot celota se je izkazal za 11-dimenzionalnega). Da se te dodatne dimenzije ne čutijo, jih je treba zviti v zelo majhnem obsegu. Zdaj pa se postavlja vprašanje: če lahko eno dimenzijo zvijemo samo v krog, potem lahko sedem dimenzij zvijemo v figuro različnih topologij (bodisi v 7-dimenzijski torus, bodisi v 7-dimenzionalno kroglo ali v kakšno drugo sliko). Najenostavnejši model, h kateremu se nagiba večina znanstvenikov, je 7-krogla (7-krogla). Kot je bilo pričakovanoštiri trenutno opazovane dimenzije prostora-časa niso propadle, saj to stanje ustreza najnižji energiji (h kateri težijo vsi fizični sistemi). Obstaja hipoteza, v skladu s katero so bile v zgodnjih fazah življenja vesolja razporejene vse te dimenzije.
Ogromno različnih naravnih sistemov in struktur, njihovih značilnosti in dinamičnosti določa interakcija materialnih predmetov, tj. medsebojno delovanje drug na drugega. Prav interakcija je glavni razlog za gibanje snovi, zato je interakcija, tako kot gibanje, univerzalna, tj. je neločljivo povezan z vsemi materialnimi predmeti, ne glede na njihovo naravo in sistemsko organizacijo. Značilnosti različnih interakcij določajo pogoje obstoja in posebnosti lastnosti materialnih predmetov.
Predmeti, ki medsebojno delujejo, si izmenjujejo energijo in - glavne značilnosti njihovega gibanja. V klasični fiziki interakcijo določa sila, s katero en materialni objekt deluje na drugega.
Dolgo časa so verjeli, da se interakcija materialnih predmetov, tudi na veliki razdalji drug od drugega, takoj prenaša skozi prazen prostor. Ta izjava je skladna s konceptom delovanja na daljavo. Do zdaj je bil eksperimentalno potrjen še en koncept - koncept kratkega dosega: interakcije se prenašajo skozi fizična polja s končno hitrostjo, ki ne presega svetlobne hitrosti v vakuumu. Ta v bistvu koncept polja v kvantni teoriji polja dopolnjuje izjava: v vsaki interakciji pride do izmenjave posebnih delcev - kvantov polja.
Interakcije materialnih predmetov in sistemov, ki jih opazujemo v naravi, so zelo raznolike. Kot kažejo fizikalne študije, pa lahko vse interakcije pripišemo štirim vrstam temeljnih interakcij: gravitacijskim, elektromagnetnim, močnim in šibkim.
Promocijski video:
Gravitacijska interakcija se kaže v medsebojni privlačnosti kakršnih koli materialnih predmetov z maso. Prenaša se skozi gravitacijsko polje in ga določa temeljni naravni zakon - zakon univerzalne gravitacije. Zakon univerzalne gravitacije opisuje padec materialnih teles na Zemljinem polju, gibanje planetov sončnega sistema, zvezd itd.
V skladu s kvantno teorijo polja so nosilci gravitacijske interakcije gravitoni - delci z ničelno maso, kvanti gravitacijskega polja. Elektromagnetno interakcijo povzročajo električni naboji in jo prenašajo električna in magnetna polja. Električno polje nastane ob prisotnosti električnih nabojev in magnetno polje - ko se premikajo. Spreminjajoče se magnetno polje ustvarja izmenično električno polje, ki pa je vir izmeničnega magnetnega polja.
Zaradi elektromagnetne interakcije obstajajo atomi in molekule, potekajo kemične transformacije snovi. Različna agregacijska stanja, trenje, elastičnost itd. določajo sile medmolekularne interakcije, elektromagnetne narave. Elektromagnetno interakcijo opisujejo temeljni zakoni elektrostatike in elektrodinamike: Coulombov zakon, Amperejev zakon itd., V splošni obliki pa Maxwellova elektromagnetna teorija, ki povezuje električno in magnetno polje. Sprejem, pretvorba in uporaba električnih in magnetnih polj ter električnega toka služijo kot osnova za ustvarjanje različnih sodobnih tehničnih sredstev: električnih naprav, radijskih sprejemnikov, televizorjev, svetlobnih in ogrevalnih naprav, računalnikov itd.
