- Част две -
Единната теория на Вселената, или Теорията на всичко, е хипотетична единна физическа и математическа теория, която описва всички известни фундаментални взаимодействия. Първоначално този термин се използва по ироничен начин за обозначаване на различни обобщени теории. С течение на времето терминът се закрепи в популяризациите на квантовата физика, за да обозначи теория, която ще съчетае всичките четири основни взаимодействия в природата: гравитационно, електромагнитно, силно ядрено и слабо ядрено взаимодействие. Освен това трябва да обясни съществуването на всички елементарни частици. Търсенето на Единна теория се нарича една от основните цели на съвременната наука.
Идеята за единна теория възниква благодарение на знанията, натрупани от повече от едно поколение учени. С придобиването на знания, разбирането на човечеството за околния свят и неговите закони се разширява. Тъй като научната картина на света е обобщена, системна формация, нейната радикална промяна не може да бъде сведена до отделно, дори и най-голямото научно откритие. Последното обаче може да породи вид верижна реакция, способна да даде цяла поредица, комплекс от научни открития, които в крайна сметка ще доведат до промяна в научната картина на света. В този процес най-важни, разбира се, са откритията във фундаменталните науки, на които той разчита. Освен това, като се помни, че науката е предимно метод, не е трудно да се предположи, че промяната в научната картина на света трябва да означава и радикално преструктуриране на методите за получаване на нови знания,включително промени в самите норми и идеали на науката.
Развитието на идеята за света не е настъпило веднага. Такива ясно и недвусмислено фиксирани радикални промени в научните картини на света, т.е. В историята на развитието на науката като цяло и в частност на естествената наука има три научни революции. Ако те са олицетворени от имената на учените, изиграли най-видната роля в тези събития, тогава трите глобални научни революции трябва да бъдат наречени Аристотелова, Нютонова и Айнщайнска.
През VI - IV век. Пр.н.е. е извършена първата революция в познанието за света, в резултат на която се ражда самата наука. Историческият смисъл на тази революция се крие в разграничаването на науката от другите форми на познание и овладяване на света, в създаването на определени норми и модели за изграждане на научно познание. Разбира се, проблемът за произхода на Вселената заема умовете на хората от дълго време.
Според редица ранни юдео-християнско-мюсюлмански митове нашата Вселена е възникнала в определен и не много отдалечен момент от миналото. Една от основите на подобни вярвания е била необходимостта да се открие „основната причина“на Вселената. Всяко събитие във Вселената се обяснява чрез посочване на неговата причина, тоест друго събитие, което се е случило по-рано; такова обяснение на съществуването на самата Вселена е възможно само ако е имало начало. Друга основа е изложена от блажения Августин (Православната църква счита Августин за благословен, а католическата църква - за светец). в книгата „Град Божи”. Той посочи, че цивилизацията напредва и ние помним кой е извършил това или онова дело и кой какво е измислил. Следователно, човечеството и следователно, Вселената, е малко вероятно да съществува много дълго време. Благословеният Августин смятал за приемлива дата за създаването на Вселената, съответстваща на книгата Битие: приблизително 5000 г. пр. Н. Е. (Интересното е, че тази дата не е толкова далеч от края на последния ледников период - 10 000 г. пр. Н. Е., Което археолозите смятат за началото на цивилизацията).
Аристотел и повечето други гръцки философи не харесват идеята за създаването на Вселената, тъй като тя е свързана с божествена намеса. Затова те вярвали, че хората и светът около тях съществуват и ще продължат да съществуват завинаги. Древните учени разглеждат аргумента относно цивилизационния прогрес и решават, че периодично в света се случват наводнения и други катаклизми, които през цялото време връщат човечеството в изходната точка на цивилизацията.
