- Част първа -
Най-близо до реализирането на мечтата на Айнщайн дойде малко известният полски физик Теодор Калука, който още през 1921 г. се зае да обобщи теорията на Айнщайн, като включи електромагнетизма в геометричната формулировка на теорията на полето (подобно на това как геометрията на пространството-времето описва гравитацията). Това е трябвало да се направи, за да продължат да важат уравненията на теорията на Максуел за електромагнетизма. Калуза разбра, че теорията на Максуел не може да бъде формулирана на езика на чистата геометрия (в смисъла, в който обикновено я разбираме), дори да се предположи наличието на извито пространство. Калуза направи следващата стъпка след Айнщайн, добави към четиримерното пространство-време пета (ненаблюдаема) промяна, при която електромагнетизмът е вид „гравитация“(слабо и силно взаимодействие тогава не беше известно). Възниква въпросът:защо не усещаме това пето измерение по никакъв начин (за разлика от първите четири)?
През 1926 г. шведският физик Оскар Клайн предполага, че не забелязваме допълнителното измерение, тъй като то в известен смисъл се е „срутило“до много малък размер. Малък контур се простира от всяка точка в пространството до петото измерение. Не забелязваме всички тези цикли поради малкия им размер. Клайн изчислява периметъра на бримките около петото измерение, използвайки известната стойност на елементарния електрически заряд на електрона и други частици, както и величината на гравитационното взаимодействие между частиците. Оказа се равно на 10-32 см, т.е. 1020 пъти по-малък от размера на атомното ядро. Следователно не е изненадващо, че не забелязваме петото измерение: то е усукано в скала, която е много по-малка от размера на която и да е от структурите, които познаваме, дори във физиката на субядрените частици. Очевидно в този случай въпросът за движението не възниква, да речем,атом в петото измерение. По-скоро това измерение трябва да се мисли като намиращо се в атома.
За известно време теорията на Клауз-Клайн беше забравена, но когато силните, слабите и електромагнитните взаимодействия бяха комбинирани в една теория и оставаше да се намери обща теория за тях и за гравитацията, теорията на Клаус-Клайн отново се запомни. За да се извършат всички необходими операции по симетрия, беше необходимо да се добавят още 7 измерения (цялото пространство като цяло се оказа 11-измерно). И за да не се усетят тези допълнителни размери, те трябва да се навиват на много малък мащаб. Сега обаче възниква въпросът: ако едно измерение може да бъде превъртано само в кръг, тогава седем измерения могат да бъдат превърнати във фигура с различни топологии (или в 7-торен тор, или в 7-измерна сфера, или в някаква друга фигура). Най-простият модел, към който са склонни повечето учени, е 7-сферата (7-сфера). Както се очаквачетирите наблюдавани в момента измерения на пространство-времето не са се срутили, тъй като това състояние съответства на най-ниската енергия (към която са склонни всички физически системи). Има хипотеза, според която в ранните етапи от живота на Вселената всички тези измерения са били разгърнати.
Огромното разнообразие от природни системи и структури, техните характеристики и динамика се определят от взаимодействието на материални обекти, т.е. взаимното им действие един върху друг. Именно взаимодействието е основната причина за движението на материята, следователно взаимодействието, подобно на движението, е универсално, т.е. е присъщо на всички материални обекти, независимо от техния характер на произход и системна организация. Характеристиките на различните взаимодействия определят условията на съществуване и спецификата на свойствата на материалните обекти.
Взаимодействащите си обекти обменят енергия и - основните характеристики на тяхното движение. В класическата физика взаимодействието се определя от силата, с която единият материален обект действа върху друг.
Дълго време се смяташе, че взаимодействието на материални обекти, дори на голямо разстояние един от друг, се предава незабавно през празното пространство. Това твърдение е в съответствие с концепцията за действие на разстояние. Към момента експериментално е потвърдена и друга концепция - концепцията за действие от малък обхват: взаимодействията се предават чрез физически полета с крайна скорост, която не надвишава скоростта на светлината във вакуум. Тази, по същество, концепция за полето в квантовата теория на полето се допълва от твърдението: при всяко взаимодействие има обмен на специални частици - кванти на полето.
Взаимодействията на материални обекти и системи, наблюдавани в природата, са много разнообразни. Както показват физическите изследвания, обаче, всички взаимодействия могат да бъдат приписани на четири типа фундаментални взаимодействия: гравитационно, електромагнитно, силно и слабо.
