- Część druga -
Zunifikowana teoria wszechświata lub teoria wszystkiego jest hipotetyczną zunifikowaną teorią fizyczną i matematyczną, która opisuje wszystkie znane podstawowe interakcje. Termin ten był pierwotnie używany ironicznie w odniesieniu do różnych uogólnionych teorii. Z biegiem czasu termin ten ugruntował się w popularyzacjach fizyki kwantowej, określając teorię, która łączyłaby wszystkie cztery podstawowe interakcje w przyrodzie: oddziaływanie grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne jądrowe i słabe jądrowe. Ponadto musi wyjaśniać istnienie wszystkich cząstek elementarnych. Poszukiwanie ujednoliconej teorii nazywane jest jednym z głównych celów współczesnej nauki.
Pomysł ujednoliconej teorii powstał dzięki wiedzy zgromadzonej przez więcej niż jedno pokolenie naukowców. W miarę zdobywania wiedzy poszerzało się zrozumienie otaczającego świata i jego praw. Ponieważ naukowy obraz świata jest uogólnioną, systemową formacją, jego radykalnej zmiany nie można sprowadzić do osobnego, choćby największego, odkrycia naukowego. To ostatnie może jednak wywołać swego rodzaju reakcję łańcuchową, która może dać całą serię, kompleks odkryć naukowych, które ostatecznie doprowadzą do zmiany naukowego obrazu świata. W tym procesie najważniejsze są oczywiście odkrycia w naukach podstawowych, na których się opiera. Ponadto mając na uwadze, że nauka to przede wszystkim metoda, nietrudno przyjąć, że zmiana w naukowym obrazie świata powinna oznaczać również radykalną przebudowę metod pozyskiwania nowej wiedzy,w tym zmiany samych norm i ideałów nauki.
Rozwój idei świata nie nastąpił od razu. Takie jasno i jednoznacznie utrwalone radykalne zmiany w naukowych obrazach świata, tj. W historii rozwoju nauki w ogóle, aw szczególności nauk przyrodniczych, nastąpiły trzy rewolucje naukowe. Jeśli uosabiają je imiona naukowców, którzy odegrali najważniejszą rolę w tych wydarzeniach, to trzy globalne rewolucje naukowe należy nazwać arystotelesowską, newtonowską i Einsteina.
W VI - IV wieku. PNE. dokonała się pierwsza rewolucja w wiedzy o świecie, w wyniku której narodziła się sama nauka. Historyczne znaczenie tej rewolucji polega na odróżnieniu nauki od innych form poznania i opanowaniu świata, na stworzeniu pewnych norm i modeli konstruowania wiedzy naukowej. Oczywiście problem pochodzenia Wszechświata od dawna zajmuje umysły ludzi.
Według wielu wczesnych mitów judeochrześcijańsko-muzułmańskich, nasz wszechświat powstał w pewnym i niezbyt odległym momencie w przeszłości. Jednym z fundamentów takich przekonań była potrzeba znalezienia „pierwotnej przyczyny” wszechświata. Każde zdarzenie we Wszechświecie wyjaśnia się poprzez wskazanie jego przyczyny, to znaczy innego zdarzenia, które wydarzyło się wcześniej; takie wyjaśnienie istnienia samego Wszechświata jest możliwe tylko wtedy, gdyby miał początek. Inny powód wysunął bł. Augustyn (cerkiew prawosławna uważa Augustyna za błogosławionego, a Kościół katolicki za świętego). w książce „Miasto Boga”. Wskazał, że cywilizacja się rozwija, a my pamiętamy, kto popełnił ten czy inny czyn i kto wymyślił co. Dlatego ludzkość, a tym samym prawdopodobnie Wszechświat, prawdopodobnie nie będzie istnieć przez bardzo długi czas. Błogosławiony Augustyn uznał za możliwą do przyjęcia datę stworzenia Wszechświata, odpowiadającą Księdze Rodzaju: około 5000 lat pne. (Co ciekawe, ta data nie jest tak daleka od końca ostatniej epoki lodowcowej - 10.000 lat pne, którą archeolodzy uważają za początek cywilizacji).