Аристотел е създал формална логика, т.е. всъщност доктрината за доказване е основният инструмент за извличане и систематизиране на знанията; разработи категоричен и концептуален апарат; одобри един вид канон за организиране на научни изследвания (история на проблема, изявление на проблема, аргументи „за“и „против“, обосновка на решението); обективно диференцирано само научно познание, отделящо природните науки от метафизиката (философия), математиката и т.н. Нормите на научния характер на знанието, заложени от Аристотел, модели на обяснение, описание и обосновка в науката се радват на безспорен авторитет повече от хиляда години и много (законите на официалната логика например) все още са ефективни.
Промоционално видео:
Най-важният фрагмент от древната научна картина на света е последователната геоцентрична доктрина за световните сфери. Геоцентризмът от онази епоха съвсем не е бил „естествено“описание на директно наблюдаеми факти. Това беше трудна и смела стъпка в неизвестното: в крайна сметка за единството и последователността на структурата на космоса беше необходимо да се допълни видимото небесно полукълбо с аналогично невидимо, да се признае възможността за съществуването на антиподи, т.е. жители от противоположната страна на земното кълбо и др.
Аристотел смятал, че Земята е неподвижна, а Слънцето, Луната, планетите и звездите се въртят около нея по кръгови орбити. Той вярваше така, защото в съответствие с неговите мистични възгледи Земята се смяташе за център на Вселената, а кръговото движение беше най-съвършеното. Птолемей развива идеята на Аристотел в цялостен космологичен модел през втория век. Земята стои в центъра, заобиколена от осем сфери, носещи Луната, Слънцето и пет известни тогава планети: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн (фиг. 1.1). Самите планети, смята Птолемей, се движат в по-малки кръгове, прикрепени към съответните сфери. Това обясни много трудния път, по който, както виждаме, поемат планетите. На последната сфера има неподвижни звезди, които, оставайки в една и съща позиция една спрямо друга, се движат през небето всички заедно като едно цяло. Какво се крие зад последната сфера не беше обяснено, но във всеки случай това вече не беше част от Вселената, която човечеството наблюдава.
Моделът на Птолемей даде възможност да се предскаже добре положението на небесните тела на небесния свод, но за точно предсказание той трябваше да приеме, че траекторията на Луната на някои места се приближава до Земята 2 пъти по-близо, отколкото на други! Това означава, че в една позиция Луната трябва да изглежда 2 пъти по-голяма, отколкото в друга! Птолемей е съзнавал този недостатък, но въпреки това теорията му е била приета, макар и не навсякъде. Християнската църква приела Птолемеевия модел на Вселената като несъвместим с Библията, тъй като този модел бил много добър, тъй като оставял много място за ада и рая извън сферата на неподвижните звезди. През 1514 г. обаче полският свещеник Николай Коперник предлага още по-опростен модел. (Отначало, страхувайки се, може би, от това, че Църквата ще го обяви за еретик, Коперник пропагандира своя модел анонимно). Идеята му бешече Слънцето е неподвижно в центъра, а Земята и другите планети се въртят около него по кръгови орбити. Измина почти век, преди идеята на Коперник да бъде взета на сериозно. Двама астрономи - германецът Йоханес Кеплер и италианецът Галилео Галилей - публично подкрепиха теорията на Коперник, въпреки че предсказаните от Коперник орбити не съвпадат съвсем с наблюдаваните. Теорията на Аристотел-Птолемей приключва през 1609 г., когато Галилей започва да наблюдава нощното небе със своя новоизобретен телескоп. Като насочва телескоп към планетата Юпитер, Галилей открива няколко малки спътника или луни, обикалящи около Юпитер. Това означаваше, че не всички небесни тела трябва непременно да се въртят директно около Земята, както вярваха Аристотел и Птолемей. (Разбира се, все още може да се помисличе Земята лежи в центъра на Вселената, а луните на Юпитер се движат по много сложен път около Земята, така че изглежда само сякаш се въртят около Юпитер. Теорията на Коперник обаче беше много по-проста.) В същото време Йоханес Кеплер модифицира теорията на Коперник, като се основава на предположението, че планетите се движат не в кръгове, а в елипси (елипсата е удължен кръг). И накрая, сега прогнозите съвпаднаха с резултатите от наблюденията. И накрая, сега прогнозите съвпаднаха с резултатите от наблюденията. И накрая, сега прогнозите съвпаднаха с резултатите от наблюденията.
