- Del to -
The Unified Theory of the Universe, eller Theory of Everything, er en hypotetisk samlet fysisk og matematisk teori, der beskriver alle kendte grundlæggende interaktioner. Udtrykket blev oprindeligt brugt ironisk til at henvise til en række generaliserede teorier. Over tid blev udtrykket forankret i populariseringen af kvantefysik for at betegne en teori, der ville kombinere alle fire grundlæggende interaktioner i naturen: tyngdekraft, elektromagnetisk, stærk nuklear og svag nuklear interaktion. Desuden skal det forklare eksistensen af alle elementære partikler. Søgen efter en samlet teori kaldes et af de vigtigste mål for moderne videnskab.
Idéen om en samlet teori opstod takket være den viden, der er akkumuleret af mere end en generation af forskere. Efterhånden som viden blev opnået, udvidede menneskehedens forståelse af omverdenen og dens love. Da det videnskabelige billede af verden er en generaliseret, systemisk dannelse, kan dets radikale ændring ikke reduceres til en separat, endda den største, videnskabelige opdagelse. Sidstnævnte kan dog give anledning til en slags kædereaktion, der er i stand til at give en hel serie, et kompleks af videnskabelige opdagelser, som i sidste ende vil føre til en ændring i det videnskabelige billede af verden. I denne proces er naturligvis de vigtigste opdagelser i de grundlæggende videnskaber, som den er afhængig af. Derudover er det ikke svært at antage, at en ændring i det videnskabelige billede af verden også skal betyde en radikal omstrukturering af metoder til at opnå ny viden, når man husker, at videnskab primært er en metode.herunder ændringer i selve videnskabens normer og idealer.
Udviklingen af verdensideen skete ikke med det samme. Sådanne klart og utvetydigt fikserede radikale ændringer i videnskabelige billeder af verden, dvs. Der er tre videnskabelige revolutioner i historien om videnskabens udvikling generelt og naturvidenskaben i særdeleshed. Hvis de personificeres ved navnene på de videnskabsmænd, der spillede den mest mærkbare rolle i disse begivenheder, skulle de tre globale videnskabelige revolutioner kaldes aristoteliske, newtonske og Einsteins.
I VI - IV århundreder. F. Kr. den første revolution i viden om verden blev gennemført, som et resultat af, at videnskaben selv blev født. Den historiske betydning af denne revolution ligger i at skelne videnskab fra andre former for erkendelse og mestre verden ved oprettelsen af visse normer og modeller til opbygning af videnskabelig viden. Naturligvis har problemet med universets oprindelse optaget folks sind i meget lang tid.
Ifølge en række tidlige jødisk-kristne-muslimske myter opstod vores univers på et bestemt og ikke meget fjernt tidspunkt i fortiden. Et af grundlaget for sådanne overbevisninger var behovet for at finde universets "grundårsag". Enhver begivenhed i universet forklares ved at indikere årsagen, det vil sige en anden begivenhed, der skete tidligere; en sådan forklaring af eksistensen af selve universet er kun mulig, hvis det havde en begyndelse. En anden grund blev fremsat af den salige Augustine (den ortodokse kirke betragter Augustin som velsignet, og den katolske kirke - helgen). i bogen "Guds by". Han påpegede, at civilisationen skrider frem, og vi husker, hvem der begik en eller anden gerning, og hvem opfandt hvad. Derfor er det usandsynligt, at menneskeheden og derfor sandsynligvis universet eksisterer i meget lang tid. Den velsignede Augustin betragtede en acceptabel dato for oprettelsen af universet svarende til 1. Mosebog: ca. 5000 f. Kr. (Interessant nok er denne dato ikke så langt fra slutningen af den sidste istid - 10.000 f. Kr., som arkæologer betragter begyndelsen på civilisationen).
Aristoteles og de fleste andre græske filosoffer kunne ikke lide ideen om skabelsen af universet, da den var forbundet med guddommelig intervention. Derfor mente de, at mennesker og verden omkring dem eksisterede og vil fortsætte med at eksistere for evigt. Gamle forskere overvejede argumentet om civilisationens fremskridt og besluttede, at der regelmæssigt opstod oversvømmelser og andre katastrofer i verden, som hele tiden vendte menneskeheden tilbage til civilisationens udgangspunkt.