Промоционално видео:
Гравитационното взаимодействие се проявява във взаимното привличане на всякакви материални обекти с маса. Той се предава чрез гравитационно поле и се определя от основен природен закон - закона за всеобщата гравитация. Законът за универсалната гравитация описва падането на материални тела в земното поле, движението на планетите от Слънчевата система, звездите и т.н.
В съответствие с квантовата теория на полето носители на гравитационното взаимодействие са гравитони - частици с нулева маса, кванти на гравитационното поле. Електромагнитното взаимодействие се причинява от електрически заряди и се предава чрез електрически и магнитни полета. Електрическо поле възниква, когато има електрически заряди, а магнитно поле, когато се движат. Променящото се магнитно поле генерира променливо електрическо поле, което от своя страна е източник на променливо магнитно поле.
Поради електромагнитното взаимодействие съществуват атоми и молекули, протичат химически трансформации на материята. Различни състояния на агрегация, триене, еластичност и др. се определят от силите на междумолекулното взаимодействие, електромагнитни по природа. Електромагнитното взаимодействие се описва от основните закони на електростатиката и електродинамиката: закона на Кулон, закона на Ампера и др., А в обобщен вид - от електромагнитната теория на Максуел, която свързва електрическото и магнитното поле. Приемането, преобразуването и прилагането на електрически и магнитни полета, както и електрически ток служат като основа за създаването на различни съвременни технически средства: електрически уреди, радиостанции, телевизори, осветителни и отоплителни устройства, компютри и др.
Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны - кванты электромагнитного поля с нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Например, воспринимаемый невооруженным глазом видимый свет, посредством которого отражается основная доля (около 90%) информации об окружающем мире, представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазоне длин волн (примерно 0,4-0,8 мкм), соответствующем максимуму солнечного излучения.
Силното взаимодействие осигурява свързването на нуклоните в ядрото. Определя се от ядрени сили, притежаващи независимост от заряда, действие от близко разстояние, насищане и други свойства. Силните взаимодействия са отговорни за стабилността на атомните ядра. Колкото по-силно е взаимодействието на нуклоните в ядрото, толкова по-стабилно е ядрото, толкова по-голяма е неговата специфична свързваща енергия. С увеличаване на броя на нуклоните в ядрото и, следователно, размера на ядрото, специфичната енергия на свързване намалява и ядрото може да се разпадне, което се случва с ядрата на елементите в края на периодичната таблица.
Предполага се, че силното взаимодействие се предава от глюони - частици, които „залепват” кварките, които са част от протони, неутрони и други частици.
Всички елементарни частици, с изключение на фотона, участват в слабото взаимодействие. Той определя по-голямата част от разпадането на елементарни частици, взаимодействието на неутрино с материята и други процеси. Слабото взаимодействие се проявява главно в процесите на бета разпадане на атомни ядра на много изотопи, свободни неутрони и др. Общоприето е, че носителите на слабото взаимодействие са виони - частици с маса, приблизително 100 пъти масата на протоните и неутроните.
Към днешна дата единна теория за описване на взаимодействията все още не е напълно разработена, но повечето учени са склонни към формирането на Вселената в резултат на Големия взрив: в нулевия момент във времето Вселената е възникнала от сингулярност, тоест от точка с нулев обем и безкрайно висока плътност и температура. Самото "начало" на Вселената, т.е. нейното състояние, съответстващо, според теоретичните изчисления, на радиус, близък до нула, убягва дори на теоретична концепция. Въпросът е, че уравненията на релативистката астрофизика остават валидни до плътност от около 1093 g / cm3. Вселената, компресирана до такава плътност, някога е имала радиус от порядъка на една десет милиардна част от сантиметър, тоест тя е била сравнима по размер с протон! Между другото, температурата на тази микрокосмос, която тежеше поне 1051 тона, беше невероятно висока и, очевидно,близо до 1032 градуса. Вселената беше толкова малка част от секундата след началото на „експлозията“. В самото "начало" както плътността, така и температурата се превръщат в безкрайност, т.е. това "начало", използвайки математическа терминология, е онази специална "единична" точка, за която уравненията на съвременната теоретична физика губят своя физически смисъл. Но това не означава, че преди „началото“не е имало нищо: ние просто не можем да си представим какво е било преди условното „начало“на Вселената. (3)че преди „началото“не е имало нищо: ние просто не можем да си представим какво е било преди условното „начало“на Вселената. (3)че преди „началото“не е имало нищо: ние просто не можем да си представим какво е било преди условното „начало“на Вселената. (3)
Когато възрастта на Вселената достигне една стотна от секундата, нейната температура спадна до около 1011 K, падайки под праговата стойност, при която могат да се произвеждат протони и неутрони, някои от тези частици са избегнали унищожението - в противен случай няма да има никаква материя в нашата съвременна Вселена. Една секунда след Големия взрив температурата спадна до 10 10 K и неутрино спря да взаимодейства с материята. Вселената е станала практически „прозрачна“за неутрино. Електроните и позитроните продължават да унищожават и да се появяват отново, но след около 10 секунди нивото на енергийна плътност на лъчението пада под техния праг и огромен брой електрони и позитрони се превръщат в радиация от катастрофалния процес на взаимно унищожение. В края на този процес обаче остава определен брой електрони, достатъчен заобединявайки се с протони и неутрони, пораждат количеството материя, което наблюдаваме днес във Вселената.