Що се отнася до Кеплер, неговите елипсовидни орбити бяха изкуствена хипотеза и освен това „неелегантен“, тъй като елипсата е много по-малко съвършена фигура от кръга. Откривайки почти случайно, че елиптичните орбити са в добро съгласие с наблюденията, Кеплер никога не е успял да примири този факт с идеята си, че планетите се въртят около Слънцето под въздействието на магнитни сили. Обяснението идва едва много по-късно, през 1687 г., когато Исак Нютон публикува книгата си "Математически принципи на естествената философия". В него Нютон не само излага теория за движението на материалните тела във времето и пространството, но също така разработва сложни математически методи, необходими за анализ на движението на небесните тела.
Освен това Нютон постулира закона за всеобщата гравитация, според който всяко тяло във Вселената е привлечено от всяко друго тяло с по-голяма сила, колкото по-голяма е масата на тези тела и колкото по-малко е разстоянието между тях. Това е самата сила, която кара телата да падат на земята. (Историята, че Нютон е вдъхновен от ябълка, паднала на главата му, е почти сигурна ненадеждна. Самият Нютон каза за това само, че идеята за гравитацията се появи, когато той седеше в „съзерцателно настроение“и „причината беше падането на ябълката“) …
Освен това Нютон показа, че според неговия закон Луната под действието на гравитационните сили се движи по елиптична орбита около Земята, а Земята и планетите се въртят по елиптични орбити около Слънцето. (8) Моделът на Нютон е едно тяло, движещо се равномерно в абсолютно безкрайно пространство и направо, докато на това тяло не действа сила (първият закон на механиката) или две тела, действащи едно на друго с равни и противоположни сили (третият закон на механиката); самата сила се счита просто за причината за ускорението на движещите се тела (вторият закон на механиката), тоест сякаш съществува сама по себе си и от никъде идва.
Нютон запази разглеждането на механиката като универсална физическа теория. През XIX век. това място беше заето от механистична картина на света, която включва механика, термодинамика и кинетичната теория на материята, еластичната теория на светлината и електромагнетизма. Откриването на електрона стимулира преразглеждане на идеите. В края на века Х. Лоренц изгради своята електронна теория, за да обхване всички природни явления, но не постигна това. Проблемите, свързани с дискретността на заряда и непрекъснатостта на полето, и проблемите в теорията на радиацията („ултравиолетова катастрофа“) доведоха до създаването на квантова полева картина на света и квантовата механика.
Класически пример за използването на абстрактни понятия за обяснение на природата е даден през 1915 г. от Айнщайн, който публикува своята наистина епохална обща теория на относителността. Тази работа е една от малкото, които маркират повратни моменти в възприятието на човека за света около него. Красотата на теорията на Айнщайн се дължи не само на силата и елегантността на уравненията на гравитационното поле, но и на непреодолимия радикализъм на неговите възгледи. Общата теория на относителността уверено провъзгласи, че гравитацията е геометрията на извитото пространство. Концепцията за ускорение в космоса е заменена от концепцията за кривина на пространството. (2)
След създаването на SRT се очакваше, че универсалното покритие на природния свят може да бъде осигурено от електромагнитна картина на света, която съчетава теорията на относителността, теорията и механиката на Максуел, но тази илюзия скоро беше разсеяна.