Aristoteles skabte formel logik, dvs. faktisk er doktrinen om bevis det vigtigste redskab til at udlede og systematisere viden; udviklet et kategorisk og konceptuelt apparat; godkendte en slags kanon til organisering af videnskabelig forskning (problemets historie, problemstilling, argumenter "for" og "imod", begrundelse for beslutningen); objektivt differentieret videnskabelig viden i sig selv, der adskiller naturvidenskaberne fra metafysik (filosofi), matematik osv. Normerne for den videnskabelige natur af viden sat af Aristoteles, modeller for forklaring, beskrivelse og retfærdiggørelse inden for videnskab har haft ubestridelig autoritet i mere end tusind år, og meget (for eksempel formel logiklove) er stadig effektive.
Salgsfremmende video:
Det vigtigste fragment af det antikke videnskabelige billede af verden var den konsistente geocentriske doktrin om verdenssfærerne. Geocentrismen fra den tid var slet ikke en "naturlig" beskrivelse af direkte observerbare fakta. Det var et vanskeligt og modigt skridt ind i det ukendte: når alt kommer til alt for enhed og konsistens af kosmos struktur var det nødvendigt at supplere den synlige himmelske halvkugle med en analog usynlig, for at indrømme muligheden for eksistensen af antipoder, dvs. indbyggere på den modsatte side af kloden osv.
Aristoteles troede, at Jorden er ubevægelig, og solen, månen, planeterne og stjernerne drejer rundt omkring den i cirkulære baner. Han troede det, for i overensstemmelse med hans mystiske synspunkter blev Jorden betragtet som centrum for universet, og cirkulær bevægelse var den mest perfekte. Ptolemæus udviklede Aristoteles idé til en komplet kosmologisk model i det 2. århundrede. Jorden står i midten omgivet af otte kugler, der bærer Månen, Solen og fem så kendte planeter: Kviksølv, Venus, Mars, Jupiter og Saturn (figur 1.1). Ptolemæus mente, at planeterne bevæger sig i mindre cirkler knyttet til de tilsvarende sfærer. Dette forklarede den meget vanskelige vej, som vi ser, planeterne tager. På den allerførste sfære er der faste stjerner, der forbliver i samme position i forhold til hinanden og bevæger sig over himlen som en helhed. Hvad der ligger bag den sidste sfære blev ikke forklaret, men under alle omstændigheder var det ikke længere en del af universet, som menneskeheden observerer.
Ptolemaios model gjorde det muligt at forudsige himmellegemernes placering på himlen, men for en nøjagtig forudsigelse måtte han acceptere, at Månens bane nogle steder nærmer sig Jorden 2 gange tættere end i andre! Dette betyder, at månen i en position skal fremstå 2 gange større end i en anden! Ptolemaios var opmærksom på denne fejl, men alligevel blev hans teori accepteret, skønt ikke overalt. Den kristne kirke accepterede den ptolematiske model af universet som ikke uforenelig med Bibelen, for denne model var meget god, idet den efterlod en masse plads til helvede og himlen uden for faste stjerners sfære. Imidlertid foreslog den polske præst Nicolaus Copernicus i 1514 en endnu enklere model. (Først da Copernicus frygtede måske, at kirken ville erklære ham kætter, forplantede han sin model anonymt). Hans idé varat Solen er stationær i midten, og Jorden og andre planeter drejer rundt om den i cirkulære baner. Næsten et århundrede gik, før Copernicus 'idé blev taget alvorligt. To astronomer - tyske Johannes Kepler og italienske Galileo Galilei - støttede offentligt Copernicus teori, selvom de af Copernicus forudsagte baner ikke helt faldt sammen med de observerede. Aristoteles-Ptolemaios teori sluttede i 1609, da Galileo begyndte at observere nattehimlen med sit nyopfundne teleskop. Ved at rette et teleskop mod planeten Jupiter opdagede Galileo flere små satellitter eller måner, der kredser om Jupiter. Dette betød, at ikke alle himmellegemer nødvendigvis skal dreje direkte omkring Jorden, som Aristoteles og Ptolemaios troede. (Man kunne selvfølgelig stadig overvejeat Jorden hviler i midten af universet, og Jupiters måner bevæger sig langs en meget kompleks sti rundt om Jorden, så det kun ser ud som om de drejer sig om Jupiter. Imidlertid var Copernicus teori meget enklere.) På samme tid ændrede Johannes Kepler Copernicus teori baseret på den antagelse, at planeterne ikke bevæger sig i cirkler, men i ellipser (en ellipse er en langstrakt cirkel). Endelig faldt forudsigelserne nu sammen med observationerne. Endelig er forudsigelserne nu faldet sammen med resultaterne af observationer. Endelig er forudsigelserne nu faldet sammen med resultaterne af observationer.
