- Del et -
Det tætteste på at realisere Einsteins drøm kom den lille kendte polske fysiker Theodor Kaluca, der tilbage i 1921 satte sig for at generalisere Einsteins teori ved at inkludere elektromagnetisme i den geometriske formulering af feltteori (ligesom geometri i rumtid beskriver tyngdekraften). Dette skulle have været gjort, så ligningerne af Maxwells teori om elektromagnetisme fortsat ville være i stand. Kaluza forstod, at Maxwells teori ikke kunne formuleres på det sprog, der drejer sig om ren geometri (i den forstand, at vi normalt forstår det), endog under forudsætning af tilstedeværelsen af et buet rum. Kaluza tog det næste skridt efter Einstein, tilføjede den fem-dimensionelle rumtid en femte (ikke observerbar) ændring, hvor elektromagnetisme er en slags "tyngdekraft" (svag og stærk interaktion var ikke kendt dengang). Spørgsmålet opstår:hvorfor føler vi ikke denne femte dimension på nogen måde (i modsætning til de første fire)?
I 1926 foreslog den svenske fysiker Oskar Klein, at vi ikke bemærker den ekstra dimension, fordi den på en eller anden måde har "rullet op" til en meget lille størrelse. En lille sløjfe strækker sig fra hvert punkt i rummet til den femte dimension. Vi bemærker ikke alle disse sløjfer på grund af deres lille størrelse. Klein beregnede omkredsen af sløjferne omkring den femte dimension ved hjælp af den kendte værdi af elektronens elektriske ladning af elektronen og andre partikler samt størrelsen af tyngdekraftens interaktion mellem partiklerne. Det viste sig at være lig med 10-32 cm, dvs. 1020 gange mindre end størrelsen af en atomkerne. Derfor er det ikke overraskende, at vi ikke bemærker den femte dimension: den er snoet på en skala, der er meget mindre end størrelsen på nogen af de strukturer, vi kender, selv i fysik af subnukleare partikler. I dette tilfælde opstår naturligvis ikke spørgsmålet om bevægelse, siger,atom i den femte dimension. Snarere bør denne dimension betragtes som værende inden for atomet.
I et stykke tid blev Klauz-Klein-teorien glemt, men da de stærke, svage og elektromagnetiske interaktioner blev kombineret til en enkelt teori, og det forblev at finde en generel teori for dem og for tyngdekraften, blev Klauz-Klein-teorien husket igen. For at udføre alle de nødvendige symmetrioperationer var det nødvendigt at tilføje 7 flere dimensioner (hele rummet som helhed viste sig at være 11-dimensionelt). Og så disse ekstra dimensioner ikke mærkes, skal de rulles op i meget lille skala. Men nu opstår spørgsmålet: Hvis en dimension kun kan rulles ind i en cirkel, så kan syv dimensioner rulles til en figur af forskellige topologier (enten i en 7-dimensionel torus eller i en 7-dimensionel sfære eller til en anden figur). Den enkleste model, som de fleste forskere er tilbøjelige til, kan tjene som en 7-dimensionel sfære (7-sfære). Som forventetde fire aktuelt observerede dimensioner af rumtid er ikke kollapset, da denne tilstand svarer til den laveste energi (som alle fysiske systemer har tendens til). Der er en hypotese, ifølge hvilken alle disse dimensioner i de tidlige stadier af universets liv blev implementeret.
Et stort udvalg af naturlige systemer og strukturer, deres egenskaber og dynamik bestemmes af interaktionen mellem materielle objekter, dvs. deres gensidige handling over for hinanden. Det er interaktion, der er hovedårsagen til materiens bevægelse, derfor er interaktion som bevægelse universel, dvs. er iboende i alle materielle objekter, uanset deres oprindelses art og systemiske organisation. Funktioner ved forskellige interaktioner bestemmer eksistensbetingelserne og specificiteterne for materialegenstanders egenskaber.
Interagerende objekter udveksler energi og - de vigtigste egenskaber ved deres bevægelse. I klassisk fysik bestemmes interaktion af den kraft, hvormed et materielt objekt virker på et andet.
