- První část -
Nejblíže k uskutečnění Einsteinova snu přišel málo známý polský fyzik Theodor Kaluca, který se v roce 1921 rozhodl zobecnit Einsteinovu teorii zahrnutím elektromagnetismu do geometrické formulace teorie pole (stejně jako geometrie časoprostoru popisuje gravitaci). To mělo být provedeno tak, aby rovnice Maxwellovy teorie elektromagnetismu nadále platily. Kaluza pochopil, že Maxwellovu teorii nelze formulovat do jazyka čisté geometrie (v tom smyslu, jak tomu obvykle rozumíme), a to ani za předpokladu přítomnosti zakřiveného prostoru. Kaluza udělal další krok po Einsteinovi a přidal do čtyřrozměrného časoprostoru pátou (nepozorovatelnou) změnu, ve které je elektromagnetismus jakousi „gravitací“(slabá a silná interakce tehdy nebyla známa). Vyvstává otázka:proč tuto pátou dimenzi nijak nepociťujeme (na rozdíl od prvních čtyř)?
V roce 1926 švédský fyzik Oskar Klein navrhl, abychom si nevšimli další dimenze, protože se v jistém smyslu „zhroutila“na velmi malou velikost. Z každého bodu v prostoru sahá do páté dimenze malá smyčka. Nevšimli jsme si všech těchto smyček kvůli jejich malé velikosti. Klein vypočítal obvod smyček kolem páté dimenze pomocí známé hodnoty elementárního elektrického náboje elektronu a dalších částic, jakož i velikosti gravitační interakce mezi částicemi. Ukázalo se, že se rovná 10-32 cm, tj. 1020krát menší než velikost atomového jádra. Není proto divu, že si nevšimneme páté dimenze: je zkroucená v měřítku, které je mnohem menší než velikost kterékoli ze struktur, které známe, dokonce i ve fyzice subnukleárních částic. Je zřejmé, že v tomto případě otázka pohybu nevzniká, řekněmeatom v páté dimenzi. Spíše by se o této dimenzi mělo uvažovat jako o atomu.
Na nějakou dobu byla Klauz-Kleinova teorie zapomenuta, ale když byly silné, slabé a elektromagnetické interakce sloučeny do jediné teorie a zbývalo najít obecnou teorii pro ně a pro gravitaci, Klauz-Kleinova teorie byla znovu zapamatována. Aby bylo možné provést všechny potřebné operace symetrie, bylo nutné přidat dalších 7 dimenzí (celý prostor jako celek se ukázal jako 11-dimenzionální). A aby tyto dodatečné rozměry nebyly cítit, musí být srolovány ve velmi malém měřítku. Nyní však vyvstává otázka: pokud lze jednu dimenzi převrátit pouze do kruhu, pak lze sedm dimenzí vložit do postavy různých topologií (buď do 7-dimenzionálního torusu, nebo do 7-dimenzionální koule nebo do jiného obrázku). Nejjednodušší model, ke kterému se většina vědců přiklání, je 7-koule (7-koule). Podle očekáváníčtyři aktuálně pozorované dimenze časoprostoru se nezhroutily, protože tento stav odpovídá nejnižší energii (ke které inklinují všechny fyzické systémy). Existuje hypotéza, podle které byly v raných fázích života vesmíru rozmístěny všechny tyto dimenze.
Obrovská rozmanitost přírodních systémů a struktur, jejich vlastnosti a dynamika jsou určeny interakcí hmotných objektů, tj. jejich vzájemné působení na sebe navzájem. Právě interakce je hlavním důvodem pohybu hmoty, proto je interakce, jako je pohyb, univerzální, tj. je vlastní všem hmotným objektům, bez ohledu na jejich povahu původu a systémovou organizaci. Vlastnosti různých interakcí určují podmínky existence a specifika vlastností hmotných objektů.
Interagující objekty si vyměňují energii a - hlavní charakteristiky jejich pohybu. V klasické fyzice je interakce určena silou, s níž jeden hmotný objekt působí na jiný.
