- Druhá časť -
Unified Theory of the Universe, alebo Theory of Everything, je hypotetická jednotná fyzikálna a matematická teória, ktorá popisuje všetky známe základné interakcie. Tento termín sa pôvodne používal ironicky na označenie rôznych zovšeobecnených teórií. Postupom času sa tento pojem zakorenil v popularizácii kvantovej fyziky, aby označil teóriu, ktorá by kombinovala všetky štyri základné interakcie v prírode: gravitačné, elektromagnetické, silné jadrové a slabé jadrové interakcie. Okrem toho musí vysvetľovať existenciu všetkých elementárnych častíc. Hľadanie jednotnej teórie sa nazýva jedným z hlavných cieľov modernej vedy.
Myšlienka jednotnej teórie vznikla vďaka poznatkom zhromaždeným viac ako jednou generáciou vedcov. Po získaní vedomostí sa rozšírilo chápanie ľudstva pre okolitý svet a jeho zákony. Pretože vedeckým obrazom sveta je zovšeobecnená, systémová formácia, nemožno jej radikálnu zmenu zredukovať na samostatný, aj keď najväčší vedecký objav. Posledne menované však môže viesť k akejsi reťazovej reakcii, ktorá môže spôsobiť celú sériu komplexov vedeckých objavov, ktoré v konečnom dôsledku povedú k zmene vedeckého obrazu sveta. V tomto procese sú samozrejme najdôležitejšie objavy základných vied, o ktoré sa opiera. Okrem toho, nezabúdajúc na to, že veda je predovšetkým metóda, nie je ťažké predpokladať, že zmena vedeckého obrazu sveta by mala znamenať aj radikálnu reštrukturalizáciu metód získavania nových poznatkov,vrátane zmien v samotných normách a ideáloch vedeckosti.
K rozvoju myšlienky sveta nedošlo okamžite. Takéto jasne a jednoznačne zafixované radikálne zmeny vo vedeckých obrazoch sveta, t.j. V histórii vývoja vedy všeobecne a zvlášť prírodných vied existujú tri vedecké revolúcie. Ak sú zosobnené menami vedcov, ktorí pri týchto udalostiach hrali najvýraznejšiu úlohu, potom by sa tri globálne vedecké revolúcie mali nazývať aristotelovská, newtonovská a Einsteinova.
V VI - IV storočí. Pred Kr. prebehla prvá revolúcia v poznávaní sveta, v dôsledku ktorej sa zrodila samotná veda. Historický význam tejto revolúcie spočíva v odlíšení vedy od iných foriem poznávania a ovládania sveta, vo vytváraní určitých noriem a modelov pre budovanie vedeckých poznatkov. Samozrejme, problém vzniku vesmíru zamestnáva mysle ľudí už veľmi dlho.
Podľa mnohých raných židovsko-kresťansko-moslimských mýtov náš vesmír vznikol v určitom a v minulosti nie veľmi vzdialenom okamihu. Jedným zo základov takýchto viery bola potreba nájsť „hlavnú príčinu“vesmíru. Akákoľvek udalosť vo vesmíre sa vysvetľuje uvedením jej príčiny, teda ďalšou udalosťou, ktorá sa stala skôr; také vysvetlenie existencie samotného Vesmíru je možné, iba ak by malo svoj počiatok. Ďalší dôvod uviedol blahoslavený Augustín (pravoslávna cirkev považuje Augustína za blahoslaveného a katolícka cirkev - svätá). v knihe „Mesto Božie“. Poukázal na to, že civilizácia napreduje, a pamätáme si, kto spáchal ten či onen čin a kto čo vymyslel. Preto je nepravdepodobné, že ľudstvo, a teda pravdepodobne aj Vesmír, bude existovať veľmi dlho. Blahoslavený Augustín považoval za prijateľný dátum vytvorenia vesmíru zodpovedajúci knihe Genezis: približne 5 000 pred n. (Je zaujímavé, že tento dátum nie je tak ďaleko od konca poslednej doby ľadovej - 10 000 pred n. L., Ktorú archeológovia považujú za začiatok civilizácie).
