- Drugi del -
Poenotena teorija vesolja ali teorija vsega je hipotetična poenotena fizikalna in matematična teorija, ki opisuje vse znane temeljne interakcije. Sprva se je ta izraz na ironičen način uporabljal za sklicevanje na različne splošne teorije. Sčasoma se je izraz uveljavil v popularizaciji kvantne fizike, da bi označil teorijo, ki bi združevala vse štiri temeljne interakcije v naravi: gravitacijsko, elektromagnetno, močno jedrsko in šibko jedrsko interakcijo. Poleg tega mora razložiti obstoj vseh osnovnih delcev. Iskanje enotne teorije se imenuje eden glavnih ciljev sodobne znanosti.
Ideja o enotni teoriji je nastala zahvaljujoč znanju, ki ga je nabralo več kot ena generacija znanstvenikov. Ko se je znanje pridobivalo, se je človeško razumevanje okoliškega sveta in njegovih zakonov širilo. Ker je znanstvena slika sveta splošna, sistemska tvorba, njene radikalne spremembe ni mogoče zmanjšati na ločeno, četudi največje znanstveno odkritje. Slednje pa lahko povzročijo nekakšno verižno reakcijo, ki lahko povzroči celo vrsto, kompleks znanstvenih odkritij, ki bodo na koncu privedle do spremembe znanstvene slike sveta. V tem procesu so seveda najpomembnejša odkritja v temeljnih znanostih, na katere se opira. Poleg tega, če se spomnimo, da je znanost predvsem metoda, ni težko domnevati, da bi morala sprememba znanstvene slike sveta pomeniti tudi korenito prestrukturiranje metod za pridobivanje novega znanja,vključno s spremembami samih norm in idealov znanstvenosti.
Do razvoja ideje sveta ni prišlo takoj. Tako jasno in nedvoumno fiksirane korenite spremembe v znanstvenih slikah sveta, tj. V zgodovini razvoja znanosti na splošno in zlasti naravoslovja obstajajo tri znanstvene revolucije. Če so poosebljena z imeni znanstvenikov, ki so imeli v teh dogodkih najbolj opazno vlogo, potem bi morali tri svetovne znanstvene revolucije imenovati aristotelovska, newtonska in einsteinova.
V VI - IV stoletju. Pr. izvedena je bila prva revolucija v poznavanju sveta, posledica katere je bila rojstvo same znanosti. Zgodovinski pomen te revolucije je v ločevanju znanosti od drugih oblik spoznavanja in obvladovanja sveta, v ustvarjanju nekaterih norm in modelov za gradnjo znanstvenih spoznanj. Seveda problem izvora Vesolja že zelo dolgo zaseda ljudi.
Po številnih zgodnjih judovsko-krščansko-muslimanskih mitih je naše vesolje nastalo v določeni in ne zelo oddaljeni časovni točki v preteklosti. Eden od temeljev takšnih prepričanj je bila potreba po iskanju "osnovnega vzroka" vesolja. Vsak dogodek v vesolju je razložen z navedbo njegovega vzroka, to je drugega dogodka, ki se je zgodil prej; takšna razlaga obstoja samega vesolja je mogoča le, če je imela začetek. Drugi razlog je navedel blaženi Avguštin (pravoslavna cerkev meni, da je Avguštin blagoslovljen, katoliška cerkev pa svetnik). v knjigi "Božje mesto". Poudaril je, da civilizacija napreduje, in spomnimo se, kdo je zagrešil to ali ono dejanje in kdo je kaj izumil. Zato človeštvo in zato verjetno vesolje verjetno ne bo obstajalo zelo dolgo. Blaženi Avguštin je menil, da je sprejemljiv datum nastanka vesolja, ki ustreza knjigi Geneze: približno 5000 pr. (Zanimivo je, da ta datum ni tako daleč od konca zadnje ledene dobe - 10.000 pr. N. Št., Kar arheologi štejejo za začetek civilizacije).
Aristotelu in večini drugih grških filozofov ideja o ustvarjanju vesolja ni bila všeč, saj je bila povezana z božjim posegom. Zato so verjeli, da ljudje in svet okoli njih obstajajo in bodo obstajali večno. Antični znanstveniki so upoštevali argument glede napredka civilizacije in se odločili, da se na svetu občasno pojavljajo poplave in druge kataklizme, ki so človeštvo ves čas vračale na izhodišče civilizacije.