Hvad Kepler angår, var hans elliptiske baner en kunstig hypotese og desuden "uelegant", da en ellipse er en meget mindre perfekt figur end en cirkel. Da Kepler næsten ved et uheld fandt ud af, at elliptiske baner var i god overensstemmelse med observationer, var det aldrig i stand til at forene denne kendsgerning med sin idé om, at planeterne drejer sig om solen under påvirkning af magnetiske kræfter. Forklaringen kom først meget senere, i 1687, da Isaac Newton udgav sin bog "Mathematical Principles of Natural Philosophy". Newton fremsatte ikke kun en teori om materialekropers bevægelse i tid og rum, men udviklede også komplekse matematiske metoder, der var nødvendige for at analysere himmellegemers bevægelse.
Derudover postulerede Newton loven om universel tyngdekraft, ifølge hvilken enhver krop i universet tiltrækkes af enhver anden krop med større kraft, jo større masse af disse kroppe og jo mindre afstand mellem dem. Dette er selve kraften, der får kroppe til at falde til jorden. (Historien om, at Newton var inspireret af et æble, der faldt på hans hoved, er næsten helt sikkert upålideligt. Newton selv sagde kun om dette, at ideen om tyngdekraft kom, da han sad i et "kontemplativt humør", og "årsagen var æblets fald") …
Yderligere viste Newton, at månen under indflydelse af tyngdekræfter ifølge sin lov bevæger sig i en elliptisk bane omkring Jorden, og Jorden og planeterne roterer i elliptiske kredsløb omkring Solen. (8) Newtons model er en krop, der bevæger sig ensartet i det absolutte uendelige rum og retlinet, indtil dette legeme påvirkes af en kraft (den første mekaniklov) eller to kroppe, der virker på hinanden med lige og modsatte kræfter (den tredje mekaniklov); selve kraften betragtes som simpelthen årsagen til accelerationen af bevægelige legemer (den anden mekaniklov), det vil sige som om den eksisterer af sig selv og ingen steder kommer den fra.
Newton bevarede hensynet til mekanik som en universel fysisk teori. I det XIX århundrede. dette sted blev taget af et mekanistisk billede af verden, som inkluderer mekanik, termodynamik og den kinetiske teori om stof, den elastiske teori om lys og elektromagnetisme. Opdagelsen af elektronen stimulerede en revision af ideer. I slutningen af århundredet byggede H. Lorenz sin elektroniske teori til at dække alle naturlige fænomener, men han opnåede ikke dette. Problemer forbundet med ladningens diskretitet og feltets kontinuitet og problemer i teorien om stråling ("ultraviolet katastrofe") førte til skabelsen af et kvantefeltbillede af verden og kvantemekanik.
Einstein gav et klassisk eksempel på brugen af abstrakte begreber til at forklare naturen i 1915 og offentliggjorde sin ægte epokale generelle relativitetsteori. Dette arbejde er et af de få, der markerer vendepunkter i menneskets forståelse af verden omkring ham. Skønheden i Einsteins teori skyldes ikke kun kraften og elegancen i gravitationsfeltets ligninger, men også den overvældende radikalisme i hans synspunkter. Generel relativitetsteori har med sikkerhed proklameret, at tyngdekraften er geometrien i det buede rum. Begrebet acceleration i rummet blev erstattet af konceptet med rumets krumning. (2)
Efter oprettelsen af SRT forventedes det, at den universelle dækning af den naturlige verden kunne tilvejebringes af et elektromagnetisk billede af verden, der kombinerede relativitetsteorien, Maxwells teori og mekanik, men denne illusion blev hurtigt fjernet.