Po kvantni elektrodinamiki so nosilci elektromagnetne interakcije fotoni - kvanti elektromagnetnega polja z ničelno maso. V mnogih primerih jih posnamejo instrumenti v obliki elektromagnetnih valov različnih dolžin. Na primer, vidna svetloba, zaznana s prostim očesom, skozi katero se odraža glavnina (približno 90%) informacij o svetu, je elektromagnetno valovanje v precej ozkem območju valovnih dolžin (približno 0,4-0,8 mikrona), kar ustreza največjemu sončnemu sevanju.
Močna interakcija zagotavlja vezanje nukleonov v jedru. Določajo jo jedrske sile z neodvisnostjo naboja, delovanjem na kratke razdalje, nasičenostjo in drugimi lastnostmi. Močne interakcije so odgovorne za stabilnost atomskih jeder. Močnejša je interakcija nukleonov v jedru, stabilnejše je jedro, večja je njegova specifična vezavna energija. S povečanjem števila nukleonov v jedru in s tem tudi velikosti jedra se specifična vezavna energija zmanjša in jedro lahko propade, kar se zgodi z jedri elementov na koncu periodnega sistema.
Predpostavlja se, da močno interakcijo prenašajo gluoni - delci, ki "lepijo" kvarke, ki tvorijo protone, nevtrone in druge delce.
Vsi osnovni delci, razen fotona, sodelujejo v šibki interakciji. Določa večino razpadov osnovnih delcev, interakcijo nevtrinov s snovjo in druge procese. Šibka interakcija se kaže predvsem v procesih beta razpada atomskih jeder mnogih izotopov, prostih nevtronov itd. Na splošno velja, da so nosilci šibke interakcije vioni - delci z maso, ki je približno 100-krat večja od mase protonov in nevtronov.
Do danes enotna teorija opisovanja interakcij še ni popolnoma razvita, vendar je večina znanstvenikov nagnjena k nastanku vesolja kot posledica velikega poka: v ničelnem trenutku je vesolje nastalo iz singularnosti, torej iz točke z ničelno prostornino in neskončno visoko gostoto in temperaturo. Že sam "začetek" vesolja, to je njegovo stanje, ki po teoretičnih izračunih ustreza polmeru, ki je blizu nič, se izmika celo teoretičnemu konceptu. Bistvo je, da enačbe relativistične astrofizike ostajajo veljavne do gostote približno 1093 g / cm3. Vesolje, stisnjeno do takšne gostote, je imelo nekoč polmer približno deset milijarditih centimetrov, torej je bilo po velikosti primerljivo s protonom! Mimogrede, temperatura tega mikrovemira, ki je tehtal vsaj 1051 ton, je bila neverjetno visoka in očitno je bilablizu 1032 stopinj. Vesolje je bilo tako majhen delček sekunde po začetku "eksplozije". Na samem "začetku" se tako gostota kot temperatura obrneta v neskončnost, torej je ta "začetek" z matematično terminologijo tista posebna "edinstvena" točka, za katero enačbe sodobne teoretske fizike izgubijo svoj fizični pomen. Toda to ne pomeni, da pred "začetkom" ni bilo nič: preprosto si ne moremo predstavljati, kaj je bilo pred pogojnim "začetkom" vesolja. (3)da pred "začetkom" ni bilo nič: preprosto si ne moremo predstavljati, kaj je bilo pred pogojnim "začetkom" vesolja. (3)da pred "začetkom" ni bilo nič: preprosto si ne moremo predstavljati, kaj je bilo pred pogojnim "začetkom" vesolja. (3)
Ko je starost Vesolja dosegla stotinko sekunde, se je njegova temperatura spustila na približno 1011 K in padla pod mejno vrednost, pri kateri lahko nastajajo protoni in nevtroni, nekateri od teh delcev so se izognili izničenju - sicer v našem sodobnem vesolju ne bi bilo ničesar. Eno sekundo po velikem poku je temperatura padla na 10 10 K in nevtrini so prenehali sodelovati s snovjo. Vesolje je postalo praktično "prozorno" za nevtrine. Elektroni in pozitroni so se še vedno izničevali in spet pojavljali, vendar se je po približno 10 sekundah raven gostote sevalne energije zmanjšala pod njihov prag in ogromno število elektronov in pozitronov se je zaradi katastrofalnega procesa medsebojnega izničenja spremenilo v sevanje. Na koncu tega procesa pa ostane določeno število elektronov, ki zadostuje zako se združimo s protoni in nevtroni, nastane količina snovi, ki jo danes opazimo v vesolju.