Po dlouhou dobu se věřilo, že interakce hmotných předmětů, i ve velké vzdálenosti od sebe, se okamžitě přenáší prázdným prostorem. Toto tvrzení je v souladu s konceptem akce na dálku. Nyní již byl experimentálně potvrzen další koncept - koncept akce na krátkou vzdálenost: interakce jsou přenášeny fyzickými poli konečnou rychlostí nepřesahující rychlost světla ve vakuu. Tento v podstatě koncept pole v teorii kvantového pole je doplněn tvrzením: pro jakoukoli interakci dochází k výměně speciálních částic - kvantových polí.
Interakce hmotných objektů a systémů pozorované v přírodě jsou velmi rozmanité. Jak však ukazují fyzikální studie, všechny interakce lze připsat čtyřem typům základních interakcí: gravitační, elektromagnetické, silné a slabé.
Propagační video:
Gravitační interakce se projevuje ve vzájemné přitažlivosti hmotných předmětů. Přenáší se gravitačním polem a je určován základním zákonem přírody - zákonem univerzální gravitace. Zákon univerzální gravitace popisuje pád hmotných těles v poli Země, pohyb planet sluneční soustavy, hvězd atd.
V souladu s teorií kvantového pole jsou nositeli gravitační interakce graviton - částice s nulovou hmotností, kvantita gravitačního pole. Elektromagnetická interakce je způsobena elektrickými náboji a je přenášena prostřednictvím elektrických a magnetických polí. Elektrické pole vzniká v přítomnosti elektrických nábojů a magnetické pole - když se pohybuje. Měnící se magnetické pole generuje střídavé elektrické pole, které je zase zdrojem střídavého magnetického pole.
Díky elektromagnetické interakci existují atomy a molekuly a dochází k chemickým transformacím hmoty. Různé stavy agregace, tření, pružnosti atd. jsou určeny silami mezimolekulární interakce elektromagnetické povahy. Elektromagnetická interakce je popsána základními zákony elektrostatiky a elektrodynamiky: Coulombovým zákonem, Ampérovým zákonem atd., A v obecné podobě - Maxwellovou elektromagnetickou teorií, která spojuje elektrické a magnetické pole. Příjem, transformace a aplikace elektrických a magnetických polí, stejně jako elektrický proud, slouží jako základ pro vytváření různých moderních technických prostředků: elektrické spotřebiče, rádia, televize, osvětlovací a topná zařízení, počítače atd.
Podle kvantové elektrodynamiky jsou nositeli elektromagnetické interakce fotony - kvanta elektromagnetického pole s nulovou hmotností. V mnoha případech jsou zaznamenávány nástroji ve formě elektromagnetických vln různých délek. Například viditelné světlo vnímané pouhým okem, kterým se odráží většina (asi 90%) informací o světě, je elektromagnetická vlna v poměrně úzkém rozsahu vlnových délek (asi 0,4–0,8 mikronů), což odpovídá maximálnímu slunečnímu záření.
Silná interakce zajišťuje vazbu nukleonů v jádru. Je určena jadernými silami, které mají nábojovou nezávislost, akci na krátký dosah, saturaci a další vlastnosti. Silné interakce jsou odpovědné za stabilitu atomových jader. Čím silnější je interakce nukleonů v jádře, tím stabilnější je jádro, tím větší je jeho specifická vazebná energie. S nárůstem počtu nukleonů v jádře a následně s velikostí jádra klesá specifická vazebná energie a jádro se může rozpadat, což se děje s jádry prvků na konci periodické tabulky.
Předpokládá se, že silná interakce je přenášena gluony - částicemi, které „lepí“kvarky, které tvoří protony, neutrony a další částice.