I lang tid blev det antaget, at interaktionen mellem materielle objekter, selv i stor afstand fra hinanden, overføres straks gennem det tomme rum. Denne erklæring er i overensstemmelse med begrebet handling på afstand. På nuværende tidspunkt er et andet koncept eksperimentelt bekræftet - begrebet handling med kort rækkevidde: interaktioner transmitteres gennem fysiske felter med en endelig hastighed, der ikke overstiger lysets hastighed i vakuum. Dette, i det væsentlige, feltkoncept i kvantefeltteori suppleres med udsagnet: i enhver interaktion er der en udveksling af specielle partikler - feltkvanta.
Interaktionerne mellem materielle objekter og systemer observeret i naturen er meget forskellige. Som vist ved fysiske undersøgelser kan alle interaktioner imidlertid tilskrives fire typer grundlæggende interaktioner: tyngdekraft, elektromagnetisk, stærk og svag.
Salgsfremmende video:
Gravitationsinteraktion manifesteres i den gensidige tiltrækning af materielle objekter med masse. Det overføres ved hjælp af et tyngdefelt og bestemmes af en grundlæggende naturlov - loven om universel tyngdekraft. Loven om universel tyngdekraft beskriver faldet af materielle legemer inden for jorden, bevægelsen af solsystemets planeter, stjerner osv.
I overensstemmelse med kvantefeltteorien er bærerne af tyngdekraftsinteraktionen tyngdekrafter - partikler med nul masse, kvante af tyngdefeltet. Elektromagnetisk interaktion er forårsaget af elektriske ladninger og transmitteres ved hjælp af elektriske og magnetiske felter. Et elektrisk felt opstår i nærvær af elektriske ladninger og et magnetfelt - når de bevæger sig. Et skiftende magnetfelt genererer et alternerende elektrisk felt, som igen er en kilde til et skiftende magnetfelt.
På grund af den elektromagnetiske interaktion eksisterer atomer og molekyler, kemiske transformationer af stof finder sted. Forskellige tilslutningstilstande, friktion, elasticitet osv. bestemmes af kræfterne ved intermolekylær interaktion, elektromagnetisk i naturen. Elektromagnetisk interaktion er beskrevet af de grundlæggende love inden for elektrostatik og elektrodynamik: Coulombs lov, Ampers lov osv. Og i generaliseret form - af Maxwells elektromagnetiske teori, der relaterer de elektriske og magnetiske felter. Produktion, transformation og anvendelse af elektriske og magnetiske felter såvel som elektrisk strøm tjener som basis for skabelsen af forskellige moderne tekniske midler: elektriske apparater, radioer, fjernsyn, belysnings- og varmeanordninger, computere osv.
Ifølge kvanteelektrodynamik er bærere af elektromagnetisk interaktion fotoner - kvanta af det elektromagnetiske felt med nul masse. I mange tilfælde optages de af instrumenter i form af elektromagnetiske bølger af forskellige længder. For eksempel er synligt lys, der opfattes med det blotte øje, gennem hvilket størstedelen (ca. 90%) af informationen om verden reflekteres, en elektromagnetisk bølge i et ret smalt bølgelængdeområde (ca. 0,4-0,8 mikron) svarende til den maksimale solstråling.
Den stærke interaktion sikrer binding af nukleoner i kernen. Det bestemmes af atomstyrker, der har ladningsuafhængighed, korttrækkende handling, mætning og andre egenskaber. Stærke interaktioner er ansvarlige for atomkernernes stabilitet. Jo stærkere interaktionen mellem nukleoner i kernen er, jo mere stabil er kernen, jo større er dens specifikke bindingsenergi. Med en stigning i antallet af nukleoner i kernen og dermed størrelsen på kernen falder den specifikke bindingsenergi, og kernen kan henfalde, hvilket er hvad der sker med kernerne i elementerne i slutningen af det periodiske system.
Det antages, at den stærke interaktion overføres af gluoner - partikler, der "limer" kvarker, der er en del af protoner, neutroner og andre partikler.