Arystoteles i większość innych filozofów greckich nie podobała się idea stworzenia wszechświata, ponieważ była związana z boską interwencją. Dlatego wierzyli, że ludzie i otaczający ich świat istnieją i będą istnieć wiecznie. Starożytni naukowcy rozważali argument dotyczący postępu cywilizacji i zdecydowali, że powodzie i inne kataklizmy zdarzały się okresowo na świecie, które cały czas przywracały ludzkość do punktu wyjścia cywilizacji.
Arystoteles stworzył logikę formalną, tj. w rzeczywistości doktryna dowodu jest głównym narzędziem pozyskiwania i systematyzowania wiedzy; opracował aparat kategoryczny i pojęciowy; zatwierdziła rodzaj kanonu organizacji badań naukowych (historia zagadnienia, sformułowanie problemu, argumenty „za” i „przeciw”, uzasadnienie decyzji); obiektywnie zróżnicowała samą wiedzę naukową, oddzielając nauki przyrodnicze od metafizyki (filozofii), matematyki itp. Normy naukowej natury wiedzy ustalone przez Arystotelesa, modele wyjaśniania, opisu i uzasadniania w nauce cieszą się niekwestionowanym autorytetem od ponad tysiąca lat i wiele (na przykład prawa logiki formalnej) jest skutecznych do dziś.
Film promocyjny:
Najważniejszym fragmentem starożytnego naukowego obrazu świata była konsekwentna geocentryczna doktryna sfer świata. Geocentryzm tamtej epoki wcale nie był „naturalnym” opisem bezpośrednio obserwowalnych faktów. Był to trudny i odważny krok w nieznane: wszak dla jedności i spójności struktury kosmosu konieczne było uzupełnienie widzialnej półkuli niebieskiej analogiczną niewidzialną, aby dopuścić możliwość istnienia antypodów, tj. mieszkańcy przeciwnej strony globu itp.
Arystoteles uważał, że Ziemia jest nieruchoma, a Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy krążą wokół niej po kołowych orbitach. Wierzył w to, ponieważ zgodnie z jego mistycznymi poglądami Ziemię uważano za środek Wszechświata, a ruch kołowy był najdoskonalszy. Ptolemeusz rozwinął ideę Arystotelesa w kompletny model kosmologiczny w drugim wieku. Ziemia znajduje się w centrum, otoczona ośmioma kulami, na których znajduje się Księżyc, Słońce i pięć znanych wówczas planet: Merkury, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn (ryc. 1.1). Ptolemeusz wierzył, że same planety poruszają się po mniejszych kręgach połączonych z odpowiednimi kulami. To wyjaśniało bardzo trudną ścieżkę, którą, jak widzimy, podążają planety. Na ostatniej sferze znajdują się gwiazdy nieruchome, które pozostając w tej samej pozycji względem siebie, poruszają się po niebie jako całość. Nie wyjaśniono, co kryje się za ostatnią sferą, ale w każdym razie nie była to już część Wszechświata, który obserwuje ludzkość.