Všechny elementární částice, kromě fotonu, se účastní slabé interakce. Určuje většinu rozpadů elementárních částic, interakci neutrin s hmotou a další procesy. Slabá interakce se projevuje hlavně v procesech beta rozpadu atomových jader mnoha izotopů, volných neutronů atd. Obecně se uznává, že nositeli slabé interakce jsou viony - částice s hmotností přibližně stokrát větší než hmotnost protonů a neutronů.
Jednotná teorie popisující interakce dosud nebyla plně vyvinuta, ale většina vědců má sklon k formování vesmíru v důsledku velkého třesku: v nulovém okamžiku vznikl vesmír ze singularity, tj. Z bodu s nulovým objemem a nekonečně vysokou hustotou a teplotou. Samotný „počátek“vesmíru, tj. Jeho stav, odpovídající podle teoretických výpočtů poloměru blízkému nule, uniká dokonce teoretickému konceptu. Jde o to, že rovnice relativistické astrofyziky zůstávají platné až do hustoty asi 1093 g / cm3. Vesmír stlačený na takovou hustotu měl kdysi poloměr řádově jednu desetimiliontinu centimetru, to znamená, že byl srovnatelný co do velikosti s protonem! Mimochodem, teplota tohoto mikroverse, která vážila nejméně 1051 tun, byla neuvěřitelně vysoká a očividnětéměř 1032 stupňů. Vesmír byl tak malý zlomek sekundy po začátku „exploze“. Na samém „začátku“se hustota i teplota mění v nekonečno, tj. Tento „začátek“, s využitím matematické terminologie, je tím zvláštním „singulárním“bodem, pro který rovnice moderní teoretické fyziky ztrácejí svůj fyzikální význam. To ale neznamená, že před „začátkem“nebylo nic: jednoduše si nedovedeme představit, co bylo před podmíněným „začátkem“vesmíru. (3)že před „počátkem“nebylo nic: jednoduše si nedokážeme představit, co bylo před podmíněným „začátkem“vesmíru. (3)že před „počátkem“nebylo nic: jednoduše si nedokážeme představit, co bylo před podmíněným „začátkem“vesmíru. (3)
Když věk vesmíru dosáhl setiny sekundy, jeho teplota klesla na asi 1011 K a klesla pod prahovou hodnotu, při které mohou být produkovány protony a neutrony, některé z těchto částic unikly zničení - jinak by v našem moderním vesmíru nebylo nic. Vteřinu po Velkém třesku teplota klesla na 10 10 K a neutrina přestala interagovat s hmotou. Vesmír se stal pro neutrina prakticky „transparentním“. Elektrony a pozitrony stále nadále ničily a znovu se objevovaly, ale přibližně po 10 sekundách úroveň hustoty energie záření klesla pod jejich práh a obrovské množství elektronů a pozitronů se změnilo na záření z katastrofického procesu vzájemného zničení. Na konci tohoto procesu však zůstává určitý počet elektronů, dostatečný kspojením s protony a neutrony, dají vzniknout množství hmoty, které dnes pozorujeme ve vesmíru.
Další historie vesmíru je klidnější než jeho bouřlivý začátek. Rychlost expanze se postupně zpomalovala, teplota, stejně jako průměrná hustota, se postupně snižovala, a když byl vesmír starý milion let, jeho teplota byla tak nízká (3 500 stupňů Kelvina), že protony a jádra atomů helia již mohly zachytit volné elektrony a proměnit se neutrální atomy. Od tohoto okamžiku v podstatě začíná moderní fáze vývoje vesmíru. Objevují se galaxie, hvězdy, planety. Nakonec, o mnoho miliard let později, se vesmír stal tím, co ho vidíme.
To však není jediná hypotéza. Podle jedné z hypotéz se vesmír začal chaoticky a náhodně rozšiřovat a poté působením nějakého mechanismu rozptýlení (tlumení) vznikl určitý řád. Takový předpoklad úplného primárního chaosu, na rozdíl od úplné primární symetrie, je atraktivní, protože nevyžaduje „vytvoření“vesmíru v jakémkoli přísně definovaném stavu. Pokud se vědcům podaří najít vhodný tlumicí mechanismus, umožní to porovnat velmi širokou škálu počátečních podmínek s nyní pozorovatelnou formou vesmíru.
