- Antra dalis -
Vieninga Visatos teorija arba Visko teorija yra hipotetinė vieninga fizinė ir matematinė teorija, aprašanti visas žinomas pagrindines sąveikas. Iš pradžių šis terminas buvo vartojamas ironiškai, norint apibūdinti įvairias apibendrintas teorijas. Laikui bėgant šis terminas įsitvirtino kvantinės fizikos populiarinimuose, siekiant žymėti teoriją, kuri sujungtų visas keturias pagrindines sąveikas gamtoje: gravitacinę, elektromagnetinę, stiprią branduolinę ir silpną branduolio sąveiką. Be to, jis turi paaiškinti visų elementariųjų dalelių egzistavimą. Vieningos teorijos paieška vadinama vienu pagrindinių šiuolaikinio mokslo tikslų.
Vieningos teorijos idėja kilo dėl ne vienos mokslininkų kartos sukauptų žinių. Įgijus žinių, žmonija suprato aplinkinį pasaulį ir jo dėsnius. Kadangi mokslinis pasaulio vaizdas yra apibendrintas, sisteminis darinys, jo radikalių pokyčių negalima sumažinti iki atskiro, net didžiausio, mokslinio atradimo. Tačiau pastarieji gali sukelti tam tikrą grandininę reakciją, galinčią suteikti visą seriją, mokslinių atradimų kompleksą, o tai galiausiai pakeis mokslinį pasaulio vaizdą. Šiame procese, žinoma, svarbiausi yra pagrindinių mokslų atradimai, kuriais jis remiasi. Be to, prisimenant, kad mokslas pirmiausia yra metodas, nesunku manyti, kad mokslinio pasaulio vaizdo pasikeitimas taip pat turėtų reikšti radikalų naujų žinių gavimo metodų pertvarkymą,įskaitant pačių mokslo normų ir idealų pokyčius.
Pasaulio idėja vystėsi ne iš karto. Tokie aiškiai ir nedviprasmiškai fiksuoti radikalūs pokyčiai moksliniuose pasaulio paveiksluose, t. Mokslo apskritai ir ypač gamtos mokslo raidos istorijoje yra trys mokslinės revoliucijos. Jei jie yra suasmeninti mokslininkų, atlikusių svarbiausią vaidmenį šiuose įvykiuose, pavardėmis, tai trys pasaulinės mokslo revoliucijos turėtų būti vadinamos Aristotelio, Niutono ir Einšteino.
VI - IV a. Pr. Kr. buvo įvykdyta pirmoji pasaulio pažinimo revoliucija, dėl kurios gimė pats mokslas. Istorinė šios revoliucijos prasmė yra mokslo atskyrimas nuo kitų pažinimo formų ir pasaulio įsisavinimas, tam tikrų mokslo žinių konstravimo normų ir modelių sukūrimas. Žinoma, Visatos atsiradimo problema žmonių protus užėmė labai ilgai.
Remiantis daugeliu ankstyvųjų judėjų, krikščionių ir musulmonų mitų, mūsų visata atsirado tam tikru ir nelabai tolimu laiko momentu praeityje. Vienas iš tokių įsitikinimų pamatų buvo poreikis rasti visatos „pagrindinę priežastį“. Bet koks įvykis Visatoje paaiškinamas nurodant jo priežastį, tai yra kitą įvykį, įvykusį anksčiau; toks pačios Visatos egzistavimo paaiškinimas galimas tik tuo atveju, jei ji turėjo pradžią. Dar vieną priežastį pateikė palaimintasis Augustinas (stačiatikių bažnyčia laiko Augustiną palaimintuoju, o katalikų bažnyčia - šventuoju). knygoje „Dievo miestas“. Jis atkreipė dėmesį, kad civilizacija progresuoja, ir mes prisimename, kas padarė tą ar tą poelgį ir kas ką išrado. Todėl vargu ar žmonija, taigi, tikriausiai, ir Visata, egzistuos labai ilgai. Palaimintasis Augustinas laikė priimtina Visatos sukūrimo datą, atitinkančią Pradžios knygą: maždaug 5000 m. (Įdomu tai, kad ši data nėra taip toli nuo paskutinio ledynmečio pabaigos - 10 000 m. Pr. Kr., Kurį archeologai laiko civilizacijos pradžia).