Aristotelovi a väčšine ďalších gréckych filozofov sa nepáčila myšlienka stvorenia vesmíru, pretože bola spojená s božským zásahom. Preto verili, že ľudia a svet okolo nich existujú a budú existovať navždy. Starovekí vedci zvážili argument týkajúci sa pokroku civilizácie a rozhodli sa, že vo svete sa pravidelne vyskytujú povodne a ďalšie kataklizmy, ktoré celý čas vracajú ľudstvo do východiskového bodu civilizácie.
Aristoteles vytvoril formálnu logiku, t.j. doktrína dokazovania je v skutočnosti hlavným nástrojom na získavanie a systematizáciu poznatkov; vyvinul kategorický a koncepčný prístroj; schválil akýsi kánon pre organizáciu vedeckého výskumu (história čísla, formulácia problému, argumenty „za“a „proti“, odôvodnenie rozhodnutia); samotné objektívne diferencované vedecké poznatky, oddeľujúce prírodné vedy od metafyziky (filozofie), matematiky atď. Normy vedeckej povahy poznatkov stanovené Aristotelom, modely vysvetlenia, popisu a zdôvodnenia vo vede majú nespochybniteľnú autoritu už viac ako tisíc rokov a veľa z nich (napríklad zákony formálnej logiky) sú stále účinné.
Propagačné video:
Najdôležitejším fragmentom starodávneho vedeckého obrazu sveta bola dôsledná geocentrická doktrína svetových sfér. Geocentrizmus tej doby nebol vôbec „prirodzeným“opisom priamo pozorovateľných faktov. Bol to náročný a odvážny krok do neznáma: koniec koncov, pre jednotu a konzistenciu štruktúry vesmíru bolo potrebné doplniť viditeľnú nebeskú pologuľu analogicky neviditeľnou, pripustiť možnosť existencie antipódov, t.j. obyvatelia opačnej strany zemegule atď.
Aristoteles si myslel, že Zem je nehybná a Slnko, Mesiac, planéty a hviezdy sa okolo nej krútia po kruhových dráhach. Veril tomu, pretože podľa svojich mystických názorov považoval Zem za stred vesmíru a kruhový pohyb za najdokonalejší. Ptolemaios rozvinul Aristotelovu myšlienku do úplného kozmologického modelu v druhom storočí. Zem stojí v strede a je obklopená ôsmimi guľami nesúcimi Mesiac, Slnko a piatimi vtedy známymi planétami: Merkúr, Venuša, Mars, Jupiter a Saturn (obr. 1.1). Samotné planéty, ako veril Ptolemaios, sa pohybujú v menších kruhoch pripevnených k zodpovedajúcim guľám. To vysvetľovalo veľmi ťažkú cestu, ktorou, ako vidíme, planéty idú. Na úplne poslednej sfére sú pevné hviezdy, ktoré zostávajú navzájom v rovnakej polohe a pohybujú sa po oblohe ako celok. To, čo sa skrýva za poslednou sférou, nebolo vysvetlené, ale v každom prípade to už nebola časť vesmíru, ktorú ľudstvo pozoruje.