Nadaljnja zgodovina vesolja je mirnejša od njegovega burnega začetka. Hitrost širjenja se je postopoma upočasnila, temperatura se je, tako kot povprečna gostota, postopoma zmanjševala in ko je bilo vesolje staro milijon let, je njegova temperatura postala tako nizka (3500 stopinj Kelvina), da so protoni in jedra atomov helija lahko že zajemali proste elektrone in se spreminjali v nevtralni atomi. Od tega trenutka se v bistvu začne sodobna stopnja evolucije vesolja. Pojavijo se galaksije, zvezde, planeti. Sčasoma je mnogo milijard let kasneje vesolje postalo to, kar vidimo.
Toda to ni edina hipoteza. Po eni od hipotez se je vesolje začelo haotično in naključno širiti, nato pa je pod delovanjem nekega mehanizma odvajanja (dušenja) nastal določen red. Ta predpostavka popolnega primarnega kaosa je v nasprotju s popolno primarno simetrijo privlačna s tem, da ne zahteva "ustvarjanja" vesolja v nobenem strogo določenem stanju. Če bodo znanstveniki uspeli najti primeren dušilni mehanizem, bo to omogočilo, da se z zdaj opazno obliko Vesolja strinjajo z zelo širokim razponom začetnih pogojev.
Ena izmed najbolj razširjenih hipotez o disipacijskem mehanizmu je hipoteza o ustvarjanju delcev in prostih delcev iz energije, ki nastane zaradi plimovanja v gravitacijskem polju. Delci in antidelci se rodijo v ukrivljenem "praznem" prostoru (podobno kot v primeru prostora, ki ga zakriva črna luknja), prostor pa na takšno rojstvo reagira z zmanjšanjem ukrivljenosti. Bolj ko je prostor-čas ukrivljen, bolj intenzivno je ustvarjanje delcev in prostih delcev. V nehomogenem vesolju bi morali takšni učinki vse izenačiti in ustvariti stanje homogenosti. Možno je celo, da je vsa snov v vesolju nastala na ta način in ne iz singularnosti. Tak postopek ne zahteva rojstva snovi brez antimaterije, kot v prvotni singularnosti. Težava te hipoteze pa je v temda do zdaj še ni bilo mogoče najti mehanizma za ločevanje snovi in antimaterije, ki večini ne bi omogočil, da bi spet izničili.
Po eni strani bi nas obstoj nehomogenosti lahko rešil singularnosti, toda George Ellis in Stephen Hawking sta z matematičnimi modeli pokazala, da ob upoštevanju nekaterih zelo verjetnih stališč o obnašanju snovi pri visokih tlakih obstoja vsaj ene singularnosti ni mogoče izključiti, četudi odstopanja od enotnosti. Obnašanje anizotropnega in nehomogenega vesolja v preteklosti v bližini singularnosti je lahko zelo zapleteno in zelo težko je tukaj zgraditi kakršne koli modele. Lažje je uporabiti Friedmanove modele, ki napovedujejo vedenje vesolja od rojstva do smrti (v primeru sferične topologije). Čeprav odstopanja od enotnosti našega vesolja ne rešijo singularnosti v prostoru-času, pa je vseeno mogočeda večina trenutno razpoložljive snovi v vesolju ni spadala v to singularnost. Tovrstne eksplozije, ko se v bližini singularnosti pojavi snov nadvisoke, vendar ne neskončne gostote, so bile imenovane "cviljenje". Vendar pa Hawkin-Ellisov izrek zahteva, da energija in tlak ostaneta pozitivna. Ni zagotovila, da so ti pogoji izpolnjeni pri zelo visokih gostotah snovi.
Obstaja predpostavka, da bi lahko kvantni učinki, vendar ne v snovi, temveč v prostoru-času (kvantna gravitacija), ki postanejo zelo pomembni pri visokih vrednostih ukrivljenosti prostora-časa, lahko preprečili izginotje vesolja v singularnosti, kar bi na primer povzročilo "odboj" snovi pri dovolj visoki gostoti. Vendar pa zaradi pomanjkanja zadovoljive teorije kvantne gravitacije obrazložitev ne daje jasnih zaključkov. Če sprejmemo hipotezo o "cviljenju" ali kvantnem "odboju", potem to pomeni, da sta prostor in čas obstajala pred temi dogodki.