Aristotel je ustvaril formalno logiko, tj. pravzaprav je dokazni nauk glavno orodje za pridobivanje in sistematizacijo znanja; razvil kategorični in konceptualni aparat; odobril nekakšen kanon za organizacijo znanstvenih raziskav (zgodovina vprašanja, oblikovanje problema, argumenti "za" in "proti", utemeljitev odločitve); objektivno diferenciral samo znanstveno znanje, ločeval naravoslovne znanosti od metafizike (filozofije), matematike itd. Norme znanstvene narave znanja, ki jih je postavil Aristotel, modeli razlage, opisovanja in utemeljevanja v znanosti uživajo nesporno avtoriteto že več kot tisoč let in veliko (na primer zakoni formalne logike) velja še danes.
Promocijski video:
Najpomembnejši del starodavne znanstvene slike sveta je bila dosledna geocentrična doktrina o svetovnih sferah. Geocentrizem tiste dobe sploh ni bil "naraven" opis neposredno opaznih dejstev. To je bil težak in pogumen korak v neznano: navsezadnje je bilo treba zaradi enotnosti in skladnosti zgradbe kozmosa vidno nebesno poloblo dopolniti z analogno nevidno, priznati možnost obstoja antipodov, tj. prebivalci nasprotne strani sveta itd.
Aristotel je menil, da je Zemlja negibna, Sonce, Luna, planeti in zvezde pa se okoli nje vrtijo v krožnih orbitah. Verjel je tako, saj je v skladu s svojimi mističnimi pogledi Zemljo imel za središče vesolja, krožno gibanje pa za najbolj popolno. Ptolemej je Aristotelovo idejo v drugem stoletju razvil v popoln kozmološki model. Zemlja stoji v središču, obdana z osmimi kroglami, ki nosijo Luno, Sonce in pet takrat znanih planetov: Merkur, Venera, Mars, Jupiter in Saturn (slika 1.1). Ptolemej je verjel, da se sami planeti gibljejo v manjših krogih, pritrjenih na ustrezne krogle. To je razložilo zelo težko pot, ki jo, kot vidimo, uhajajo planeti. Na zadnji krogli so fiksne zvezde, ki se, ostanejo v enakem položaju med seboj, premikajo po nebu vse skupaj kot celota. Kaj se skriva za zadnjo kroglo, ni bilo razloženo, vsekakor pa to ni bilo več del vesolja, ki ga opaža človeštvo.
Ptolemejev model je omogočil dobro napovedovanje položaja nebesnih teles na nebesnem svodu, a za natančno napoved je moral sprejeti, da se pot Lune ponekod približuje Zemlji dvakrat bližje kot drugje! To pomeni, da mora biti Luna v enem položaju dvakrat večja kot v drugem! Ptolemej se je te napake zavedal, a kljub temu je bila njegova teorija sprejeta, čeprav ne povsod. Krščanska cerkev je ptolemajski model vesolja sprejela kot neskladnega z Biblijo, saj je bil ta model zelo dober, ker je pustil veliko prostora za pekel in nebesa zunaj krogle fiksnih zvezd. Vendar je leta 1514 poljski duhovnik Nikolaj Kopernik predlagal še preprostejši model. (Kopernik je morda v strahu morda, da bi ga Cerkev razglasila za krivoverca, anonimno razširjal njegov model). Njegova ideja je bilada je Sonce v središču mirujoče, Zemlja in drugi planeti pa se okoli njega vrtijo v krožnih orbitah. Minilo je skoraj stoletje, preden so Kopernikovo idejo vzeli resno. Dva astronoma - Nemec Johannes Kepler in Italijan Galileo Galilei - sta javno podprla Kopernikovo teorijo, čeprav orbite, ki jih je napovedal Kopernik, niso povsem sovpadale z opaženimi. Teorija Aristotela-Ptolemeja se je končala leta 1609, ko je Galileo začel opazovati nočno nebo s svojim na novo izumljenim teleskopom. Z usmeritvijo teleskopa na planet Jupiter je Galileo odkril več majhnih satelitov ali lun, ki krožijo okoli Jupitra. To je pomenilo, da se ne smejo vsa nebesna telesa nujno vrteti neposredno okoli Zemlje, kot sta verjela Aristotel in Ptolemej. (Seveda bi lahko še razmislilida Zemlja počiva v središču vesolja, Jupitrove lune pa se gibljejo po zelo zapleteni poti okoli Zemlje, tako da se zdi le, da se vrtijo okoli Jupitra. Vendar je bila Kopernikova teorija veliko enostavnejša.) Hkrati je Johannes Kepler spremenil Kopernikovo teorijo na podlagi predpostavke, da se planeti ne gibljejo v krogih, temveč v elipsah (elipsa je podolgovat krog). Končno, zdaj so napovedi sovpadale z rezultati opazovanj. Končno, zdaj so napovedi sovpadale z rezultati opazovanj. Končno, zdaj so napovedi sovpadale z opažanji.