Speciel relativitetsteori (SRT) (speciel relativitetsteori; relativistisk mekanik) er en teori, der beskriver bevægelse, mekanikens love og rum-tid-forhold ved bevægelseshastigheder tæt på lysets hastighed. Inden for rammerne af den særlige relativitetsteori er Newtons klassiske mekanik en tilnærmelse af lave hastigheder. Generalisering af SRT for tyngdefelter kaldes generel relativitetsteori (GTR). SRT er baseret på to postulater:
1. I alle referencerammer for inerti er lysets hastighed uændret (det er en uforanderlig) og afhænger ikke af bevægelsen af kilden, modtageren eller selve rammen. I den klassiske mekanik i Galileo-Newton er hastigheden af den relative tilgang af to kroppe altid større end hastigheden af disse legemer og afhænger både af hastigheden af et objekt og af hastigheden af et andet. Derfor finder vi det vanskeligt at tro, at lysets hastighed ikke afhænger af kildens hastighed, men dette er en videnskabelig kendsgerning.
2. Reelt rum og tid danner et enkelt fire-dimensionelt rum-tid-kontinuum, således at værdien af rum-tidsintervallet mellem begivenheder under overgangen mellem referencerammer forbliver uændret. I SRT er der ingen samtidige begivenheder i alle referencerammer. Her ser to begivenheder, samtidig i en referenceramme, anderledes ud i tid fra en anden, bevægende eller i ro, referenceramme.
I den specielle relativitetsteori bevares alle de grundlæggende definitioner af klassisk fysik - impuls, arbejde, energi. Imidlertid vises der også noget nyt: først og fremmest massens afhængighed af bevægelseshastigheden. Derfor kan man ikke bruge det klassiske udtryk for kinetisk energi, fordi det blev opnået under den antagelse, at genstandens masse forbliver uændret.
Mange teoretikere har forsøgt at omfavne tyngdekraften og elektromagnetismen med ensartede ligninger. Under indflydelse af Einstein, der introducerede firedimensionel rumtid, blev flerdimensionelle feltteorier bygget i et forsøg på at reducere fænomener til rummets geometriske egenskaber.
Foreningen blev udført på baggrund af den etablerede uafhængighed af lysets hastighed for forskellige observatører, der bevæger sig i det tomme rum i fravær af eksterne kræfter. Einstein afbildede objektets verdenslinje på et plan (fig. 2), hvor den rumlige akse er rettet vandret og den temporale akse er rettet lodret. Derefter er den lodrette linie objektets verdenslinje, som er i ro i den givne referenceramme, og den skrå linie er objektet, der bevæger sig med konstant hastighed. Den buede verdenslinje svarer til objektets accelererede bevægelse. Ethvert punkt på dette plan svarer til en position på et givet sted på et givet tidspunkt og kaldes en begivenhed. I dette tilfælde er tyngdekraften ikke længere en kraft, der virker på den passive baggrund af rum og tid, men er en forvrængning af selve rumtiden. Tyngdefeltet er trods alt”rumtidens krumning.
Fig. 2. Rumtidsdiagram
Kort efter oprettelsen (1905) ophørte den specielle relativitetsteori med at passe til Einstein, og han begyndte at arbejde på dens generalisering. Det samme skete med generel relativitet. I 1925 begyndte Einstein at arbejde på teorien, som han var bestemt til at studere med korte afbrydelser indtil slutningen af hans dage. Det største problem, der bekymrede ham - arten af feltkilderne - havde allerede en vis historie, da Einstein tog den op. Hvorfor falder ikke partiklerne fra hinanden, for eksempel? Når alt kommer til alt bærer en elektron en negativ ladning, og negative ladninger afviser hinanden, dvs. elektronen skulle eksplodere indefra på grund af frastødning af nærliggende områder!
På en måde har dette problem vedvaret den dag i dag. Der er endnu ikke bygget en tilfredsstillende teori, der beskriver de kræfter, der virker inde i elektronen, men vanskelighederne kan omgåes ved at antage, at elektronen ikke har nogen indre struktur - det er en punktladning, der ikke har dimensioner og derfor ikke kan rives adskilt fra indersiden.
Ikke desto mindre er det generelt accepteret, at de vigtigste bestemmelser i moderne kosmologi - videnskaben om universets struktur og udvikling - begyndte at dannes efter oprettelsen i 1917 af A. Einstein af den første relativistiske model baseret på teorien om tyngdekraften og hævdede at beskrive hele universet. Denne model karakteriserede universets stationære tilstand, og som vist ved astrofysiske observationer viste det sig at være forkert.
Et vigtigt skridt i løsningen af kosmologiske problemer blev foretaget i 1922 af professor ved Petrograd University A. A. Friedman (1888-1925). Som et resultat af at løse kosmologiske ligninger kom han til den konklusion: Universet kan ikke være i en stationær tilstand - alle galakser bevæger sig væk i en fremadrettet retning fra hinanden, og derfor var de alle på samme sted.