Alle elementære partikler, undtagen foton, deltager i den svage interaktion. Det bestemmer størstedelen af henfald af elementære partikler, interaktionen mellem neutrinoer med stof og andre processer. Svag interaktion manifesterer sig hovedsageligt i processerne med beta-henfald af atomkerner af mange isotoper, frie neutroner osv. Det accepteres generelt, at bærerne af den svage interaktion er vioner - partikler med en masse, der er ca. 100 gange massen af protoner og neutroner.
Til dato er en samlet teori om beskrivelse af interaktioner endnu ikke blevet fuldt udviklet, men de fleste forskere er tilbøjelige til dannelsen af universet som et resultat af Big Bang: på nul øjeblikket opstod universet fra en singularitet, det vil sige fra et punkt med nul volumen og uendelig høj tæthed og temperatur. Selve "begyndelsen" af universet, dvs. dets tilstand svarer ifølge teoretiske beregninger til en radius tæt på nul, undgår endda et teoretisk koncept. Pointen er, at ligningerne af relativistisk astrofysik forbliver gyldige op til en densitet i størrelsesordenen 1093 g / cm3. Universet, komprimeret til en sådan tæthed, havde engang en radius af størrelsesordenen en ti milliardedel centimeter, det vil sige, det var sammenligneligt i størrelse med en proton! Temperaturen på denne mikrovers, forresten, der vejede mindst 1051 ton, var utrolig høj og tilsyneladendetæt på 1032 grader. Universet var en så lille brøkdel af et sekund efter starten på "eksplosionen". Allerede i "begyndelsen" bliver både densitet og temperatur til uendelig, dvs. denne "begyndelse" ved hjælp af matematisk terminologi er det specielle "ental" punkt, for hvilket ligningerne i moderne teoretisk fysik mister deres fysiske betydning. Men dette betyder ikke, at der ikke var noget før "begyndelsen": vi kan simpelthen ikke forestille os, hvad der var før den betingede "begyndelse" af universet. (3)at der ikke var noget før "begyndelsen": vi kan simpelthen ikke forestille os, hvad der var før den betingede "begyndelse" af universet. (3)at der ikke var noget før "begyndelsen": vi kan simpelthen ikke forestille os, hvad der var før den betingede "begyndelse" af universet. (3)
Da universets tidsalder nåede et hundrededel af et sekund, faldt dets temperatur til ca. 1011 K og faldt under tærskelværdien, hvormed protoner og neutroner kan produceres, nogle af disse partikler undgik tilintetgørelse - ellers ville der være noget i vores moderne univers. Et sekund efter Big Bang faldt temperaturen til 10 10 K, og neutrinoer stoppede med at interagere med stof. Universet er blevet næsten "gennemsigtigt" for neutrinoer. Elektroner og positroner fortsatte stadig med at udslette og dukke op igen, men efter ca. 10 sekunder faldt niveauet af strålingsenergitæthed under deres tærskel, og et stort antal elektroner og positroner blev til stråling fra en katastrofal proces med gensidig udslettelse. I slutningen af denne proces er der dog stadig et vist antal elektroner, der er tilstrækkeligt tilforenes med protoner og neutroner, giver anledning til den mængde stof, som vi observerer i dag i universet.
Universets yderligere historie er roligere end dets turbulente begyndelse. Ekspansionshastigheden blev gradvist langsommere, temperaturen faldt gradvis som den gennemsnitlige tæthed, og da universet var en million år gammelt, blev dets temperatur så lav (3500 grader Kelvin), at protoner og kerner af heliumatomer allerede kunne fange frie elektroner og blive til neutrale atomer. Fra dette øjeblik begynder i det væsentlige den moderne fase af universets udvikling. Galakser, stjerner, planeter vises. Til sidst, mange milliarder år senere, blev universet det, vi ser det.