Aristoteliui ir daugumai kitų graikų filosofų nepatiko visatos sukūrimo idėja, nes ji buvo siejama su dieviška intervencija. Todėl jie tikėjo, kad žmonės ir juos supantis pasaulis egzistuoja ir išliks amžinai. Senovės mokslininkai apsvarstė argumentą dėl civilizacijos pažangos ir nusprendė, kad pasaulyje periodiškai vyksta potvyniai ir kiti kataklizmai, kurie visą laiką grąžino žmonijai pradinį civilizacijos tašką.
Aristotelis sukūrė formalią logiką, t.y. iš tikrųjų įrodinėjimo doktrina yra pagrindinė priemonė žinioms gauti ir sisteminti; sukūrė kategorišką ir konceptualų aparatą; patvirtino tam tikrą mokslinių tyrimų organizavimo kanoną (leidimo istorija, problemos išdėstymas, argumentai „už“ir „prieš“, sprendimo pagrindimas); objektyviai diferencijuojamos pačios mokslo žinios, atskiriant gamtos mokslus nuo metafizikos (filosofijos), matematikos ir kt. Aristotelio nustatytos mokslinio žinių pobūdžio normos, paaiškinimo, aprašymo ir pagrindimo mokslui modeliai jau daugiau nei tūkstantį metų turi neginčijamą autoritetą, ir daugelis (pavyzdžiui, formalios logikos dėsniai) vis dar galioja.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Svarbiausias senovės mokslinio pasaulio paveikslo fragmentas buvo nuosekli geocentrinė pasaulio sferų doktrina. Tos epochos geocentrizmas anaiptol nebuvo „natūralus“tiesiogiai stebimų faktų apibūdinimas. Tai buvo sunkus ir drąsus žingsnis į nežinomybę: juk norint, kad kosmoso struktūra būtų vieninga ir pastovi, reikėjo regimą dangaus pusrutulį papildyti analogišku nematomu, pripažinti antipodų egzistavimo galimybę, t. priešingos žemės rutulio pusės gyventojai ir kt.
Aristotelis manė, kad Žemė yra nejudanti, o Saulė, Mėnulis, planetos ir žvaigždės sukasi aplink ją sukamaisiais orbitais. Jis taip tikėjo, nes pagal jo mistines pažiūras Žemė buvo laikoma Visatos centru, o sukamasis judėjimas buvo tobuliausias. Ptolemėjas antrame amžiuje išplėtojo Aristotelio idėją kaip visišką kosmologinį modelį. Žemė stovi centre, apsupta aštuonių sferų, kuriose yra Mėnulis, Saulė ir penkios tuomet žinomos planetos: Merkurijus, Venera, Marsas, Jupiteris ir Saturnas (1.1 pav.). Pačios planetos, Ptolemėjaus manymu, juda mažesniais ratais, pritvirtintais prie atitinkamų sferų. Tai paaiškino labai sunkų kelią, kuriuo, kaip matome, eina planetos. Pačioje paskutinėje sferoje yra fiksuotos žvaigždės, kurios, likdamos toje pačioje padėtyje viena kitos atžvilgiu, juda per dangų visi kartu. Tai, kas slypi už paskutinės sferos, nebuvo paaiškinta, tačiau bet kokiu atveju žmonija tai nebėra Visatos dalis.