Kar zadeva Keplerja, so bile njegove eliptične orbite umetna hipoteza in poleg tega "neelegantna", saj je elipsa veliko manj popolna figura kot krog. Ker je skoraj po naključju ugotovil, da se eliptične orbite dobro ujemajo z opazovanji, Kepler tega dejstva ni nikoli mogel uskladiti s svojo idejo, da se planeti vrtijo okoli Sonca pod vplivom magnetnih sil. Razlaga je prišla šele veliko kasneje, leta 1687, ko je Isaac Newton izdal knjigo "Matematični principi naravne filozofije". Newton v njem ni le predstavil teorije gibanja materialnih teles v času in prostoru, temveč je razvil tudi zapletene matematične metode, potrebne za analizo gibanja nebesnih teles.
Poleg tega je Newton postavil zakon o univerzalni gravitaciji, po katerem vsako telo v vesolju privlači katero koli drugo telo z večjo silo, večjo maso teh teles in manjšo razdaljo med njimi. To je tista sila, zaradi katere telesa padajo na tla. (Zgodba, da je Newtona navdihnilo jabolko, ki mu je padlo na glavo, je skoraj zagotovo nezanesljiva. Newton je sam o tem dejal le, da je ideja gravitacije prišla, ko je sedel v "kontemplativnem razpoloženju", "razlog pa je bil padec jabolka") …
Nadalje je Newton pokazal, da se po njegovem zakonu Luna pod delovanjem gravitacijskih sil giblje po eliptični orbiti okoli Zemlje, Zemlja in planeti pa se vrtijo v eliptičnih orbitah okoli Sonca. (8) Newtonov model je eno telo, ki se enakomerno giblje v absolutnem neskončnem prostoru in naravnost, dokler na to telo ne deluje sila (prvi zakon mehanike) ali dve telesi, ki delujeta drug na drugega z enakimi in nasprotnimi silami (tretji zakon mehanike); sila sama velja zgolj za vzrok pospeševanja gibajočih se teles (drugi zakon mehanike), torej kot da obstaja sama po sebi in od nikoder prihaja.
Newton je ohranil upoštevanje mehanike kot univerzalne fizikalne teorije. V XIX stoletju. to mesto je zavzela mehanična slika sveta, vključno z mehaniko, termodinamiko in kinetično teorijo snovi, elastično teorijo svetlobe in elektromagnetizmom. Odkritje elektrona je spodbudilo revizijo idej. Konec stoletja je H. Lorenz zgradil svojo elektronsko teorijo, da bi zajela vse naravne pojave, vendar tega ni dosegel. Težave, povezane z diskretnostjo naboja in kontinuiteto polja, ter problemi v teoriji sevanja ("ultravijolična katastrofa") so privedle do ustvarjanja slike sveta o kvantnem polju in kvantne mehanike.
Klasičen primer uporabe abstraktnih konceptov za razlago narave je leta 1915 dal Einstein, ki je objavil svojo resnično epohalno splošno teorijo relativnosti. To delo je eno redkih, ki označuje prelomnice v človekovem dojemanju sveta okoli sebe. Lepota Einsteinove teorije ni le posledica moči in elegance enačb gravitacijskega polja, temveč tudi izjemne radikalnosti njegovih pogledov. Splošna relativnost je samozavestno razglasila, da je gravitacija geometrija ukrivljenega prostora. Koncept pospeševanja v vesolju je zamenjal koncept ukrivljenosti prostora. (2)
Po nastanku SRT je bilo pričakovati, da bi lahko univerzalno pokrivanje naravnega sveta dalo elektromagnetno sliko sveta, ki je združevala teorijo relativnosti, Maxwellovo teorijo in mehaniko, vendar je bila ta iluzija kmalu razbita.