Men dette er ikke den eneste hypotese. Ifølge en af hypoteserne begyndte universet at udvide kaotisk og tilfældigt, og derefter opstod der under en eller anden mekanisme for spredning (dæmpning) en vis orden. En sådan antagelse om fuldstændigt primært kaos, i modsætning til fuldstændig primær symmetri, er attraktivt, fordi det ikke kræver "at skabe" universet i nogen strengt defineret tilstand. Hvis forskere formår at finde en passende dæmpningsmekanisme, vil dette gøre det muligt at matche en meget bred vifte af indledende betingelser med den nu observerbare form af universet.
En af de mest udbredte hypoteser om spredningsmekanismen er hypotesen om dannelsen af partikler og antipartikler fra den energi, der produceres af tidevandseffekter i et tyngdefelt. Partikler og antipartikler er født i et buet "tomt" rum (svarende til tilfældet med rum buet af et sort hul), og rummet reagerer på en sådan fødsel ved at mindske krumningen. Jo mere rumtiden er buet, jo mere intens skabes der dannelse af partikler og antipartikler. I et inhomogent univers skulle sådanne effekter have udlignet alt, hvilket skabte en tilstand af homogenitet. Det er endda muligt, at al materie i universet opstod på denne måde og ikke ud fra en unikhed. En sådan proces kræver ikke fødsel af stof uden antimateriale, som i den oprindelige singularitet. Vanskeligheden med denne hypotese er dog denat det hidtil ikke har været muligt at finde en mekanisme til at adskille stof og antimaterie, som ikke ville tillade de fleste af dem at udslette igen.
På den ene side kunne eksistensen af inhomogeniteter redde os fra singulariteten, men George Ellis og Stephen Hawking ved hjælp af matematiske modeller viste, at under hensyntagen til nogle meget sandsynlige udsagn om materiens opførsel under høje tryk, kan eksistensen af mindst en singularitet ikke udelukkes, selvom afvigelser fra ensartethed. Opførelsen af et anisotropisk og inhomogent univers i fortiden nær en singularitet kunne være meget kompleks, og det er meget vanskeligt at bygge nogen modeller her. Det er lettere at bruge Friedmans modeller, som forudsiger universets opførsel fra fødsel til død (i tilfælde af en sfærisk topologi). Selvom afvigelser fra ensartethed ikke befri vores univers for enestående i rumtid, er det ikke desto mindre muligtat det meste af det aktuelt tilgængelige stof i universet ikke faldt ind i denne singularitet. Eksplosioner af denne art, når der er tale om superhøj, men ikke uendelig tæthed, vises i nærheden af en enestående, blev kaldt "klynke". Hawkin-Ellis sætningen kræver imidlertid, at energien og trykket forbliver positive. Der er ingen garanti for, at disse betingelser er opfyldt ved ultrahøje massefylder.
Der er en antagelse om, at kvanteeffekter, men ikke i materie, men i rumtid (kvantegravitation), som bliver meget signifikante ved høje værdier af rum-tid-krumning, kunne forhindre universets forsvinden i en singularitet, hvilket for eksempel forårsager en "bounce" stof med en tilstrækkelig høj densitet. På grund af manglen på en tilfredsstillende teori om kvantegravitation giver ræsonnementet imidlertid ikke klare konklusioner. Hvis vi accepterer hypotesen om "klynke" eller kvante "hoppe", betyder det, at der eksisterede rum og tid før disse begivenheder.
Allerede efter opdagelsen af universets udvidelse i 1946 foreslog de britiske astrofysikere Herman Bondi og Thomas Gold, at det alligevel, da universet er homogent i rummet, skal være homogent i tide. I dette tilfælde skal den ekspandere med konstant hastighed, og for at forhindre et fald i massefylden bør der kontinuerligt dannes nye galakser, som vil udfylde hullerne dannet ved spredning af eksisterende galakser. Stof til opbygning af nye galakser vises kontinuerligt, når universet udvides. Et sådant univers er ikke statisk, men stationært: individuelle stjerner og galakser gennemgår deres livscyklus, men generelt har universet ingen begyndelse eller slutning. For at forklare, hvordan sagen vises uden at overtræde loven om energibesparelse,Fred Hoyle opfandt en ny type felt - at skabe et felt med negativ energi. Med dannelsen af materie forstærkes den negative energi i dette felt, og den samlede energi bevares.