Ptolemėjaus modelis leido gerai numatyti dangaus kūnų padėtį danguje, tačiau norint tiksliai nuspėti, jis turėjo sutikti, kad Mėnulio trajektorija vietomis priartėja prie Žemės 2 kartus arčiau nei kitose! Tai reiškia, kad vienoje padėtyje Mėnulis turėtų pasirodyti 2 kartus didesnis nei kitoje! Ptolemėjus žinojo apie šį trūkumą, tačiau vis dėlto jo teorijai buvo pritarta, nors ir ne visur. Krikščionių bažnyčia pripažino, kad Ptolemajos visatos modelis nėra prieštaraujantis Biblijai, nes šis modelis buvo labai geras tuo, kad už fiksuotų žvaigždžių sferos paliko daug vietos pragarui ir dangui. Tačiau 1514 m. Lenkų kunigas Nikolajus Kopernikas pasiūlė dar paprastesnį modelį. (Iš pradžių bijodamas, kad Bažnyčia paskelbtų jį eretiku, Kopernikas savo modelį skleidė anonimiškai). Jo idėja buvokad Saulė yra nejudanti centre, o Žemė ir kitos planetos sukasi aplink ją žiedinėmis orbitomis. Praėjo beveik šimtmetis, kol Koperniko idėja buvo priimta rimtai. Du astronomai - vokietis Johannesas Kepleris ir italas Galileo Galilei - viešai palaikė Koperniko teoriją, nors Koperniko prognozuojamos orbitos ne visai sutapo su pastebėtomis. Aristotelio-Ptolemėjaus teorija baigėsi 1609 m., Kai Galilėjus savo naujai sugalvotu teleskopu pradėjo stebėti naktinį dangų. Nukreipęs teleskopą į Jupiterio planetą, Galilėjus atrado kelis mažus palydovus arba mėnulius, skriejančius aplink Jupiterį. Tai reiškė, kad ne visi dangaus kūnai turi būtinai suktis tiesiai aplink Žemę, kaip tikėjo Aristotelis ir Ptolemėjus. (Aišku, dar galima būtų pagalvotikad Žemė ilsisi visatos centre, o Jupiterio mėnuliai juda labai sudėtingu keliu aplink Žemę, todėl atrodo tik taip, tarsi jie suktųsi aplink Jupiterį. Tačiau Koperniko teorija buvo daug paprastesnė.) Tuo pačiu metu Johannesas Kepleris pakeitė Koperniko teoriją remdamasis prielaida, kad planetos juda ne apskritimais, o elipsėmis (elipsė yra pailgas apskritimas). Pagaliau dabar prognozės sutapo su stebėjimų rezultatais. Pagaliau dabar prognozės sutapo su stebėjimų rezultatais. Pagaliau dabar prognozės sutapo su stebėjimais.
Kalbant apie Keplerį, jo elipsės formos orbitos buvo dirbtinė hipotezė ir, be to, „neegali“, nes elipsė yra daug mažiau tobula figūra nei apskritimas. Beveik atsitiktinai nustatęs, kad elipsinės orbitos gerai sutampa su stebėjimais, Kepleris niekada negalėjo suderinti šio fakto su savo mintimi, kad planetos sukasi aplink Saulę veikiamos magnetinių jėgų. Paaiškinimas buvo pateiktas tik daug vėliau, 1687 m., Kai Isaacas Newtonas išleido knygą „Gamtos filosofijos matematiniai principai“. Niutonas joje ne tik pateikė materialių kūnų judėjimo laike ir erdvėje teoriją, bet ir sukūrė sudėtingus matematinius metodus, reikalingus dangaus kūnų judėjimui analizuoti.
Be to, Niutonas postuliavo visuotinės gravitacijos dėsnį, pagal kurį kiekvienas kūnas Visatoje traukiasi į bet kurį kitą kūną didesne jėga, tuo didesnė šių kūnų masė ir mažesnis atstumas tarp jų. Tai yra pati jėga, dėl kurios kūnai krinta ant žemės. (Istorija, kad Niutoną įkvėpė ant galvos nukritęs obuolys, beveik neabejotinai nepatikima. Pats Niutonas apie tai pasakė tik tiek, kad gravitacijos idėja kilo jam sėdint „kontempliatyviai nusiteikus“, o „priežastis buvo obuolio kritimas“) …
Be to, Niutonas parodė, kad pagal jo dėsnį Mėnulis, veikiamas gravitacijos jėgų, juda elipsės formos orbitoje aplink Žemę, o Žemė ir planetos sukasi elipsės formos orbitomis aplink Saulę. (8) Niutono modelis yra vienas kūnas, tolygiai judantis absoliučioje begalinėje erdvėje ir tiesiai tol, kol šį kūną veikia jėga (pirmasis mechanikos dėsnis) arba du kūnai, veikiantys vienas kitą vienodomis ir priešingomis jėgomis (trečiasis mechanikos dėsnis); pati jėga laikoma tiesiog judančių kūnų pagreitėjimo priežastimi (antrasis mechanikos dėsnis), tai yra tarsi savaime egzistuojanti ir iš niekur kilusi.