Ptolemaiov model umožnil dobre predpovedať polohu nebeských telies na oblohe, pre presnú predpoveď však musel akceptovať, že trajektória Mesiaca sa na niektorých miestach blíži k Zemi 2-krát bližšie ako na iných! To znamená, že v jednej polohe by sa Mesiac mal javiť dvakrát väčší ako v inej! Ptolemaios si túto chybu uvedomoval, napriek tomu bola jeho teória akceptovaná, hoci nie všade. Kresťanská cirkev akceptovala ptolemaiovský model vesmíru, pretože nie je v rozpore s Bibliou, pretože tento model bol veľmi dobrý v tom, že ponechával veľa priestoru peklu a nebu mimo sféry stálych hviezd. V roku 1514 však poľský kňaz Nicolaus Copernicus navrhol ešte jednoduchší model. (Koperník spočiatku, pravdepodobne v obave, že ho Cirkev vyhlási za kacíra, propagoval jeho model anonymne). Jeho nápad bolže Slnko je v strede nehybné a Zem a ďalšie planéty sa okolo neho krútia po kruhových dráhach. Ubehlo takmer storočie, kým sa Koperníkova myšlienka začala brať vážne. Dvaja astronómovia - Nemec Johannes Kepler a Talian Galileo Galilei - verejne podporili Koperníkovu teóriu, aj keď sa obe dráhy predpovedané Koperníkom celkom nezhodovali s pozorovanými. Teória Aristotela-Ptolemaia sa skončila v roku 1609, keď Galileo začal pozorovať nočnú oblohu svojím novo vynájdeným ďalekohľadom. Galileo zameraním ďalekohľadu na planétu Jupiter objavil niekoľko malých satelitov alebo mesiacov obiehajúcich okolo Jupitera. To znamenalo, že nie všetky nebeské telesá sa musia nevyhnutne točiť priamo okolo Zeme, ako verili Aristoteles a Ptolemaios. (Samozrejme, stále by sa dalo uvažovaťže Zem spočíva v strede vesmíru a mesiace Jupitera sa pohybujú po veľmi zložitej ceste okolo Zeme, takže sa zdá, akoby sa točili iba okolo Jupitera. Koperníkova teória však bola oveľa jednoduchšia.) Johannes Kepler zároveň Koperníkovu teóriu upravil na základe predpokladu, že planéty sa nepohybujú v kruhoch, ale v elipsách (elipsa je pretiahnutý kruh). Nakoniec sa teraz predpovede zhodovali s výsledkami pozorovaní. Nakoniec sa teraz predpovede zhodovali s pozorovaniami. Nakoniec sa teraz predpovede zhodovali s výsledkami pozorovaní.
Pokiaľ ide o Keplera, jeho eliptické dráhy boli umelou hypotézou a navyše „neelegantnou“, pretože elipsa je oveľa menej dokonalá postava ako kruh. Kepler takmer náhodne zistil, že eliptické dráhy sú v dobrej zhode s pozorovaniami, a preto nikdy nedokázal zosúladiť túto skutočnosť so svojou predstavou, že planéty sa otáčajú okolo Slnka pod vplyvom magnetických síl. Vysvetlenie prišlo až oveľa neskôr, v roku 1687, keď Isaac Newton vydal knihu „Matematické princípy prírodnej filozofie“. Newton v ňom predložil nielen teóriu pohybu hmotných telies v čase a priestore, ale vyvinul aj zložité matematické metódy potrebné na analýzu pohybu nebeských telies.
Newton navyše postuloval zákon univerzálnej gravitácie, podľa ktorého je každé teleso vo vesmíre priťahované k akémukoľvek inému telesu s väčšou silou, tým väčšia je hmotnosť týchto telies a menšia vzdialenosť medzi nimi. To je samotná sila, ktorá núti telá padať na zem. (Príbeh, že Newton sa inšpiroval jablkom, ktoré mu spadlo na hlavu, je takmer určite nespoľahlivý. Sám Newton o tom povedal iba toľko, že myšlienka gravitácie prišla, keď sedel v „kontemplatívnej nálade“, a „dôvodom bol pád jablka“) …
Newton ďalej ukázal, že podľa jeho zákona sa Mesiac pod pôsobením gravitačných síl pohybuje na eliptickej dráhe okolo Zeme a Zem a planéty rotujú na eliptických dráhach okolo Slnka. (8) Newtonov model je jedno teleso pohybujúce sa rovnomerne v absolútnom nekonečnom priestore a priamo, až kým na toto teleso nebude pôsobiť sila (prvý zákon mechaniky) alebo dve telesá pôsobiace na seba rovnakými a opačnými silami (tretí zákon mechaniky); samotná sila sa považuje iba za príčinu zrýchlenia pohybujúcich sa telies (druhý zákon mechaniky), to znamená, akoby existovala sama o sebe a z ničoho nič pochádza.