Posebna teorija relativnosti (SRT) (posebna teorija relativnosti; relativistična mehanika) je teorija, ki opisuje gibanje, zakone mehanike in razmerja med prostorom in časom pri hitrostih, ki so blizu svetlobni hitrosti. Newtonova klasična mehanika je v okviru posebne teorije relativnosti približek z nizko hitrostjo. Splošnost SRT za gravitacijska polja se imenuje splošna teorija relativnosti (GTR). SRT temelji na dveh postulatah:
1. V vseh vztrajnostnih referenčnih okvirih je svetlobna hitrost nespremenjena (je nespremenljiva) in ni odvisna od gibanja vira, sprejemnika ali samega okvirja. V klasični mehaniki Galilea - Newtona je hitrost relativnega približevanja dveh teles vedno večja od hitrosti teh teles in je odvisna tako od hitrosti enega predmeta kot od hitrosti drugega. Zato težko verjamemo, da hitrost svetlobe ni odvisna od hitrosti njenega vira, vendar je to znanstveno dejstvo.
2. Realni prostor in čas tvorita en sam štiridimenzionalni vesoljsko-časovni kontinuum, tako da med prehodom med referenčnimi okviri vrednost prostorsko-časovnega intervala med dogodki ostane nespremenjena. V SRT ni hkratnih dogodkov v vseh referenčnih okvirih. Tu se dva dogodka, hkratna v enem referenčnem okviru, časovno razlikujeta z vidika drugega, premikajočega se ali mirujočega referenčnega okvira.
V posebni teoriji relativnosti so ohranjene vse osnovne definicije klasične fizike - impulz, delo, energija. Vendar pa obstaja tudi novo: najprej odvisnost mase od hitrosti gibanja. Zato klasičnega izraza za kinetično energijo ni mogoče uporabiti, ker je bil pridobljen ob predpostavki, da masa predmeta ostane nespremenjena.
Številni teoretiki so poskušali gravitacijo in elektromagnetizem sprejeti z enotnimi enačbami. Pod vplivom Einsteina, ki je uvedel štiridimenzionalni prostor-čas, so nastale večdimenzionalne teorije polja, da bi pojave zmanjšali na geometrijske lastnosti prostora.
Poenotenje je bilo izvedeno na podlagi ugotovljene neodvisnosti svetlobne hitrosti za različne opazovalce, ki se gibljejo v praznem prostoru brez zunanjih sil. Einstein je upodobil svetovno črto predmeta na ravnini (slika 2), kjer je prostorska os usmerjena vodoravno, časovna os pa navpično. Potem je navpična črta svetovna črta predmeta, ki miruje v danem referenčnem okviru, poševna črta pa je predmet, ki se premika s konstantno hitrostjo. Ukrivljena svetovna črta ustreza pospešenemu gibanju predmeta. Vsaka točka na tej ravnini ustreza položaju na določenem mestu v določenem času in se imenuje dogodek. V tem primeru gravitacija ni več sila, ki deluje na pasivno ozadje prostora in časa, temveč je izkrivljanje prostora-časa samega. Navsezadnje je gravitacijsko polje »ukrivljenost prostora-časa.
Slika 2. Prostorsko-časovni diagram
Kmalu po nastanku (1905) posebna teorija relativnosti Einsteinu ni več ustrezala in začel je delati na njeni posplošitvi. Enako se je zgodilo s splošno relativnostjo. Leta 1925 je Einstein začel delati na teoriji, ki naj bi jo do konca svojih dni preučeval s kratkimi prekinitvami. Glavna težava, ki ga je skrbela - narava terenskih virov - je že imela neko zgodovino, ko se je Einstein lotil tega. Zakaj delci na primer ne razpadejo? Navsezadnje elektron nosi negativni naboj, negativni naboji pa se med seboj odbijajo, tj. elektron bi moral zaradi odbijanja sosednjih območij eksplodirati od znotraj!
V nekem smislu se ta težava ohranja do danes. Še ni bila zgrajena zadovoljiva teorija, ki opisuje sile, ki delujejo znotraj elektrona, vendar je težavam mogoče izogniti tako, da predpostavimo, da elektron nima notranje strukture - gre za točkovni naboj, ki nima dimenzij in ga zato ni mogoče raztrgati od znotraj.
Kljub temu je splošno sprejeto, da so se glavne določbe sodobne kozmologije - vede o strukturi in evoluciji vesolja - začele oblikovati po tem, ko je leta 1917 A. Einstein ustvaril prvi relativistični model, ki temelji na teoriji gravitacije in trdi, da opisuje celotno vesolje. Ta model je označil stacionarno stanje vesolja in, kot kažejo astrofizična opazovanja, se je izkazalo za napačno.
Pomemben korak pri reševanju kozmoloških problemov je leta 1922 naredil profesor na univerzi v Petrogradu A. A. Friedman (1888-1925). Kot rezultat reševanja kozmoloških enačb je prišel do zaključka: Vesolje ne more biti v mirujočem stanju - vse galaksije se odmikajo naprej v smeri naprej in zato so bile vse na istem mestu.