Niutonas išlaikė mechanikos, kaip visuotinės fizikos teorijos, svarstymą. XIX amžiuje. šią vietą užėmė mechanistinis pasaulio vaizdas, įskaitant mechaniką, termodinamiką ir kinetinę materijos teoriją, elastinę šviesos ir elektromagnetizmo teoriją. Elektrono atradimas paskatino idėjų peržiūrą. Amžiaus pabaigoje H. Lorenzas sukūrė savo elektroninę teoriją, apimančią visus gamtos reiškinius, tačiau to nepasiekė. Problemos, susijusios su krūvio diskretiškumu ir lauko tęstinumu, ir radiacijos teorijos problemos („ultravioletinių spindulių katastrofa“) paskatino sukurti pasaulio kvantinio lauko vaizdą ir kvantinę mechaniką.
Klasikinį abstrakčių sąvokų panaudojimo gamtai paaiškinti pavyzdį 1915 m. Pateikė Einšteinas, paskelbęs savo tikrai epochinę bendrąją reliatyvumo teoriją. Šis kūrinys yra vienas iš nedaugelio, žyminčių lūžio taškus žmogaus suvokime apie jį supantį pasaulį. Einšteino teorijos grožį lemia ne tik gravitacijos lauko lygčių galia ir elegancija, bet ir didžiulis jo pažiūrų radikalumas. Bendrasis reliatyvumas užtikrintai skelbė, kad gravitacija yra išlenktos erdvės geometrija. Pagreičio erdvėje sampratą pakeitė kosmoso kreivumo samprata. (2)
Sukūrus SRT, buvo tikimasi, kad visuotinę gamtos pasaulio aprėptį gali suteikti elektromagnetinis pasaulio vaizdas, apjungiantis reliatyvumo teoriją, Maxwello teoriją ir mechaniką, tačiau ši iliuzija netrukus buvo išsklaidyta.
Specialioji reliatyvumo teorija (SRT) (specialioji reliatyvumo teorija; reliatyvistinė mechanika) yra teorija, aprašanti judėjimą, mechanikos dėsnius ir erdvės – laiko santykius artimais šviesos greičiui. Specialiosios reliatyvumo teorijos rėmuose klasikinė Niutono mechanika yra mažų greičių priartinimas. SRT apibendrinimas gravitacijos laukuose vadinamas bendra reliatyvumo teorija (GTR). SRT remiasi dviem postulatais:
1. Visuose inerciniuose atskaitos rėmuose šviesos greitis nesikeičia (jis yra nekintamas) ir nepriklauso nuo šaltinio, imtuvo ar paties kadro judėjimo. Klasikinėje „Galileo - Niutono“mechanikoje dviejų kūnų santykinio artėjimo greitis visada yra didesnis nei šių kūnų greitis ir priklauso tiek nuo vieno, tiek nuo kito objekto greičio. Todėl mums sunku patikėti, kad šviesos greitis nepriklauso nuo jo šaltinio greičio, tačiau tai yra mokslinis faktas.
2. Tikroji erdvė ir laikas sudaro vieną keturių dimensijų erdvės ir laiko tęstinumą taip, kad perėjimo tarp atskaitos rėmų metu laiko ir laiko intervalo tarp įvykių vertė nepakistų. SRT nėra vienalaikių įvykių visuose atskaitos rėmuose. Čia du įvykiai, vienu metu esantys vienoje atskaitos sistemoje, kito laiko atžvilgiu atrodo skirtingi, judantys ar ramybės būsenos atskaitos rėmai.
Specialioji reliatyvumo teorija išlaiko visus pagrindinius klasikinės fizikos apibrėžimus - impulsą, darbą, energiją. Tačiau atsiranda ir kažkas naujo: pirmiausia masės priklausomybė nuo judėjimo greičio. Todėl negalima naudoti klasikinės kinetinės energijos išraiškos, nes ji gauta darant prielaidą, kad objekto masė lieka nepakitusi.