Newton zachoval úvahy o mechanike ako o univerzálnej fyzikálnej teórii. V XIX storočí. toto miesto zaujal mechanistický obraz sveta, ktorý zahŕňa mechaniku, termodynamiku a kinetickú teóriu hmoty, elastickú teóriu svetla a elektromagnetizmus. Objav elektrónu podnietil revíziu myšlienok. Na konci storočia vytvoril H. Lorenz svoju elektronickú teóriu tak, aby zahŕňala všetky prírodné javy, ale nedosiahol to. Problémy spojené s diskrétnosťou náboja a kontinuitou poľa a problémy v teórii žiarenia („ultrafialová katastrofa“) viedli k vytvoreniu obrazu kvantového poľa o svete a kvantovej mechanike.
Einstein uviedol klasický príklad použitia abstraktných pojmov na vysvetlenie prírody v roku 1915 a publikoval svoju skutočne epochálnu všeobecnú teóriu relativity. Táto práca je jednou z mála, ktoré označujú body obratu vo vnímaní sveta človekom okolo neho. Krása Einsteinovej teórie je daná nielen silou a eleganciou rovníc gravitačného poľa, ale aj ohromnou radikálnosťou jeho názorov. Všeobecná teória relativity s istotou vyhlásila, že gravitácia je geometria zakriveného priestoru. Koncept akcelerácie vo vesmíre bol nahradený konceptom zakrivenia vesmíru. (2)
Po vytvorení SRT sa očakávalo, že univerzálne pokrytie prírodného sveta môže poskytnúť elektromagnetický obraz sveta, ktorý kombinuje teóriu relativity, Maxwellovu teóriu a mechaniku, ale táto ilúzia bola čoskoro rozptýlená.
Špeciálna teória relativity (SRT) (špeciálna teória relativity; relativistická mechanika) je teória, ktorá popisuje pohyb, zákony mechaniky a časopriestorové vzťahy pri rýchlostiach blízkych rýchlosti svetla. V rámci špeciálnej teórie relativity predstavuje Newtonova klasická mechanika aproximáciu pri nízkej rýchlosti. Zovšeobecnenie SRT pre gravitačné polia sa nazýva všeobecná teória relativity (GRT). SRT je založená na dvoch postulátoch:
1. Vo všetkých zotrvačných referenčných rámcoch je rýchlosť svetla nezmenená (je nemenná) a nezávisí od pohybu zdroja, prijímača alebo samotného rámca. V klasickej mechanike Galileo - Newtona je rýchlosť relatívneho priblíženia dvoch telies vždy vyššia ako rýchlosť týchto telies a závisí tak od rýchlosti jedného objektu, ako aj od rýchlosti druhého. Preto je pre nás ťažké uveriť, že rýchlosť svetla nezávisí od rýchlosti jeho zdroja, ale je to vedecký fakt.
2. Reálny priestor a čas tvoria jediné štvorrozmerné časopriestorové kontinuum, takže počas prechodu medzi referenčnými rámcami zostáva hodnota časopriestorového intervalu medzi udalosťami nezmenená. V SRT neexistujú žiadne simultánne udalosti vo všetkých referenčných rámcoch. Tu dve udalosti, simultánne v jednej referenčnej sústave, vyzerajú časovo odlišne z pohľadu inej, pohyblivej alebo v pokoji, referenčnej sústavy.
Špeciálna teória relativity zachováva všetky základné definície klasickej fyziky - impulz, práca, energia. Existuje však aj nový: v prvom rade závislosť hmoty od rýchlosti pohybu. Preto nemožno použiť klasický výraz pre kinetickú energiu, pretože bol získaný za predpokladu, že hmotnosť objektu zostane nezmenená.