Naslednji korak je bil narejen leta 1924, ko je ameriški astronom E. Hubble (1889-1953) na observatoriju Mount Wilson v Kaliforniji izmeril razdaljo do najbližjih galaksij (takrat imenovane meglice) in s tem odkril svet galaksij. Ko so astronomi začeli preučevati spektre zvezd v drugih galaksijah, je bilo odkrito nekaj še bolj nenavadnega: naša lastna galaksija je imela enake značilne nabore manjkajočih barv kot zvezde, vendar so bile vse enake premaknjene proti rdečemu koncu spektra. Vidna svetloba so vibracije ali valovi elektromagnetnega polja. Frekvenca (število valov na sekundo) svetlobnih vibracij je izjemno velika - od štiristo do sedemsto milijonov valov na sekundo. Človeško oko zazna svetlobo različnih frekvenc kot različne barve, pri čemer najnižje frekvence ustrezajo rdečemu koncu spektra,najvišja pa do vijolične. Predstavljajte si vir svetlobe, ki se nahaja na določeni razdalji od nas (na primer zvezda) in oddaja svetlobne valove s konstantno frekvenco. Očitno bo frekvenca prihajajočih valov enaka tisti, s katero se oddajajo (tudi če je gravitacijsko polje galaksije majhno in je njegov vpliv neznaten). Recimo zdaj, da se vir začne premikati v našo smer. Ko bo izpuščen naslednji val, nam bo vir bližje in zato bo čas, da greben tega vala doseže do nas, manjši kot v primeru fiksne zvezde. Posledično bo čas med grebenoma obeh prihajajočih valov manjši, število valov, ki jih bomo prejeli v eni sekundi (tj. Frekvenca), pa večje kot takrat, ko je zvezda mirovala. Ko odstranite vir, bo frekvenca dohodnih valov manjša. To pomeni,da bodo spektri odmikajočih se zvezd rdeče premaknjeni (rdeči premik), spektri bližajočih se zvezd pa naj bi doživeli vijoličen premik. Ta povezava med hitrostjo in frekvenco se imenuje Dopplerjev učinek in je ta učinek pogost celo v našem vsakdanjem življenju. Dopplerjev učinek uporablja policija, ki hitrost vozil od daleč določi s frekvenco radijskih signalov, ki se od njih odbijajo.
Ko je dokazal, da obstajajo tudi druge galaksije, je Hubble vsa naslednja leta posvetil sestavljanju katalogov razdalj do teh galaksij in opazovanju njihovih spektrov. Takrat je večina znanstvenikov verjela, da je gibanje galaksij naključno, zato je treba spektre, premaknjene proti rdeči strani, opazovati toliko kot tiste, ki se premikajo proti vijolični. Kakšno presenečenje je bilo, ko smo v večini galaksij našli rdeči premik spektrov, torej se je izkazalo, da so se skoraj vse galaksije oddaljile od nas! Še bolj presenetljivo je bilo odkritje, ki ga je leta 1929 objavil Hubble: Hubble je odkril, da tudi velikost rdečega premika ni naključna, ampak je neposredno sorazmerna z razdaljo od nas do galaksije. Z drugimi besedami, bolj ko je galaksija oddaljena, hitreje se odmika! In to je pomenilo, da vesolje ne more biti statično, kot smo prej mislili,da se v resnici nenehno širi in razdalje med galaksijami ves čas naraščajo.
Širjenje vesolja pomeni, da je bil v preteklosti njegov obseg manjši kot zdaj. Če se čas obrne v modelu vesolja, ki sta ga razvila Einstein in Friedman, se bodo dogodki obrnili, kot v filmu, predvajanem od konca. Potem se izkaže, da je bil polmer vesolja pred približno 13 milijardami let zelo majhen, to je teža galaksije, medzvezdnega medija in sevanja - z eno besedo, vse, kar zdaj sestavlja vesolje, je bilo koncentrirano v zanemarljivi prostornini, skoraj nič. To primarno super gosto in vroče stanje vesolja nima nobenih analogov v današnji realnosti, domneva se, da je bila takrat gostota snovi vesolja primerljiva z gostoto atomskega jedra, celotno vesolje pa je bila velika jedrska kapljica. Iz nekega razloga je bila jedrska kapljica v nestabilnem stanju in je eksplodirala. Ta predpostavka je v središču koncepta velikega poka.
- Drugi del -