Po odkritju širitve vesolja, leta 1946, sta britanska astrofizika Herman Bondi in Thomas Gold predlagala, da mora biti, čeprav je vesolje v vesolju homogeno, časovno homogeno. V tem primeru naj se širi s konstantno hitrostjo, in da se prepreči zmanjšanje gostote snovi, je treba neprestano oblikovati nove galaksije, ki bodo zapolnile vrzeli, ki nastanejo zaradi razpršitve obstoječih galaksij. Snov za gradnjo novih galaksij se nenehno pojavlja, ko se vesolje širi. Takšno vesolje ni statično, temveč stacionarno: posamezne zvezde in galaksije gredo skozi svoje življenjske cikle, v celoti pa vesolje nima začetka ali konca. Da bi razložili, kako se pojavlja snov, ne da bi kršili zakon o ohranjanju energije,Fred Hoyle je izumil novo vrsto polja - ustvaril je polje z negativno energijo. Z nastankom snovi se negativna energija tega polja ojača in celotna energija se ohrani.
Pogostnost proizvodnje atomov v tem modelu je tako nizka, da je ni mogoče eksperimentalno zaznati. Sredi 60-ih so bila že odkrita znamenja, da se vesolje razvija. Nato je bilo odkrito toplotno sevanje v ozadju, kar kaže na to, da je bilo vesolje pred nekaj milijardami let vroče gosto in zato ne more mirovati.
Kljub temu je s filozofskega vidika koncept nerojenega in neumrelega vesolja zelo privlačen. V modelih nihajočega vesolja je mogoče združiti filozofske prednosti stacionarnega vesolja s teorijo velikega poka. Ta kozmološki model temelji na Friedmannovem modelu s krčenjem, ki ga dopolnjuje predpostavka, da vesolje ne propade, kadar se singularnosti pojavijo na obeh »koncih«, ampak preide v super gosto stanje in naredi »skok« v naslednji cikel širitve in krčenja. Ta postopek se lahko nadaljuje v nedogled. Da pa ne bi kopičili entropije in sevanja ozadja iz prejšnjih ciklov raztezanja in krčenja, bo treba domnevati, da so v fazi visoke gostote kršeni vsi termodinamični zakoni (zato se entropija ne kopiči),predpostavlja pa se, da se bodo zakoni teorije relativnosti ohranili. V svojem skrajnem izrazu takšno stališče predpostavlja, da bodo vsi zakoni in svetovne konstante v posameznem ciklusu novi in ker se od cikla do cikla nič ne ohrani, potem lahko govorimo o vesoljih, ki med seboj niso fizično povezana. Z enakim uspehom lahko domnevamo, da obstaja ves čas neskončen sklop vesolj, nekatera so lahko podobna našemu. Ti zaključki so povsem filozofske narave in jih ni mogoče ovreči niti z eksperimentom niti z opazovanjem. (13)Z enakim uspehom lahko domnevamo, da obstaja ves čas neskončen sklop vesolj, nekatera so lahko podobna našemu. Ti zaključki so povsem filozofske narave in jih ni mogoče ovreči niti z eksperimentom niti z opazovanjem. (13)Z enakim uspehom lahko domnevamo, da obstaja ves čas neskončen sklop vesolj, nekatera so lahko podobna našemu. Ti sklepi so povsem filozofske narave in jih ni mogoče ovreči niti z eksperimentom niti z opazovanjem. (13)
Ker obstaja veliko hipotez za ustvarjanje vesolja, je iskanje teorije vsega prav tako raznoliko - standardni model, teorija strun, M-teorija, izjemno preprosta teorija vsega, teorije Velike unifikacije itd.
Standardni model je teoretična konstrukcija v fiziki osnovnih delcev, ki opisuje elektromagnetne, šibke in močne interakcije vseh osnovnih delcev. Standardni model ne vključuje gravitacije. Doslej so bile vse napovedi standardnega modela potrjene s poskusi, včasih s fantastično natančnostjo v milijoninki odstotka. Šele v zadnjih letih se začnejo pojavljati rezultati, pri katerih se napovedi Standardnega modela nekoliko razlikujejo od eksperimenta in celo pojavov, ki jih je v njegovem okviru izredno težko razlagati. Po drugi strani pa je očitno, da standardni model ne more biti zadnja beseda v fiziki delcev, ker vsebuje preveč zunanjih parametrov in tudi ne vključuje gravitacije. Zato je iskanje odstopanj od standardnega modela eno najbolj dejavnih področij raziskav v zadnjih letih.