Det næste skridt blev taget i 1924, da den amerikanske astronom E. Hubble (1889-1953) målte afstanden til de nærmeste galakser (på det tidspunkt kaldet tåger) ved Mount Wilson Observatory i Californien og derved opdagede galaksernes verden. Da astronomer begyndte at undersøge spektrene af stjerner i andre galakser, blev der opdaget noget endnu fremmed: vores egen galakse havde de samme karakteristiske sæt af manglende farver som stjerner, men de blev alle forskudt med samme mængde mod den røde ende af spektret. Synligt lys er vibrationer eller bølger fra det elektromagnetiske felt. Frekvensen (antal bølger pr. Sekund) for lysvibrationer er ekstremt høj - fra fire hundrede til syv hundrede millioner bølger pr. Sekund. Det menneskelige øje opfatter lys af forskellige frekvenser som forskellige farver, med de laveste frekvenser svarende til den røde ende af spektret,og den højeste til lilla. Forestil dig en lyskilde placeret i en fast afstand fra os (for eksempel en stjerne), der udsender lysbølger med en konstant frekvens. Det er klart, at frekvensen af de indgående bølger vil være den samme som den, de udsendes med (selvom tyngdefeltet i galaksen er lille, og dens indflydelse er ubetydelig). Antag nu, at kilden begynder at bevæge sig i vores retning. Når den næste bølge udsendes, vil kilden være tættere på os, og derfor vil den tid, det tager for toppen af denne bølge at nå os, være mindre end i tilfælde af en fast stjerne. Derfor vil tiden mellem toppen af de to ankomne bølger være mindre, og antallet af bølger, vi modtager på et sekund (dvs. frekvensen), vil være større, end når stjernen var stille. Når kilden fjernes, vil frekvensen af de indgående bølger være mindre. Det betyder,at spektrene for tilbagevendende stjerner vil blive forskudt mod den røde ende (rødforskydning), og spektrene for stjernerne, der nærmer sig, skal opleve et violet skift. Dette forhold mellem hastighed og frekvens kaldes Doppler-effekten, og denne effekt er almindelig selv i vores daglige liv. Doppler-effekten bruges af politiet, der bestemmer hastigheden på køretøjer langt væk af frekvensen af radiosignaler, der reflekteres fra dem.
Efter at have bevist, at der findes andre galakser, viet Hubble alle efterfølgende år til at udarbejde kataloger over afstande til disse galakser og observere deres spektre. På det tidspunkt troede de fleste forskere, at galaksernes bevægelse forekommer tilfældigt, og derfor skal spektrene forskudt mod den røde side iagttages lige så meget som dem, der flyttes mod den violette. Hvilken overraskelse var det, da de fleste galakser viste en rød forskydning af spektrene, det vil sige det viste sig, at næsten alle galakser bevæger sig væk fra os! Endnu mere overraskende var den opdagelse, der blev offentliggjort af Hubble i 1929: Hubble opdagede, at selv størrelsen af rødforskydning ikke er tilfældig, men er direkte proportional med afstanden fra os til galaksen. Med andre ord, jo længere væk en galakse er, jo hurtigere bevæger den sig væk! Og dette betød, at universet ikke kunne være statisk, som tidligere antaget,at det faktisk ekspanderer kontinuerligt, og afstanden mellem galakser vokser hele tiden.
Udvidelsen af universet betyder, at dets volumen tidligere var mindre end det er nu. Hvis tiden vendes i den model af universet, der er udviklet af Einstein og Friedman, vil begivenhederne vende om, som i en film spillet fra slutningen. Så viser det sig, at omkring 13 milliarder år siden var universets radius meget lille, det vil sige vægten af galaksen, det interstellære medium og stråling - kort sagt, alt, hvad der nu udgør universet, var koncentreret i et ubetydeligt volumen tæt på nul. Denne primære supertætte og superhede tilstand af universet har ingen analoger i vores nutidige virkelighed. Det antages, at massefylden på stoffet i universet på det tidspunkt var sammenlignelig med atomkernens tæthed, og at hele universet var et enormt kernefald. Af en eller anden grund var atomnedgangen i en ustabil tilstand og eksploderede. Denne antagelse er kernen i big bang-konceptet.
- Del to -