Hyppigheden af atomproduktion i denne model er så lav, at den ikke kan detekteres eksperimentelt. I midten af 60'erne var der gjort opdagelser, der tyder på, at universet udviklede sig. Derefter blev der opdaget termisk stråling i baggrunden, hvilket indikerer, at universet var i en varm tæt tilstand for flere milliarder år siden og derfor ikke kan være stille.
Ikke desto mindre er begrebet et ikke-født og ikke-døende univers fra et filosofisk synspunkt meget attraktivt. Det er muligt at kombinere de filosofiske fordele ved det stationære univers med big bang-teorien i modeller af et oscillerende univers. Denne kosmologiske model er baseret på Friedmann-modellen med sammentrækning suppleret med antagelsen om, at universet ikke går til grunde, når singulariteter forekommer på begge tidspunkter "ender", men passerer en supertæt tilstand og gør et "spring" ind i den næste cyklus af ekspansion og sammentrækning. Denne proces kan fortsætte på ubestemt tid. For ikke at akkumulere entropi og baggrundsstråling fra tidligere ekspansion-sammentrækningscyklusser, vil det imidlertid være nødvendigt at antage, at alle termodynamiske love overtrædes på højdensitetsstadiet (derfor akkumuleres ikke entropi),det antages imidlertid, at relativitetsteoriens love vil blive bevaret. I sit ekstreme udtryk antager et sådant synspunkt, at alle love og verdenskonstanter i hver cyklus vil være nye, og da intet bevares fra cyklus til cyklus, kan vi tale om universer, der fysisk er uafhængige af hinanden. Med den samme succes kan man antage den samtidige eksistens af et uendeligt ensemble af universer, nogle af dem kan ligne vores. Disse konklusioner er af rent filosofisk karakter og kan hverken afvises ved eksperiment eller observation. (13)Med den samme succes kan man antage den samtidige eksistens af et uendeligt ensemble af universer, nogle af dem kan ligne vores. Disse konklusioner er af rent filosofisk karakter og kan hverken afvises ved eksperiment eller observation. (13)Med den samme succes kan man antage den samtidige eksistens af et uendeligt ensemble af universer, nogle af dem kan ligne vores. Disse slutninger er af rent filosofisk karakter og kan ikke afkræftes hverken ved eksperiment eller observation. (13)
Da der er mange hypoteser til oprettelsen af universet, er søgningen efter en teori om alt lige så forskelligartet - standardmodellen, strengteori, M-teori, ekstremt enkel teori om alt, teorier om den store forening osv.
Standardmodellen er en teoretisk konstruktion i elementær partikelfysik, der beskriver de elektromagnetiske, svage og stærke interaktioner mellem alle elementære partikler. Standardmodellen inkluderer ikke tyngdekraften. Indtil nu er alle forudsigelser af standardmodellen blevet bekræftet ved eksperiment, undertiden med en fantastisk nøjagtighed på en milliontedel af en procent. Det er først i de senere år, at resultater er begyndt at dukke op, hvor forudsigelserne af standardmodellen adskiller sig lidt fra eksperimentet og endda fænomener, der er ekstremt vanskelige at fortolke inden for dens rammer. På den anden side er det indlysende, at standardmodellen ikke kan være det sidste ord i partikelfysik, fordi den indeholder for mange eksterne parametre og heller ikke inkluderer tyngdekraften. Derfor har søgningen efter afvigelser fra standardmodellen været et af de mest aktive forskningsområder i de senere år.