Специална теория на относителността (SRT) (специална теория на относителността; релативистична механика) е теория, която описва движението, законите на механиката и отношенията пространство-време при скорости близки до скоростта на светлината. В рамките на специалната теория на относителността класическата механика на Нютон е приближение с ниска скорост. Обобщаването на SRT за гравитационни полета се нарича обща теория на относителността (GRT). SRT се основава на два постулата:
1. Във всички инерционни референтни рамки скоростта на светлината е непроменена (тя е инвариант) и не зависи от движението на източника, приемника или самата рамка. В класическата механика на Галилей - Нютон скоростта на относителното приближаване на две тела винаги е по-голяма от скоростите на тези тела и зависи както от скоростта на един обект, така и от скоростта на друг. Затова ни е трудно да повярваме, че скоростта на светлината не зависи от скоростта на нейния източник, но това е научен факт.
2. Реалното пространство и време образуват единен четириизмерен пространствено-времеви континуум, така че по време на прехода между референтните рамки стойността на интервала между пространството и времето между събитията остава непроменена. В SRT няма едновременни събития във всички референтни рамки. Тук две събития, едновременно в една референтна рамка, изглеждат различно във времето от гледна точка на друга, движеща се или в покой, референтна рамка.
Специалната теория на относителността запазва всички основни определения на класическата физика - импулс, работа, енергия. Появява се обаче нещо ново: на първо място, зависимостта на масата от скоростта на движение. Следователно не може да се използва класическият израз за кинетична енергия, тъй като той е получен при предположението, че масата на обекта остава непроменена.
Много теоретици са се опитали да възприемат гравитацията и електромагнетизма с единни уравнения. Под влиянието на Айнщайн, който въвежда четиримерно пространство-време, се изграждат многомерни теории на полето в опит да сведат явленията до геометричните свойства на пространството.
Обединението е извършено въз основа на установената независимост на скоростта на светлината за различни наблюдатели, движещи се в празно пространство при липса на външни сили. Айнщайн изобрази световната линия на обекта на равнина (фиг. 2), където пространствената ос е насочена хоризонтално, а временната ос е насочена вертикално. Тогава вертикалната линия е световната линия на обекта, която е в покой в дадената референтна рамка, а косата линия е обектът, движещ се с постоянна скорост. Извитата световна линия съответства на ускореното движение на обекта. Всяка точка от тази равнина съответства на позиция на дадено място в даден момент и се нарича събитие. В този случай гравитацията вече не е сила, действаща на пасивен фон на пространството и времето, а е изкривяване на самото пространство-време. В крайна сметка гравитационното поле е „кривината на пространството-времето.
Фиг. 2. Диаграма пространство-време
Скоро след създаването й (1905 г.) специалната теория на относителността престава да отговаря на Айнщайн и той започва да работи върху нейното обобщение. Същото се случи и с общата теория на относителността. През 1925 г. Айнщайн започва да работи по теорията, която е предназначена да изучава с кратки прекъсвания до края на дните си. Основният проблем, който го тревожеше - естеството на полевите източници - вече имаше определена история по времето, когато Айнщайн го пое. Защо частиците например не се разпадат? В крайна сметка, електрон носи отрицателен заряд, а отрицателните заряди се отблъскват, т.е. електронът ще трябва да експлодира отвътре поради отблъскването на съседните области!
В известен смисъл този проблем се запазва и до днес. Все още не е изградена задоволителна теория, която описва силите, които действат вътре в електрона, но трудностите могат да бъдат заобиколени, като се приеме, че електронът няма вътрешна структура - това е точков заряд, който няма размери и следователно не може да бъде разкъсан отвътре.
Въпреки това е общоприето, че основните разпоредби на съвременната космология - науката за структурата и еволюцията на Вселената - започват да се формират след създаването през 1917 г. от А. Айнщайн на първия релативистки модел, основан на теорията за гравитацията и претендиращ да опише цялата Вселена. Този модел характеризира стационарното състояние на Вселената и, както показват астрофизическите наблюдения, се оказва неправилен.
Важна стъпка в решаването на космологичните проблеми е направена през 1922 г. от професор на Петроградския университет А. А. Фридман (1888-1925). В резултат на решаването на космологични уравнения той стигна до заключението: Вселената не може да бъде в неподвижно състояние - всички галактики се отдалечават една в друга в посока напред и следователно всички бяха на едно и също място.