Model Ptolemeusza pozwolił dobrze przewidzieć położenie ciał niebieskich na firmamencie, ale dla dokładnej prognozy musiał przyjąć, że trajektoria Księżyca w niektórych miejscach zbliża się do Ziemi 2 razy bliżej niż w innych! Oznacza to, że w jednej pozycji Księżyc powinien wydawać się 2 razy większy niż w innej! Ptolemeusz zdawał sobie sprawę z tej wady, niemniej jednak jego teoria została przyjęta, chociaż nie wszędzie. Kościół chrześcijański przyjął ptolemejski model wszechświata jako niespójny z Biblią, ponieważ model ten był bardzo dobry, ponieważ pozostawiał dużo miejsca na piekło i niebo poza sferą gwiazd stałych. Jednak w 1514 roku polski ksiądz Mikołaj Kopernik zaproponował jeszcze prostszy model. (Z początku, być może w obawie, że Kościół uzna go za heretyka, Kopernik anonimowo propagował swój model). Jego pomysł byłże Słońce jest nieruchome w środku, a Ziemia i inne planety krążą wokół niego po kołowych orbitach. Minęło prawie sto lat, zanim pomysł Kopernika został potraktowany poważnie. Dwóch astronomów - niemiecki Johannes Kepler i włoski Galileo Galilei - publicznie poparło teorię Kopernika, mimo że orbity przewidziane przez Kopernika nie do końca pokrywały się z obserwowanymi. Teoria Arystotelesa-Ptolemeusza dobiegła końca w 1609 roku, kiedy Galileusz zaczął obserwować nocne niebo za pomocą swojego nowo wynalezionego teleskopu. Celując teleskopem w planetę Jowisz, Galileo odkrył kilka małych satelitów lub księżyców krążących wokół Jowisza. Oznaczało to, że nie wszystkie ciała niebieskie muszą koniecznie obracać się bezpośrednio wokół Ziemi, jak wierzyli Arystoteles i Ptolemeusz. (Oczywiście można jeszcze rozważyćże Ziemia spoczywa w środku wszechświata, a księżyce Jowisza poruszają się po bardzo złożonej ścieżce wokół Ziemi, tak że wydaje się, że tylko krążą wokół Jowisza. Jednak teoria Kopernika była znacznie prostsza. Jednocześnie Johannes Kepler zmodyfikował teorię Kopernika, opierając się na założeniu, że planety poruszają się nie po kołach, ale po elipsach (elipsa to wydłużony okrąg). Wreszcie, teraz prognozy zbiegły się z obserwacjami. Wreszcie, teraz prognozy zbiegły się z wynikami obserwacji. Wreszcie, teraz prognozy zbiegły się z obserwacjami.
Jeśli chodzi o Keplera, jego eliptyczne orbity były sztuczną hipotezą, a ponadto „nieeleganckie”, ponieważ elipsa jest znacznie mniej idealną figurą niż okrąg. Stwierdziwszy prawie przypadkowo, że orbity eliptyczne są zgodne z obserwacjami, Kepler nigdy nie był w stanie pogodzić tego faktu ze swoim poglądem, że planety krążą wokół Słońca pod wpływem sił magnetycznych. Wyjaśnienie pojawiło się znacznie później, w 1687 r., Kiedy Izaak Newton opublikował swoją książkę „Matematyczne zasady filozofii naturalnej”. W nim Newton nie tylko przedstawił teorię ruchu ciał materialnych w czasie i przestrzeni, ale także opracował złożone metody matematyczne niezbędne do analizy ruchu ciał niebieskich.
Ponadto Newton postulował prawo powszechnej grawitacji, zgodnie z którym każde ciało we Wszechświecie jest przyciągane do innego ciała z większą siłą, im większa jest masa tych ciał i im mniejsza odległość między nimi. To jest ta siła, która sprawia, że ciała spadają na ziemię. (Historia, że Newton został zainspirowany jabłkiem, które spadło mu na głowę, jest prawie na pewno niewiarygodna. Sam Newton powiedział o tym tylko, że idea grawitacji pojawiła się, gdy siedział w „kontemplacyjnym nastroju”, a „przyczyną był upadek jabłka”) …
Co więcej, Newton wykazał, że zgodnie z jego prawem, Księżyc pod działaniem sił grawitacyjnych porusza się po eliptycznej orbicie wokół Ziemi, a Ziemia i planety obracają się po eliptycznych orbitach wokół Słońca. (8) Model Newtona to jedno ciało poruszające się równomiernie w absolutnie nieskończonej przestrzeni i prostoliniowo, dopóki na to ciało nie zadziała siła (pierwsza zasada mechaniki) lub dwa ciała działające na siebie równymi i przeciwnymi siłami (trzecie prawo mechaniki); sama siła jest po prostu przyczyną przyspieszenia poruszających się ciał (druga zasada mechaniki), to znaczy tak, jakby istniała sama i znikąd nie pochodzi.