Jednou z nejběžnějších hypotéz o disipačním mechanismu je hypotéza o tvorbě částic a antičástic z energie, která je vytvářena slapovými účinky v gravitačním poli. Částice a antičástice se rodí v zakřiveném „prázdném“prostoru (podobně jako v případě prostoru zakřiveného černou dírou) a prostor na takové zrození reaguje zmenšením zakřivení. Čím více je časoprostor zakřivený, tím intenzivnější je tvorba částic a antičástic. V nehomogenním vesmíru by tyto účinky měly všechno vyrovnat a vytvořit stav homogenity. Je dokonce možné, že veškerá hmota ve vesmíru povstala tímto způsobem, a nikoli z jedinečnosti. Takový proces nevyžaduje zrození hmoty bez antihmoty, jako v původní singularitě. Potíž s touto hypotézou však spočívá v tomže doposud nebylo možné najít mechanismus pro oddělení hmoty a antihmoty, který by většině z nich nedovolil znovu zničit.
Na jedné straně by nás existence nehomogenit mohla zachránit před singularitou, ale George Ellis a Stephen Hawking pomocí matematických modelů ukázali, že s přihlédnutím k některým velmi pravděpodobným tvrzením o chování hmoty při vysokých tlacích nelze vyloučit existenci alespoň jedné singularity, i když odchylky od uniformity. Chování anizotropního a nehomogenního vesmíru v minulosti v blízkosti singularity mohlo být velmi složité a je velmi obtížné zde vytvořit jakýkoli model. Je snazší použít Friedmanovy modely, které předpovídají chování vesmíru od narození do smrti (v případě sférické topologie). Přestože odchylky od uniformity nezbavují náš vesmír singularity v časoprostoru, je to možnéže většina aktuálně dostupné hmoty ve vesmíru nespadla do této singularity. Výbuchy tohoto druhu, když se v blízkosti singularity objevila hmota velmi vysoké, ale ne nekonečné hustoty, se nazývaly „kňučení“. Hawkinova-Ellisova věta však vyžaduje, aby energie a tlak zůstaly pozitivní. Neexistuje žádná záruka, že jsou tyto podmínky splněny při ultravysokých hustotách hmoty.
Existuje předpoklad, že kvantové efekty, ale ne v hmotě, ale v časoprostoru (kvantová gravitace), které se stávají velmi významnými při vysokých hodnotách zakřivení časoprostoru, by mohly zabránit zmizení vesmíru v singularitě, což by způsobilo například „odraz“hmota při dostatečně vysoké hustotě. Kvůli nedostatku uspokojivé teorie kvantové gravitace však úvahy nepřinášejí jasné závěry. Přijmeme-li hypotézu „kňučení“nebo kvantového „odrazu“, znamená to, že před těmito událostmi existoval prostor a čas.
Po objevu expanze vesmíru v roce 1946 britští astrofyzici Herman Bondi a Thomas Gold navrhli, že přestože je vesmír homogenní ve vesmíru, musí být homogenní v čase. V tomto případě by se měl rozpínat konstantní rychlostí a aby se zabránilo snížení hustoty hmoty, měly by se nepřetržitě tvořit nové galaxie, které vyplní mezery vzniklé z rozptýlení existujících galaxií. Jak se vesmír rozpíná, látka pro stavbu nových galaxií se neustále objevuje. Takový vesmír není statický, ale stacionární: jednotlivé hvězdy a galaxie procházejí svými životními cykly, ale vesmír obecně nemá začátek ani konec. Vysvětlit, jak se hmota objevuje, aniž by byl porušen zákon zachování energie,Fred Hoyle vynalezl nový typ pole - vytvoření pole s negativní energií. Když se vytvoří látka, negativní energie tohoto pole se zesílí a celková energie se zachová.