Daugelis teoretikų gravitaciją ir elektromagnetizmą bandė priimti vienodomis lygtimis. Einšteino, kuris pristatė keturmatį erdvėlaikį, įtakoje, buvo sukurtos daugiamatės lauko teorijos, bandant sumažinti reiškinius iki geometrinių erdvės savybių.
Sujungimas buvo atliktas remiantis nustatytu šviesos greičio nepriklausomumu, skirtingiems stebėtojams, judantiems tuščioje erdvėje, nesant išorinių jėgų. Einšteinas objekto pasaulio liniją pavaizdavo plokštumoje (2 pav.), Kur erdvinė ašis nukreipta horizontaliai, o laiko ašis - vertikaliai. Tada vertikali linija yra objekto pasaulinė linija, kuri yra ramybės būsenoje nurodytame atskaitos rėme, o pasviroji - objektas, judantis pastoviu greičiu. Kreivoji pasaulio linija atitinka pagreitintą objekto judėjimą. Bet kuris šios plokštumos taškas atitinka padėtį tam tikroje vietoje tam tikru laiku ir vadinamas įvykiu. Šiuo atveju gravitacija nebėra jėga, veikianti pasyvų erdvės ir laiko foną, o pati erdvės laiko iškraipymas. Juk gravitacinis laukas yra „erdvės-laiko kreivumas.
2 pav. Erdvė-laikas diagrama
Netrukus po jos sukūrimo (1905 m.) Specialioji reliatyvumo teorija nustojo tikti Einšteinui ir jis pradėjo dirbti prie jos apibendrinimo. Tas pats nutiko ir su bendruoju reliatyvumu. 1925 m. Einšteinas pradėjo dirbti su teorija, kurią jam buvo lemta studijuoti su trumpais pertraukimais iki pat savo dienų pabaigos. Pagrindinė jį jaudinanti problema - lauko šaltinių pobūdis - jau turėjo tam tikrą istoriją, kai Einšteinas ją ėmėsi. Kodėl, pavyzdžiui, dalelės nesuyra? Juk elektronas neša neigiamą krūvį, o neigiami krūviai atstumia vienas kitą, t.y. elektronas turėtų sprogti iš vidaus dėl kaimyninių teritorijų atstūmimo!
Tam tikra prasme ši problema išliko iki šiol. Dar nėra sukurta patenkinama teorija, apibūdinanti jėgas, veikiančias elektrono viduje, tačiau sunkumus galima apeiti darant prielaidą, kad elektronas neturi vidinės struktūros - tai taškinis krūvis, kuris neturi matmenų ir todėl negali būti atplėštas iš vidaus.
Nepaisant to, visuotinai pripažįstama, kad pagrindinės šiuolaikinės kosmologijos nuostatos - mokslas apie Visatos struktūrą ir evoliuciją - pradėjo formuotis po to, kai 1917 m. A. Einšteinas sukūrė pirmąjį reliatyvistinį modelį, pagrįstą gravitacijos teorija ir tvirtinančiu, kad jis apibūdina visą Visatą. Šis modelis apibūdino stacionarią Visatos būseną ir, kaip rodo astrofiziniai stebėjimai, pasirodė neteisingas.
Svarbų žingsnį sprendžiant kosmologines problemas 1922 m. Žengė Petrogrado universiteto profesorius A. A. Friedmanas (1888–1925). Spręsdamas kosmologines lygtis, jis priėjo prie išvados: Visata negali būti nejudančioje būsenoje - visos galaktikos tolsta viena nuo kitos į priekį, todėl visos jos buvo toje pačioje vietoje.