Newton zachował rozważanie mechaniki jako uniwersalnej teorii fizycznej. W XIX wieku. miejsce to zajął mechanistyczny obraz świata, obejmujący mechanikę, termodynamikę i kinetyczną teorię materii, sprężystą teorię światła i elektromagnetyzm. Odkrycie elektronu skłoniło do rewizji pomysłów. Pod koniec wieku H. Lorenz zbudował swoją elektroniczną teorię, aby objąć wszystkie zjawiska naturalne, ale nie osiągnął tego. Problemy związane z dyskretnością ładunku i ciągłością pola oraz problemy z teorią promieniowania („katastrofa ultrafioletowa”) doprowadziły do powstania kwantowo-polowego obrazu świata i mechaniki kwantowej.
Einstein podał klasyczny przykład użycia abstrakcyjnych pojęć do wyjaśnienia natury w 1915 roku, publikując swoją prawdziwie epokową ogólną teorię względności. Praca ta jest jedną z nielicznych, które wyznaczają punkty zwrotne w postrzeganiu otaczającego go świata przez człowieka. Piękno teorii Einsteina wynika nie tylko z siły i elegancji równań pola grawitacyjnego, ale także z przytłaczającego radykalizmu jego poglądów. Ogólna teoria względności z przekonaniem głosi, że grawitacja jest geometrią zakrzywionej przestrzeni. Pojęcie przyspieszenia w przestrzeni zostało zastąpione pojęciem krzywizny przestrzeni. (2)
Po stworzeniu SRT spodziewano się, że uniwersalne pokrycie świata przyrody może być zapewnione przez elektromagnetyczny obraz świata, który łączy teorię względności, teorię Maxwella i mechanikę, ale ta iluzja szybko została rozwiana.
Specjalna teoria względności (SRT) (specjalna teoria względności; mechanika relatywistyczna) to teoria opisująca ruch, prawa mechaniki i relacje czasoprzestrzenne przy prędkościach bliskich prędkości światła. W ramach specjalnej teorii względności klasyczna mechanika Newtona jest przybliżeniem o małej prędkości. Uogólnienie SRT dla pól grawitacyjnych nazywa się ogólną teorią względności (GTR). SRT opiera się na dwóch postulatach:
1. We wszystkich inercyjnych układach odniesienia prędkość światła jest niezmienna (jest niezmienna) i nie zależy od ruchu źródła, odbiornika ani samej ramki. W mechanice klasycznej Galileo-Newtona prędkość względnego zbliżania się dwóch ciał jest zawsze większa niż prędkości tych ciał i zależy zarówno od prędkości jednego obiektu, jak i od prędkości innego. Dlatego trudno nam uwierzyć, że prędkość światła nie zależy od prędkości jego źródła, ale jest to fakt naukowy.
2. Czas i przestrzeń rzeczywista tworzą jedno czterowymiarowe kontinuum czasoprzestrzenne, tak że podczas przejścia między ramkami odniesienia wartość odstępu czasoprzestrzennego między zdarzeniami pozostaje niezmieniona. W SRT nie ma jednoczesnych zdarzeń we wszystkich ramkach odniesienia. Tutaj dwa zdarzenia, równoczesne w jednym układzie odniesienia, wyglądają inaczej w czasie z punktu widzenia innego, w ruchu lub w spoczynku, układu odniesienia.
W specjalnej teorii względności zachowane są wszystkie podstawowe definicje fizyki klasycznej - impuls, praca, energia. Jest jednak i nowy: przede wszystkim zależność masy od prędkości ruchu. Dlatego nie można używać klasycznego wyrażenia na energię kinetyczną, ponieważ uzyskano je przy założeniu, że masa obiektu pozostaje niezmieniona.
Wielu teoretyków próbowało objąć grawitację i elektromagnetyzm za pomocą ujednoliconych równań. Pod wpływem Einsteina, który wprowadził czterowymiarową czasoprzestrzeń, zbudowano wielowymiarowe teorie pola, próbując sprowadzić zjawiska do geometrycznych właściwości przestrzeni.