Produkční frekvence atomů v tomto modelu je tak nízká, že ji nelze experimentálně detekovat. V polovině 60. let došlo k objevům naznačujícím, že se vesmír vyvíjí. Poté bylo objeveno tepelné záření pozadí, což naznačuje, že vesmír byl před několika miliardami let v horkém hustém stavu, a proto nemůže být stacionární.
Nicméně z filozofického hlediska je koncept nenarozeného a neumírajícího vesmíru velmi atraktivní. V modelech oscilujícího vesmíru je možné kombinovat filozofické přednosti stacionárního vesmíru s teorií velkého třesku. Tento kosmologický model je založen na Friedmannově modelu s kontrakcí, který je doplněn předpokladem, že vesmír nezhyne, když se singularity vyskytnou v obou časech „končí“, ale prochází superhustým stavem a „skočí“do dalšího cyklu expanze a kontrakce. Tento proces může pokračovat neomezeně dlouho. Aby se však nehromadila entropie a záření pozadí z předchozích expanzně-kontrakčních cyklů, bude nutné předpokládat, že ve fázi vysoké hustoty jsou porušeny všechny termodynamické zákony (entropie se tedy nehromadí),předpokládá se však zachování zákonů teorie relativity. Ve svém extrémním vyjádření takový úhel pohledu předpokládá, že všechny zákony a světové konstanty v každém cyklu budou nové, a protože se nic nezachovává z cyklu na cyklus, pak můžeme hovořit o vesmírech, které navzájem fyzicky nesouvisejí. Se stejným úspěchem lze předpokládat současnou existenci nekonečného souboru vesmírů, některé z nich mohou být podobné tomu našemu. Tyto závěry mají čistě filozofickou povahu a nelze je vyvrátit ani experimentem, ani pozorováním. (13)Se stejným úspěchem lze předpokládat současnou existenci nekonečného souboru vesmírů, některé z nich mohou být podobné tomu našemu. Tyto závěry mají čistě filozofickou povahu a nelze je vyvrátit ani experimentem, ani pozorováním. (13)Se stejným úspěchem lze předpokládat současnou existenci nekonečného souboru vesmírů, některé z nich mohou být podobné tomu našemu. Tyto závěry mají čistě filozofickou povahu a nelze je vyvrátit ani experimentem, ani pozorováním. (13)
Protože existuje mnoho hypotéz o stvoření vesmíru, hledání teorie všeho je stejně rozmanité - standardní model, teorie strun, teorie M, extrémně jednoduchá teorie všeho, teorie Velkého sjednocení atd.
Standardní model je teoretická konstrukce ve fyzice elementárních částic, která popisuje elektromagnetické, slabé a silné interakce všech elementárních částic. Standardní model nezahrnuje gravitaci. Až dosud byly všechny předpovědi standardního modelu potvrzeny experimentem, někdy s fantastickou přesností miliontiny procenta. Teprve v posledních letech se začaly objevovat výsledky, ve kterých jsou předpovědi standardního modelu mírně v rozporu s experimentem a dokonce s jevy, které je v jeho rámci extrémně obtížné interpretovat. Na druhou stranu je zřejmé, že standardní model nemůže být posledním slovem ve fyzice částic, protože obsahuje příliš mnoho externích parametrů a také nezahrnuje gravitaci. Hledání odchylek od standardního modelu bylo proto jednou z nejaktivnějších oblastí výzkumu v posledních letech.
Teorie strun je odvětví matematické fyziky, které studuje dynamiku a interakce ne bodových částic, ale jednorozměrných rozšířených objektů, takzvaných kvantových řetězců. Teorie strun kombinuje myšlenky kvantové mechaniky a teorie relativity, proto bude pravděpodobně na jejím základě postavena budoucí teorie kvantové gravitace. Teorie strun je založena na hypotéze, že všechny elementární částice a jejich základní interakce vznikají v důsledku vibrací a interakcí ultramikroskopických kvantových řetězců na stupnicích řádově Planckovy délky 10 - 35 m. Tento přístup se na jedné straně vyhýbá takovým obtížím kvantové teorie pole, jako je renormalizace na druhé straně vede k hlubšímu pohledu na strukturu hmoty a časoprostoru.