Mnoho teoretikov sa pokúsilo prijať gravitáciu a elektromagnetizmus pomocou zjednotených rovníc. Pod vplyvom Einsteina, ktorý zaviedol štvorrozmerný časopriestor, boli postavené multidimenzionálne teórie poľa v snahe redukovať javy na geometrické vlastnosti priestoru.
Zjednotenie sa uskutočnilo na základe stanovenej nezávislosti rýchlosti svetla pre rôznych pozorovateľov pohybujúcich sa v prázdnom priestore pri absencii vonkajších síl. Einstein vykreslil svetovú čiaru objektu v rovine (obr. 2), kde je priestorová os nasmerovaná vodorovne a časová os zvisle. Potom je zvislá čiara svetová čiara objektu, ktorý je v danom referenčnom rámci v pokoji, a šikmá čiara je objekt pohybujúci sa konštantnou rýchlosťou. Zakrivená svetová čiara zodpovedá zrýchlenému pohybu objektu. Akýkoľvek bod v tejto rovine zodpovedá polohe na danom mieste v danom čase a nazýva sa udalosťou. V tomto prípade už gravitácia nie je sila pôsobiaca na pasívne pozadie priestoru a času, ale je skreslením samotného časopriestoru. Gravitačné pole je koniec koncov „zakrivenie časopriestoru.
Obr. Časopriestorový diagram
Krátko po svojom vzniku (1905) prestala Einsteinovi vyhovovať špeciálna teória relativity a začal pracovať na jej zovšeobecnení. To isté sa stalo so všeobecnou relativitou. V roku 1925 začal Einstein pracovať na teórii, ktorú mal predurčiť na štúdium s krátkymi prerušeniami až do konca svojich dní. Hlavný problém, ktorý ho znepokojoval - povaha poľných zdrojov - už mal určitú históriu, keď sa jej Einstein chopil. Prečo sa napríklad nerozpadajú častice? Nakoniec, elektrón nesie záporný náboj a záporné náboje sa navzájom odpudzujú, t.j. elektrón by musel explodovať zvnútra kvôli odpudeniu susedných oblastí!
V istom zmysle tento problém pretrval dodnes. Doposiaľ nebola vytvorená uspokojivá teória, ktorá by popisovala sily, ktoré pôsobia vo vnútri elektrónu, ale ťažkosti je možné obísť predpokladom, že elektrón nemá vnútornú štruktúru - je to bodový náboj, ktorý nemá rozmery, a preto ho nemožno odtrhnúť zvnútra.
Napriek tomu sa všeobecne uznáva, že hlavné ustanovenia modernej kozmológie - veda o štruktúre a vývoji vesmíru - sa začali formovať po tom, čo A. Einstein v roku 1917 vytvoril prvý relativistický model založený na teórii gravitácie a tvrdil, že popisuje celý Vesmír. Tento model charakterizoval stacionárny stav vesmíru a, ako ukazujú astrofyzikálne pozorovania, ukázal sa ako nesprávny.
Dôležitý krok pri riešení kozmologických problémov urobil v roku 1922 profesor Petrohradskej univerzity A. A. Friedman (1888-1925). V dôsledku riešenia kozmologických rovníc dospel k záveru: Vesmír nemôže byť v stacionárnom stave - všetky galaxie sa vzďaľujú smerom od seba vpred, a preto boli všetky na rovnakom mieste.