По-нататъшната история на Вселената е по-спокойна от бурното й начало. Скоростта на разширение постепенно се забавя, температурата, подобно на средната плътност, постепенно намалява и когато Вселената е на един милион години, нейната температура става толкова ниска (3500 градуса по Келвин), че протоните и ядрата на атомите на хелий вече могат да улавят свободни електрони и да се превръщат в неутрални атоми. От този момент по същество започва съвременният етап от еволюцията на Вселената. Появяват се галактики, звезди, планети. В крайна сметка, много милиарди години по-късно, Вселената стана това, което я виждаме.
Но това не е единствената хипотеза. Според една от хипотезите Вселената започва да се разширява хаотично и произволно, а след това под действието на някакъв механизъм на разсейване (затихване) възниква определен ред. Такова предположение за пълен първичен хаос, за разлика от пълната първична симетрия, е привлекателно, тъй като не изисква „създаване“на Вселената в някакво строго определено състояние. Ако учените успеят да намерят подходящ механизъм на затихване, това ще направи възможно съгласието с наблюдаваната сега форма на Вселената за много широк набор от първоначални условия.
Една от най-често срещаните хипотези за дисипационния механизъм е хипотезата за създаването на частици и античастици от енергията, която се произвежда от приливни ефекти в гравитационно поле. Частиците и античастиците се раждат в извито "празно" пространство (подобно на случая на пространство, извито от черна дупка) и пространството реагира на такова раждане чрез намаляване на кривината. Колкото повече е извито пространство-времето, толкова по-интензивно се получава създаването на частици и античастици. В една нехомогенна Вселена подобни ефекти би трябвало да изравнят всичко, създавайки състояние на хомогенност. Възможно е дори цялата материя във Вселената да е възникнала по този начин, а не от сингулярност. Такъв процес не изисква раждането на материя без антиматерия, както в оригиналната сингулярност. Трудността на тази хипотеза обаче е в товаче досега не е било възможно да се намери механизъм за разделяне на материята и антиматерията, който да не позволи на повечето от тях да се унищожат отново.
От една страна, съществуването на нехомогенности може да ни спаси от сингулярността, но Джордж Елис и Стивън Хокинг, използвайки математически модели, показаха, че като се вземат предвид някои много правдоподобни предположения за поведението на материята, при високи налягания не може да се изключи съществуването на поне една сингулярност, дори ако отклонения от еднородността. Поведението на анизотропна и нехомогенна вселена в миналото в близост до сингулярността може да бъде много сложно и е много трудно да се изградят някакви модели тук. По-лесно е да се използват моделите на Фридман, които предсказват поведението на Вселената от раждането до смъртта (в случай на сферична топология). Въпреки че отклоненията от еднообразието не освобождават нашата вселена от сингулярност в пространство-време, все пак е възможноче по-голямата част от наличната в момента материя във Вселената не попада в тази особеност. Експлозиите от този вид, когато материята на свръхвисока, но не безкрайна плътност, се появява в близост до една сингулярност, бяха наречени "хленчене". Теоремата на Хоукин-Елис обаче изисква енергията и налягането да останат положителни. Няма гаранция, че тези условия са изпълнени при свръхвисоки плътности на материята.