Следващата стъпка е направена през 1924 г., когато американският астроном Е. Хъбъл (1889-1953) измерва разстоянието до близките галактики (наричани по това време мъглявини) в обсерваторията Mount Wilson в Калифорния и по този начин открива света на галактиките. Когато астрономите започнаха да изучават спектрите на звездите в други галактики, беше открито нещо още по-странно: нашата собствена галактика имаше същите характерни набори от липсващи цветове като звездите, но всички те бяха изместени със същото количество към червения край на спектъра. Видимата светлина е вибрации или вълни от електромагнитното поле. Честотата (броят на вълните в секунда) на светлинните вибрации е изключително висока - от четиристотин до седемстотин милиона вълни в секунда. Човешкото око възприема светлината с различни честоти като различни цветове, като най-ниските честоти съответстват на червения край на спектъра,а най-високата до лилава. Представете си източник на светлина, разположен на фиксирано разстояние от нас (например звезда), излъчващ светлинни вълни с постоянна честота. Очевидно е, че честотата на входящите вълни ще бъде същата като тази, с която те се излъчват (дори гравитационното поле на галактиката да е малко и влиянието му да е незначително). Да предположим сега, че източникът започва да се движи в нашата посока. Когато бъде излъчена следващата вълна, източникът ще бъде по-близо до нас и следователно времето, необходимо на гребена на тази вълна да достигне до нас, ще бъде по-малко, отколкото в случай на неподвижна звезда. Следователно времето между гребените на двете пристигащи вълни ще бъде по-малко и броят на вълните, които получаваме за една секунда (т.е. честотата), ще бъде по-голям, отколкото когато звездата е била неподвижна. Когато източникът бъде премахнат, честотата на входящите вълни ще бъде по-малка. Това означава,че спектрите на отдалечаващите се звезди ще бъдат изместени в червено (червено изместване), а спектрите на приближаващите се звезди трябва да претърпят виолетово изместване. Тази връзка между скоростта и честотата се нарича Доплеров ефект и този ефект е често срещан дори в ежедневието ни. Доплеровият ефект се използва от полицията, която определя скоростта на превозните средства отдалеч по честотата на радиосигналите, отразени от тях.
След като доказа, че съществуват други галактики, Хъбъл посвети всички следващи години на съставянето на каталози на разстояния до тези галактики и наблюдението на техните спектри. По това време повечето учени вярваха, че движението на галактиките е произволно и следователно спектрите, изместени към червената страна, трябва да се наблюдават толкова, колкото тези, изместени към виолетовото. Каква изненада беше, когато повечето галактики показаха червено изместване на спектрите, тоест се оказа, че почти всички галактики се отдалечават от нас! Още по-изненадващо е откритието, публикувано от Хъбъл през 1929 г.: Хъбъл открива, че дори величината на червеното изместване не е случайна, а е пряко пропорционална на разстоянието от нас до галактиката. С други думи, колкото по-далеч е галактиката, толкова по-бързо се отдалечава! И това означаваше, че Вселената не може да бъде статична, както се смяташе преди,че всъщност той непрекъснато се разширява и разстоянията между галактиките непрекъснато нарастват.
Разширяването на Вселената означава, че в миналото нейният обем е бил по-малък от сегашния. Ако времето се върне назад в модела на Вселената, разработен от Айнщайн и Фридман, събитията ще се развият в обратен ред, както във филм, игран от края. След това се оказва, че преди около 13 милиарда години радиусът на Вселената е бил много малък, т.е. Това първично свръхплътно и свръхгорещо състояние на Вселената няма аналози в съвременната ни реалност. Предполага се, че по това време плътността на веществото на Вселената е била сравнима с плътността на атомното ядро и цялата Вселена е била огромна ядрена капка. По някаква причина ядрената капка беше в нестабилно състояние и експлодира. Това предположение е в основата на концепцията за Големия взрив.
- Част две -