Ďalší krok bol urobený v roku 1924, keď americký astronóm E. Hubble (1889-1953) zmeral vzdialenosť k najbližším galaxiám (v tom čase nazývaných hmloviny) na observatóriu Mount Wilson v Kalifornii, a tak objavil svet galaxií. Keď astronómovia začali študovať spektrá hviezd v iných galaxiách, objavilo sa niečo ešte zvláštnejšie: naša vlastná galaxia mala rovnaké charakteristické súbory chýbajúcich farieb ako hviezdy, ale všetky boli posunuté o rovnaké množstvo smerom k červenému koncu spektra. Viditeľným svetlom sú vibrácie alebo vlny elektromagnetického poľa. Frekvencia (počet vĺn za sekundu) svetelných vibrácií je mimoriadne vysoká - od štyristo do sedemsto miliónov vĺn za sekundu. Ľudské oko vníma svetlo rôznych frekvencií ako rôzne farby, pričom najnižšie frekvencie zodpovedajú červenému koncu spektra,a najvyššia až fialová. Predstavte si svetelný zdroj umiestnený v pevnej vzdialenosti od nás (napríklad hviezda), vyžarujúci svetelné vlny s konštantnou frekvenciou. Je zrejmé, že frekvencia prichádzajúcich vĺn bude rovnaká ako frekvencia, s ktorou sú emitované (aj keď je gravitačné pole galaxie malé a jeho vplyv je zanedbateľný). Predpokladajme, že teraz, keď sa zdroj začne pohybovať našim smerom. Keď bude vyžarovaná ďalšia vlna, zdroj bude bližšie k nám, a preto čas, ktorý trvá, kým sa k nám hrebeň tejto vlny dostane, bude kratší ako v prípade stálej hviezdy. V dôsledku toho bude čas medzi vrcholmi dvoch prichádzajúcich vĺn menší a počet vĺn, ktoré dostaneme za jednu sekundu (t. J. Frekvencia), bude väčší, ako keď hviezda stála. Po odstránení zdroja bude frekvencia prichádzajúcich vĺn menšia. To znamená,že spektrá ustupujúcich hviezd budú posunuté do červena (červený posun) a spektrá blížiacich sa hviezd by mali zažiť fialový posun. Tento vzťah medzi rýchlosťou a frekvenciou sa nazýva Dopplerov jav a tento jav je bežný aj v našom každodennom živote. Dopplerov efekt využíva polícia, ktorá z diaľky určuje rýchlosť vozidiel podľa frekvencie rádiových signálov od nich odrážaných.
Keď Hubble dokázal, že existujú aj ďalšie galaxie, venoval sa všetkým nasledujúcim rokom zostavovaniu katalógov vzdialeností od týchto galaxií a pozorovaniu ich spektier. V tom čase väčšina vedcov verila, že pohyb galaxií nastáva náhodne, a preto treba pozorovať spektrá posunuté smerom k červenej strane rovnako ako spektrá posunuté smerom k fialovej. Aké bolo prekvapenie, keď väčšina galaxií preukázala červený posun spektra, to znamená, že sa ukázalo, že takmer všetky galaxie sa od nás vzďaľujú! O to prekvapivejší bol objav zverejnený Hubblom v roku 1929: Hubble zistil, že ani veľkosť červeného posuvu nie je náhodná, ale je priamo úmerná vzdialenosti od nás do galaxie. Inými slovami, čím ďalej je galaxia, tým rýchlejšie sa vzďaľuje! A to znamenalo, že vesmír nemohol byť statický, ako sa predtým myslelo,že sa v skutočnosti neustále rozširuje a vzdialenosti medzi galaxiami neustále rastú.
Expanzia vesmíru znamená, že v minulosti bol jeho objem menší ako v súčasnosti. Ak sa v modeli vesmíru vyvinutom Einsteinom a Friedmanom obráti čas, udalosti sa obrátia, ako vo filme hranom od konca. Potom sa ukáže, že asi pred 13 miliardami rokov bol polomer Vesmíru veľmi malý, to znamená váha galaxie, medzihviezdneho média a žiarenia - jedným slovom všetko, čo teraz tvorí Vesmír, bolo koncentrované v zanedbateľnom objeme, blízko nuly. Tento primárny superhustý a veľmi horúci stav vesmíru nemá v našej súčasnej realite obdoby. Predpokladá sa, že v tom čase bola hustota hmoty vo vesmíre porovnateľná s hustotou atómového jadra a celý vesmír bol veľkým poklesom jadra. Z nejakého dôvodu bol pokles jadra v nestabilnom stave a explodoval. Tento predpoklad je jadrom koncepcie veľkého tresku.
- Druhá časť -