Unifikację przeprowadzono na podstawie ustalonej niezależności prędkości światła dla różnych obserwatorów poruszających się w pustej przestrzeni przy braku sił zewnętrznych. Einstein przedstawił linię świata obiektu na płaszczyźnie (ryc. 2), na której oś przestrzenna jest skierowana poziomo, a oś czasowa - pionowo. Wtedy linia pionowa to światowa linia obiektu, który znajduje się w spoczynku w danym układzie odniesienia, a linia ukośna to obiekt poruszający się ze stałą prędkością. Zakrzywiona linia świata odpowiada przyspieszonemu ruchowi obiektu. Dowolny punkt na tej płaszczyźnie odpowiada pozycji w danym miejscu w określonym czasie i nazywany jest zdarzeniem. W tym przypadku grawitacja nie jest już siłą działającą na pasywnym tle przestrzeni i czasu, ale jest zniekształceniem samej czasoprzestrzeni. W końcu pole grawitacyjne jest „krzywizną czasoprzestrzeni.
Ryc.2. Diagram czasoprzestrzenny
Wkrótce po jej utworzeniu (1905) szczególna teoria względności przestała odpowiadać Einsteinowi i zaczął pracować nad jej uogólnieniem. To samo stało się z ogólną teorią względności. W 1925 roku Einstein zaczął pracować nad teorią, którą miał studiować z krótkimi przerwami do końca swoich dni. Główny problem, który go martwił - natura źródeł terenowych - miał już pewną historię, zanim zajął się nią Einstein. Dlaczego na przykład cząsteczki się nie rozpadają? W końcu elektron przenosi ładunek ujemny, a ładunki ujemne odpychają się, tj. elektron musiałby eksplodować od wewnątrz z powodu odpychania sąsiednich obszarów!
W pewnym sensie ten problem utrzymuje się do dziś. Nie zbudowano jeszcze satysfakcjonującej teorii opisującej siły działające wewnątrz elektronu, ale trudności można obejść, zakładając, że elektron nie ma struktury wewnętrznej - jest to ładunek punktowy, który nie ma wymiarów, a zatem nie można go oderwać od wewnątrz.
Niemniej jednak ogólnie przyjmuje się, że główne założenia współczesnej kosmologii - nauki o budowie i ewolucji Wszechświata - zaczęły się kształtować po stworzeniu w 1917 roku przez A. Einsteina pierwszego modelu relatywistycznego opartego na teorii grawitacji i twierdzącego, że opisuje cały Wszechświat. Model ten charakteryzował stacjonarny stan Wszechświata i, jak wykazały obserwacje astrofizyczne, okazał się błędny.
Ważny krok w rozwiązywaniu problemów kosmologicznych wykonał w 1922 roku profesor Uniwersytetu Piotrogrodzkiego A. A. Friedman (1888-1925). W wyniku rozwiązania równań kosmologicznych doszedł do wniosku: Wszechświat nie może znajdować się w stanie stacjonarnym - wszystkie galaktyki oddalają się od siebie w kierunku do przodu, a zatem wszystkie znajdowały się w tym samym miejscu.