Съществува предположение, че квантовите ефекти, но не в материята, а в пространството-времето (квантовата гравитация), които стават много значими при високи стойности на кривината на пространство-време, могат да предотвратят изчезването на Вселената при сингулярност, причинявайки например „отскачане“материя при достатъчно висока плътност. Поради липсата на задоволителна теория за квантовата гравитация, разсъжденията не дават ясни заключения. Ако приемем хипотезата за "хленчене" или квантово "отскачане", това означава, че пространството и времето са съществували преди тези събития.
След откриването на разширяването на Вселената, през 1946 г., британските астрофизици Херман Бонди и Томас Голд предполагат, че въпреки че Вселената е хомогенна в пространството, тя трябва да бъде хомогенна във времето. В този случай тя трябва да се разширява с постоянна скорост и за да се предотврати намаляване на плътността на материята, непрекъснато трябва да се образуват нови галактики, които ще запълнят празнините, образувани от разпръскването на съществуващи галактики. Веществото за изграждане на нови галактики непрекъснато се появява с разширяването на Вселената. Такава вселена не е статична, а неподвижна: отделни звезди и галактики преминават през жизнения си цикъл, но като цяло Вселената няма начало или край. За да се обясни как изглежда материята, без да се нарушава законът за запазване на енергията,Фред Хойл изобретил нов тип поле - създаване на поле с отрицателна енергия. Когато се образува вещество, отрицателната енергия на това поле се усилва и общата енергия се запазва.
Честотата на атомно производство в този модел е толкова ниска, че не може да бъде открита експериментално. Към средата на 60-те години бяха направени открития, показващи, че Вселената се развива. Тогава беше открито фоново топлинно лъчение, което показва, че Вселената е била в горещо плътно състояние преди няколко милиарда години и следователно не може да бъде неподвижна.
Независимо от това, от философска гледна точка, концепцията за неродена и не умираща вселена е много привлекателна. Възможно е да се съчетаят философските достойнства на неподвижната вселена с теорията за големия взрив в модели на трептяща вселена. Този космологичен модел се основава на модела на Фридман със свиване, допълнен от предположението, че Вселената не загива, когато се появят сингулярности и в двата момента „края“, а преминава свръхплътно състояние и прави „скок“в следващия цикъл на разширяване и свиване. Този процес може да продължи безкрайно. Въпреки това, за да не се натрупват ентропия и фоново излъчване от предишни цикли на разширение-свиване, ще трябва да се приеме, че на етапа на висока плътност всички термодинамични закони са нарушени (следователно ентропията не се натрупва),обаче се предполага, че законите на теорията на относителността ще бъдат запазени. В своя краен израз такава гледна точка приема, че всички закони и световни константи във всеки цикъл ще бъдат нови и тъй като нищо не се запазва от цикъл в цикъл, тогава можем да говорим за вселени, физически несвързани помежду си. Със същия успех може да се предположи едновременното съществуване на безкраен ансамбъл от вселени, някои от тях може да са подобни на нашите. Тези заключения имат чисто философски характер и не могат да бъдат опровергани нито чрез експеримент, нито чрез наблюдение. (13)Със същия успех може да се предположи едновременното съществуване на безкраен ансамбъл от вселени, някои от тях може да са подобни на нашите. Тези заключения имат чисто философски характер и не могат да бъдат опровергани нито чрез експеримент, нито чрез наблюдение. (13)Със същия успех може да се предположи едновременното съществуване на безкраен ансамбъл от вселени, някои от тях може да са подобни на нашите. Тези заключения имат чисто философски характер и не могат да бъдат опровергани нито чрез експеримент, нито чрез наблюдение. (13)
Тъй като има много хипотези за създаването на Вселената, търсенето на теория за всичко е също толкова разнообразно - стандартният модел, теорията на струните, М-теорията, изключително простата теория на всичко, теориите за Великото обединение и т.н.
Стандартният модел е теоретична конструкция във физиката на елементарните частици, която описва електромагнитните, слаби и силни взаимодействия на всички елементарни частици. Стандартният модел не включва гравитацията. Досега всички прогнози на Стандартния модел бяха потвърдени чрез експеримент, понякога с фантастична точност от милионна част от процента. Едва през последните години започват да се появяват резултати, при които прогнозите на Стандартния модел се различават леко от експеримента и дори явления, които са изключително трудни за интерпретация в неговите рамки. От друга страна, очевидно е, че Стандартният модел не може да бъде последната дума във физиката на частиците, тъй като съдържа твърде много външни параметри и също така не включва гравитацията. Следователно търсенето на отклонения от стандартния модел е една от най-активните области на изследване през последните години.