Kitas žingsnis buvo žengtas 1924 m., Kai amerikiečių astronomas E. Hubble'as (1889–1953) Kalifornijoje, Mount Wilson observatorijoje išmatavo atstumą iki artimiausių galaktikų (tuo metu vadintų ūkais) ir taip atrado galaktikų pasaulį. Kai astronomai ėmė tyrinėti kitų galaktikų žvaigždžių spektrus, buvo atrasta dar keisčiau: mūsų pačių galaktikoje buvo tokios pačios būdingos trūkstamų spalvų aibės kaip ir žvaigždėse, tačiau jos visos buvo vienodai nukreiptos raudonojo spektro galo link. Matoma šviesa yra elektromagnetinio lauko vibracijos arba bangos. Šviesos virpesių dažnis (bangų skaičius per sekundę) yra ypač didelis - nuo keturių šimtų iki septynių šimtų milijonų bangų per sekundę. Žmogaus akis skirtingo dažnio šviesą suvokia kaip skirtingas spalvas, o mažiausi dažniai atitinka raudoną spektro galą,o aukščiausia iki violetinės. Įsivaizduokite šviesos šaltinį, esantį fiksuotu atstumu nuo mūsų (pavyzdžiui, žvaigždę), skleidžiantį šviesos bangas pastoviu dažniu. Akivaizdu, kad įeinančių bangų dažnis bus toks pats, kokiu jos skleidžiamos (net jei galaktikos gravitacinis laukas yra nedidelis ir jo įtaka yra nereikšminga). Tarkime, dabar šaltinis pradeda judėti mūsų kryptimi. Kai bus skleidžiama kita banga, šaltinis bus arčiau mūsų, todėl laikas, per kurį šios bangos keteras mus pasieks, bus mažesnis nei fiksuotos žvaigždės atveju. Vadinasi, laikas tarp dviejų atvykstančių bangų keterų bus mažesnis, o per vieną sekundę gaunamų bangų skaičius (t. Y. Dažnis) bus didesnis nei tada, kai žvaigždė stovėjo. Pašalinus šaltinį, gaunamų bangų dažnis bus mažesnis. Tai reiškia,kad besitraukiančių žvaigždžių spektrai bus paslinkti raudonojo galo link (raudonas poslinkis), o artėjančių žvaigždžių spektrai turėtų patirti violetinį poslinkį. Šis greičio ir dažnio ryšys vadinamas Doplerio efektu, ir šis poveikis būdingas net mūsų kasdieniame gyvenime. Doplerio efektą naudoja policija, transporto priemonių greitį nustatanti iš tolo pagal iš jų atspindėtų radijo signalų dažnį.
Įrodęs, kad egzistuoja ir kitos galaktikos, Hablas visus tolesnius metus skyrė šių galaktikų atstumų katalogų sudarymui ir jų spektrų stebėjimui. Tuo metu dauguma mokslininkų manė, kad galaktikų judėjimas yra atsitiktinis, todėl spektrai, pasislinkę raudonos pusės link, turėtų būti stebimi tiek pat, kiek pasislinkę link violetinės. Koks buvo netikėtumas, kai daugumoje galaktikų buvo rastas raudonas spektrų poslinkis, tai yra paaiškėjo, kad beveik visos galaktikos tolsta nuo mūsų! Dar labiau nustebino Hablo 1929 m. Paskelbtas atradimas: Hablas atrado, kad net raudonojo poslinkio dydis nėra atsitiktinis, o yra tiesiogiai proporcingas atstumui nuo mūsų iki galaktikos. Kitaip tariant, kuo toliau galaktika, tuo greičiau ji tolsta! Tai reiškė, kad visata negali būti statiška, kaip manyta anksčiau,kad iš tikrųjų ji nuolat plečiasi ir atstumai tarp galaktikų nuolat auga.
Visatos plėtimasis reiškia, kad anksčiau jos apimtis buvo mažesnė nei yra dabar. Jei laikas bus pasuktas pagal Einšteino ir Friedmano sukurtą visatos modelį, įvykiai vyks atvirkščiai, kaip ir filme, žaidžiamame nuo pabaigos. Tada paaiškėja, kad maždaug prieš 13 milijardų metų Visatos spindulys buvo labai mažas, tai yra galaktikos, tarpžvaigždinės terpės ir spinduliuotės svoris - trumpai tariant, viskas, kas dabar sudaro Visatą, buvo sutelkta nereikšmingame tūryje, arti nulio. Ši pirminė supertanki ir itin karšta Visatos būsena neturi analogų mūsų šiuolaikinėje realybėje. Manoma, kad tuo metu Visatos substancijos tankis buvo palyginamas su atomo branduolio tankiu, o visa Visata buvo didžiulis branduolio kritimas. Kažkodėl branduolinis lašas buvo nestabilios būsenos ir sprogo. Ši prielaida yra didžiojo sprogimo koncepcijos esmė.
- Antra dalis -