Kolejny krok został podjęty w 1924 roku, kiedy amerykański astronom E. Hubble (1889-1953) zmierzył odległość do najbliższych galaktyk (nazywanych wówczas mgławicami) w Obserwatorium Mount Wilson w Kalifornii i tym samym odkrył świat galaktyk. Kiedy astronomowie zaczęli badać widma gwiazd w innych galaktykach, odkryto coś jeszcze dziwniejszego: nasza własna galaktyka miała te same charakterystyczne zestawy brakujących kolorów co gwiazdy, ale wszystkie zostały przesunięte o taką samą wartość w kierunku czerwonego końca widma. Światło widzialne to wibracje lub fale pola elektromagnetycznego. Częstotliwość (liczba fal na sekundę) wibracji światła jest niezwykle wysoka - od czterystu do siedmiuset milionów fal na sekundę. Oko ludzkie postrzega światło o różnych częstotliwościach jako różne kolory, przy czym najniższe częstotliwości odpowiadają czerwonemu końcowi widma,a najwyższy do fioletu. Wyobraź sobie źródło światła znajdujące się w stałej odległości od nas (na przykład gwiazdę), emitujące fale świetlne ze stałą częstotliwością. Oczywiście częstotliwość nadchodzących fal będzie taka sama jak ta, z którą są emitowane (nawet jeśli pole grawitacyjne galaktyki jest małe, a jego wpływ jest niewielki). Przypuśćmy teraz, że źródło zaczyna zmierzać w naszym kierunku. Gdy wyemitowana zostanie kolejna fala, źródło będzie bliżej nas, a zatem czas potrzebny na dotarcie do nas wierzchołka tej fali będzie krótszy niż w przypadku gwiazdy stałej. W konsekwencji czas między grzbietami dwóch nadchodzących fal będzie krótszy, a liczba fal, które otrzymamy w ciągu jednej sekundy (tj. Częstotliwość) będzie większa niż wtedy, gdy gwiazda była nieruchoma. Po usunięciu źródła częstotliwość napływających fal będzie mniejsza. To znaczy,że widma oddalających się gwiazd będą przesunięte ku czerwieni (przesunięcie ku czerwieni), a widma gwiazd zbliżających się powinny mieć przesunięcie fioletowe. Ten związek między prędkością a częstotliwością nazywany jest efektem Dopplera, a efekt ten jest powszechny nawet w naszym codziennym życiu. Z efektu Dopplera korzysta policja, która z daleka określa prędkość pojazdów na podstawie częstotliwości odbijanych od nich sygnałów radiowych.
Udowodniwszy, że istnieją inne galaktyki, Hubble poświęcił wszystkie kolejne lata na zestawienie katalogów odległości do tych galaktyk i obserwację ich widm. W tamtym czasie większość naukowców uważała, że ruch galaktyk jest przypadkowy, dlatego widma przesunięte w stronę czerwieni powinny być obserwowane w takim samym stopniu, jak widma przesunięte w stronę fioletu. Co za niespodzianka, gdy większość galaktyk wykazywała przesunięcie widm ku czerwieni, to znaczy okazało się, że prawie wszystkie galaktyki oddalają się od nas! Jeszcze bardziej zaskakujące było odkrycie opublikowane przez Hubble'a w 1929 roku: Hubble odkrył, że nawet wielkość przesunięcia ku czerwieni nie jest przypadkowa, ale jest wprost proporcjonalna do odległości od nas do galaktyki. Innymi słowy, im dalej galaktyka jest, tym szybciej się oddala! A to oznaczało, że wszechświat nie może być statyczny, jak wcześniej sądzono,że w rzeczywistości stale się rozszerza, a odległości między galaktykami cały czas rosną.
Ekspansja wszechświata oznacza, że w przeszłości jego objętość była mniejsza niż obecnie. Jeśli czas cofnie się w modelu wszechświata opracowanym przez Einsteina i Friedmana, wydarzenia potoczą się w odwrotnej kolejności, jak w filmie odtwarzanym od końca. Wtedy okazuje się, że około 13 miliardów lat temu promień Wszechświata był bardzo mały, to znaczy masa galaktyki, ośrodek międzygwiazdowy i promieniowanie - jednym słowem wszystko, co teraz tworzy Wszechświat, było skoncentrowane w znikomej objętości, bliskiej zeru. Ten pierwotny supergęsty i super-gorący stan Wszechświata nie ma odpowiedników w naszej współczesnej rzeczywistości Zakłada się, że w tamtym czasie gęstość substancji Wszechświata była porównywalna z gęstością jądra atomowego, a cały Wszechświat był wielką kroplą jądrową. Z jakiegoś powodu kropla jądrowa była w niestabilnym stanie i eksplodowała. To założenie leży u podstaw koncepcji Wielkiego Wybuchu.
- Część druga -