Teorija strun je veja matematične fizike, ki preučuje dinamiko in interakcije ne točkovnih delcev, temveč enodimenzionalnih podaljšanih predmetov, tako imenovanih kvantnih nizov. Teorija strun združuje ideje kvantne mehanike in teorije relativnosti, zato bo na njeni osnovi verjetno zgrajena prihodnja teorija kvantne gravitacije. Teorija strun temelji na hipotezi, da vsi osnovni delci in njihove temeljne interakcije nastanejo kot posledica vibracij in interakcij ultramikroskopskih kvantnih strun na lestvicah dolžine Planckove dolžine 10-35 m. Ta pristop se po eni strani izogne takšnim težavam kvantne teorije polja, kot je renormalizacija, po drugi strani pa vodi v globlji pogled na strukturo snovi in prostora-časa.
Kvantna teorija strun je nastala v zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja kot rezultat razumevanja formul Gabrieleja Veneziana, povezanih z niznimi modeli hadronske strukture. Sredina osemdesetih in sredina devetdesetih let se je hitro razvijala teorija strun in pričakovalo se je, da bo v bližnji prihodnosti na podlagi teorije strun oblikovana "teorija vsega". Toda kljub matematični strogosti in celovitosti teorije še niso našli možnosti za eksperimentalno potrditev teorije strun. Teorija, ki je nastala za opis hadronske fizike, vendar ni bila povsem primerna za to, se je znašla v nekakšnem eksperimentalnem vakuumu opisa vseh interakcij.
M-teorija (membranska teorija) je sodobna fizikalna teorija, ustvarjena s ciljem kombiniranja temeljnih interakcij. Tako imenovana "brane" (večdimenzionalna membrana) se uporablja kot osnovni objekt - razširjen dvodimenzionalni ali z velikim številom dimenzij objekt. Sredi devetdesetih let so Edward Witten in drugi teoretični fiziki našli trdne dokaze, da različne teorije superstrun predstavljajo različne omejujoče primere še nerazvite 11-dimenzionalne M-teorije. Sredi osemdesetih let so teoretiki ugotovili, da bi lahko supersimetrijo, ki je osrednji del teorije strun, vanj vključili ne na en, ampak na pet različnih načinov, kar bi privedlo do petih različnih teorij: tipa I, tipa IIA in IIB ter dveh heterotičnih teorije strun. Samo eden izmed njih bi lahko trdil, da je "teorija vsega", in to edenkar bi se pri nizkih energijah in kompaktificiranih šestih dodatnih dimenzijah ujemalo z resničnimi opazovanji. Vprašanja so ostala, katera teorija je ustreznejša in kaj storiti z ostalimi štirimi teorijami.
Izjemno preprosta teorija vsega - enotna teorija polja, ki združuje vse znane fizične interakcije, ki obstajajo v naravi, ki jo je 6. novembra 2007 predlagal ameriški fizik Garrett Lisi. Teorija je zanimiva zaradi svoje elegance, vendar jo je treba resno izboljšati. Nekateri znani fiziki so mu že izrazili podporo, vendar pa so v teoriji odkrili številne netočnosti in težave.
Teorije velike unifikacije - v fiziki osnovnih delcev skupina teoretičnih modelov, ki na enoten način opisujejo močne, šibke in elektromagnetne interakcije. Predpostavlja se, da se pri izredno visokih energijah te interakcije kombinirajo. (10)
S popolnim zaupanjem lahko trdimo, da bodo prihodnja odkritja in teorije obogatila in ne zavrnila vesolja, ki so nam ga odkrili Pitagora, Aristarh, Kepler, Newton in Einstein - vesolje, ki je tako harmonično kot vesolje Platona in Pitagore, vendar zgrajeno na harmoniji, vsebovani v matematične zakonitosti; Vesolje ni nič manj popolno kot Aristotelovo vesolje, vendar svojo popolnost izhaja iz abstraktnih zakonov simetrije; Vesolje, v katerem je brezmejna praznina medgalaktičnih prostorov preplavljena z mehko svetlobo, ki prenaša sporočila iz globin časa, ki so nam še vedno nerazumljiva; Vesolje, ki ima začetek v času, nima pa začetka ali konca v vesolju, ki se bo morda razširilo za vedno in morda se bo en lep trenutek, ko se bo nehal širiti, začel krčiti. To vesolje sploh ni podobno tistemukar je bilo upodobljeno v pogumnih glavah tistih, ki so si prvi upali zastaviti vprašanje: "Kakšen je v resnici naš svet?" Ampak mislim, da se ob spoznanju nista razburila.
- Prvi del -