Kvantová teorie strun vznikla na začátku 70. let v důsledku pochopení vzorců Gabriele Veneziana souvisejících s řetězcovými modely struktury hadronů. V polovině 80. a 90. let došlo k rychlému rozvoji teorie strun a dalo se očekávat, že v blízké budoucnosti bude na základě teorie strun formulována „teorie všeho“. Navzdory matematické přísnosti a integritě teorie však dosud nebyly nalezeny žádné možnosti experimentálního potvrzení teorie strun. Teorie, která vznikla k popisu hadronové fyziky, ale k tomu se úplně nehodila, se ocitla v jakémsi experimentálním vakuu popisu všech interakcí.
M-teorie (membránová teorie) je moderní fyzikální teorie vytvořená s cílem kombinovat základní interakce. Jako základní objekt se používá tzv. „Brane“(vícerozměrná membrána) - rozšířený dvojrozměrný objekt nebo s velkým počtem rozměrů. V polovině 90. let našli Edward Witten a další teoretičtí fyzici přesvědčivé důkazy o tom, že různé teorie superstrun představují různé omezující případy dosud nevyvinuté 11rozměrné M-teorie. V polovině 80. let 20. století teoretici dospěli k závěru, že supersymetrie, která je pro teorii strun ústřední, lze do ní začlenit ne jedním, ale pěti různými způsoby, což vede k pěti různým teoriím: typ I, typy IIA a IIB a dvě heterotické teorie strun. Pouze jeden z nich mohl tvrdit, že je „teorií všeho“, a tencož by při nízkých energiích a zhutnění šesti dalších dimenzí souhlasilo se skutečnými pozorováními. Zůstávaly otázky, která teorie je adekvátnější a co dělat s dalšími čtyřmi teoriemi.
Výjimečně jednoduchá teorie všeho - jednotná teorie pole, která spojuje všechny známé fyzikální interakce, které existují v přírodě, navržená americkým fyzikem Garrettem Lisim 6. listopadu 2007. Tato teorie je zajímavá svou elegancí, ale vyžaduje seriózní zdokonalení. Někteří známí fyzici již vyjádřili svou podporu, ale v teorii byla objevena řada nepřesností a problémů.
Teorie velkého sjednocení - ve fyzice elementárních částic skupina teoretických modelů, které jednotným způsobem popisují silné, slabé a elektromagnetické interakce. Předpokládá se, že při extrémně vysokých energiích se tyto interakce kombinují. (10)
S naprostou jistotou lze říci, že budoucí objevy a teorie obohatí a neodmítnou vesmír, který nám Pythagoras, Aristarchos, Kepler, Newton a Einstein objevili - svět harmonický jako Platónův a Pythagorův vesmír, ale postavený na harmonii obsažené v matematické zákony; Vesmír není o nic méně dokonalý než vesmír Aristotela, ale svou dokonalost odvozuje z abstraktních zákonů symetrie; Vesmír, ve kterém je nekonečná prázdnota mezigalaktických prostor zaplavena měkkým světlem, nesoucím zprávy z hlubin času, které jsou pro nás stále nepochopitelné; Vesmír, který má počátek v čase, ale nemá počátek ani konec ve vesmíru, který se možná bude navždy rozšiřovat a možná se jeden krásný okamžik poté, co se přestal rozšiřovat, začne smršťovat. Tento vesmír vůbec není jako tenkterý byl zobrazen v statečných myslích těch, kteří se jako první odvážili položit otázku: „Jaký je náš svět?“Ale myslím si, že když se o tom dozvěděli, nebyli naštvaní.
- První část -