Теорията на струните е клон на математическата физика, който изучава динамиката и взаимодействията не на точкови частици, а на едномерни удължени обекти, така наречените квантови струни. Теорията на струните съчетава идеите на квантовата механика и теорията на относителността, следователно на нейната основа вероятно ще бъде изградена бъдеща теория на квантовата гравитация. Теорията на струните се основава на хипотезата, че всички елементарни частици и техните фундаментални взаимодействия възникват в резултат на вибрации и взаимодействия на ултрамикроскопични квантови струни в скали от порядъка на дължината на Планк 10-35 м. Този подход, от една страна, избягва такива трудности на квантовата теория на полето като пренормализиране, от друга страна, води до по-задълбочен поглед върху структурата на материята и пространството-времето.
Квантовата теория на струните се появява в началото на 70-те години в резултат на разбирането на формулите на Габриеле Венециано, свързани със струнни модели на адронна структура. В средата на 80-те и средата на 90-те години се наблюдава бързото развитие на теорията на струните и се очакваше, че в близко бъдеще на основата на теорията на струните ще бъде формулирана „теория на всичко“. Но въпреки математическата строгост и цялост на теорията, все още не са намерени възможности за експериментално потвърждение на теорията на струните. Теорията, възникнала за описване на адронната физика, но не съвсем годна за това, се оказа в един вид експериментален вакуум на описание на всички взаимодействия.
М-теорията (мембранната теория) е съвременна физическа теория, създадена с цел комбиниране на фундаментални взаимодействия. Така наречената „брана“(многомерна мембрана) се използва като основен обект - удължен двумерен обект или с голям брой размери. В средата на 90-те години Едуард Витен и други теоретични физици откриват сериозни доказателства, че различни теории за суперструните представляват различни ограничаващи случаи на все още неразработена 11-измерна М-теория. В средата на 80-те години теоретиците стигат до заключението, че суперсиметрията, която е от основно значение за теорията на струните, може да бъде включена в нея по не един, а по пет различни начина, което води до пет различни теории: тип I, типове IIA и IIB и две хетеротични струнни теории. Само един от тях би могъл да твърди, че е „теория на всичко“и то единкоето при ниски енергии и компактифицирани шест допълнителни измерения биха се съгласили с реалните наблюдения. Оставаха въпроси за това коя теория е по-адекватна и какво да правим с останалите четири теории.
Изключително проста теория на всичко - единна теория на полето, която обединява всички известни физически взаимодействия, съществуващи в природата, предложена от американския физик Гарет Лизи на 6 ноември 2007 г. Теорията е интересна със своята елегантност, но изисква сериозно усъвършенстване. Някои известни физици вече изразиха своята подкрепа за това, но в теорията бяха открити редица неточности и проблеми.
Теории за голямото обединение - във физиката на елементарните частици, група теоретични модели, описващи по един начин силните, слабите и електромагнитните взаимодействия. Предполага се, че при изключително високи енергии тези взаимодействия се комбинират. (10)
С пълна увереност може да се каже, че бъдещите открития и теории ще обогатят, а не отхвърлят Вселената, която Питагор, Аристарх, Кеплер, Нютон и Айнщайн ни откриха - Вселена, хармонична като Вселената на Платон и Питагор, но изградена върху хармонията математически закони; Вселената е не по-малко съвършена от Вселената на Аристотел, но тя черпи своето съвършенство в абстрактните закони на симетрията; Вселената, в която безграничната празнина на междугалактическите пространства е залята с мека светлина, носеща послания от дълбините на времето, които все още са неразбираеми за нас; Вселената, която има начало във времето, но няма начало или край в пространството, което може би ще се разшири завинаги и може би един прекрасен момент, след като е спрял да се разширява, ще започне да се свива. Тази вселена съвсем не е като тазикоето беше изобразено в смелите умове на онези, които първи се осмелиха да зададат въпроса: „Какъв е наистина нашият свят?“Но мисля, че след като научиха за това, те не бяха разстроени.
- Част първа -