Strengteori er en gren af matematisk fysik, der studerer dynamikken og interaktionen mellem ikke punktpartikler, men endimensionelle udvidede objekter, de såkaldte kvantestrenge. Strengteori kombinerer kvantemekanikkens ideer og relativitetsteorien, derfor vil en fremtidig teori om kvantegravitation sandsynligvis blive bygget på dens basis. Strengteori er baseret på hypotesen om, at alle elementære partikler og deres grundlæggende interaktioner opstår som et resultat af vibrationer og interaktioner mellem ultramikroskopiske kvantestrenge på skalaer i størrelsesordenen Planck-længde på 10-35 m. Denne tilgang undgår på den ene side sådanne vanskeligheder med kvantefeltteori som renormalisering på den anden side fører til et dybere kig på materiens struktur og rumtid.
Kvantestrengteori opstod i begyndelsen af 1970'erne som et resultat af forståelsen af Gabriele Venezianos formler relateret til strengmodeller af hadronstruktur. I midten af 1980'erne og midten af 1990'erne oplevede den hurtige udvikling af strengteori, og man forventede, at der i den nærmeste fremtid ville blive formuleret en "teori om alt" på baggrund af strengteori. Men på trods af teoriens matematiske strenghed og integritet er der endnu ikke fundet nogen muligheder for eksperimentel bekræftelse af strengteori. Teorien, der opstod for at beskrive hadronisk fysik, men ikke helt passede til dette, befandt sig i en slags eksperimentelt vakuum med beskrivelse af alle interaktioner.
M-teori (membranteori) er en moderne fysisk teori oprettet med det formål at kombinere grundlæggende interaktioner. Den såkaldte "brane" (flerdimensionel membran) bruges som et grundlæggende objekt - et udvidet todimensionalt eller med et stort antal dimensioner. I midten af 1990'erne fandt Edward Witten og andre teoretiske fysikere stærke beviser for, at forskellige superstrengsteorier repræsenterer forskellige begrænsende tilfælde af den endnu uudviklede 11-dimensionelle M-teori. I midten af 1980'erne kom teoretikere til den konklusion, at supersymmetri, som er central for strengteori, kunne indarbejdes i den på ikke én, men fem forskellige måder, hvilket førte til fem forskellige teorier: type I, typer IIA og IIB og to heterotiske strengteorier. Kun en af dem kunne hævde at være en "teori om alt", og den enesom ved lave energier og komprimerede seks ekstra dimensioner ville være enig med virkelige observationer. Der forblev spørgsmål om, hvilken teori der var mere passende, og hvad man skulle gøre med de andre fire teorier.
En ekstremt enkel teori om alt - en samlet feltteori, der forener alle kendte fysiske interaktioner, der findes i naturen, foreslået af den amerikanske fysiker Garrett Lisi den 6. november 2007. Teorien er interessant for sin elegance, men den kræver alvorlig forfining. Nogle kendte fysikere har allerede givet udtryk for deres støtte til det, men der er i teorien opdaget en række unøjagtigheder og problemer.
Grand Unification teorier - i elementær partikelfysik, en gruppe teoretiske modeller, der på en samlet måde beskriver de stærke, svage og elektromagnetiske interaktioner. Det antages, at disse interaktioner kombineres ved ekstremt høje energier. (10)
Vi kan med fuld tillid sige, at fremtidige opdagelser og teorier vil berige og ikke afvise det univers, som Pythagoras, Aristarchus, Kepler, Newton og Einstein opdagede for os - et univers så harmonisk som Platon og Pythagoras univers, men bygget på den harmoni, der er indeholdt i matematiske love; Universet er ikke mindre perfekt end Aristoteles-universet, men det trækker dets perfektion i de abstrakte symmetri-love; Universet, hvor det grænseløse tomrum i intergalaktiske rum er oversvømmet med blødt lys, der bærer beskeder fra dybden af tiden, der stadig er uforståelige for os; Universet, som har en begyndelse i tiden, men ikke har nogen begyndelse eller slutning i rummet, som måske vil udvide sig for evigt, og måske begynder et fint øjeblik, der er stoppet med at ekspandere, at trække sig sammen. Dette univers er slet ikke det sammesom blev afbildet i de modige sind hos dem, der var de første, der turde stille spørgsmålet: "Hvordan er vores verden virkelig?" Men jeg tror, at når de lærte om det, var de ikke ked af det.
- Del et -