- Část dvě -
Unified Theory of the Universe, nebo Theory of Everything, je hypotetická jednotná fyzikální a matematická teorie, která popisuje všechny známé základní interakce. Termín byl původně používán ironicky se odkazovat na paletu zobecněných teorií. V průběhu doby se tento termín zakořenil v popularizaci kvantové fyziky k označení teorie, která by kombinovala všechny čtyři základní interakce v přírodě: gravitační, elektromagnetické, silné jaderné a slabé jaderné interakce. Kromě toho musí vysvětlovat existenci všech elementárních částic. Hledání jednotné teorie se nazývá jeden z hlavních cílů moderní vědy.
Myšlenka jednotné teorie vznikla díky znalostem nahromaděným více než jednou generací vědců. Jak byly získány znalosti, porozumění lidstva okolnímu světu a jeho zákonům se rozšířilo. Vzhledem k tomu, že vědeckým obrazem světa je zobecněná, systémová formace, nelze její radikální změnu redukovat na samostatný, i když největší vědecký objev. Ten druhý však může vést k jakési řetězové reakci, která může přinést celou sérii, komplex vědeckých objevů, což nakonec povede ke změně vědeckého obrazu světa. V tomto procesu jsou samozřejmě nejdůležitější objevy v základních vědách, o které se opírá. Kromě toho je třeba mít na paměti, že věda je primárně metoda, a proto není těžké předpokládat, že změna vědeckého obrazu světa by měla znamenat také radikální restrukturalizaci metod získávání nových znalostí,včetně změn v samotných normách a ideálech vědecké práce.
Rozvoj myšlenky na svět nenastal okamžitě. Takto jasně a jednoznačně fixované radikální změny ve vědeckých obrazech světa, tj. V historii vývoje vědy obecně a zvláště přírodních věd existují tři vědecké revoluce. Pokud jsou zosobněny jmény vědců, kteří při těchto událostech hráli nejvýraznější roli, pak by tři světové vědecké revoluce měly být nazývány Aristotelian, Newtonian a Einstein.
V VI - IV století. PŘED NAŠÍM LETOPOČTEM. proběhla první revoluce ve znalostech světa, v důsledku čehož se zrodila samotná věda. Historický význam této revoluce spočívá v odlišení vědy od jiných forem poznání a zvládnutí světa, ve vytvoření určitých norem a modelů pro konstrukci vědeckých poznatků. Problém vzniku vesmíru samozřejmě zaměstnával mysli lidí po velmi dlouhou dobu.
Podle řady raných židokřesťansko-muslimských mýtů náš vesmír vznikl v určitém a v minulosti ne příliš vzdáleném okamžiku. Jedním ze základů takové víry byla potřeba najít „hlavní příčinu“vesmíru. Jakákoli událost ve vesmíru je vysvětlena uvedením její příčiny, tj. Další události, která se stala dříve; takové vysvětlení existence samotného Vesmíru je možné, pouze pokud měl počátek. Další základ předložil blahoslavený Augustin (pravoslavná církev považuje Augustina za požehnaného a katolická církev - svatý). v knize „Město Boží“. Poukázal na to, že civilizace postupuje, a pamatujeme si, kdo spáchal ten či onen čin a kdo co vymyslel. Proto je nepravděpodobné, že by lidstvo, a tedy pravděpodobně i Vesmír, existovalo po velmi dlouhou dobu. Blahoslavený Augustin považoval za přijatelné datum stvoření vesmíru, které odpovídá knize Genesis: přibližně 5 000 před naším letopočtem. (Zajímavé je, že toto datum není tak daleko od konce poslední doby ledové - 10 000 před naším letopočtem, kterou archeologové považují za počátek civilizace).
Aristoteles a většina ostatních řeckých filozofů se nelíbila myšlenka stvoření vesmíru, protože byla spojena s božským zásahem. Proto věřili, že lidé a svět kolem nich existují a budou existovat navždy. Starověcí vědci zvažovali argument týkající se pokroku civilizace a rozhodli se, že na světě se pravidelně vyskytují povodně a další kataklyzmy, které po celou dobu vrátily lidstvo do výchozího bodu civilizace.
Aristoteles vytvořil formální logiku, tj. doktrína dokazování je ve skutečnosti hlavním nástrojem pro odvozování a systematizaci znalostí; vyvinuli kategorický a koncepční aparát; schválil jakýsi kánon pro organizaci vědeckého výzkumu (historie vydání, prohlášení o problému, argumenty „pro“a „proti“, odůvodnění rozhodnutí); objektivně diferencované vědecké znalosti samotné, oddělující přírodní vědy od metafyziky (filozofie), matematiky atd. Normy vědecké povahy poznání stanovené Aristotelem, modely vysvětlení, popisu a ospravedlnění ve vědě mají nespornou autoritu po více než tisíc let a mnoho (například zákony formální logiky) jsou stále účinné.
Propagační video:
Nejdůležitějším fragmentem starověkého vědeckého obrazu světa byla důsledná geocentrická doktrína světových sfér. Geocentrismus té doby nebyl vůbec „přirozeným“popisem přímo pozorovatelných faktů. Byl to obtížný a odvážný krok do neznáma: koneckonců, pro jednotu a konzistenci struktury vesmíru bylo nutné doplnit viditelnou nebeskou polokouli o analogickou neviditelnou, připustit možnost existence antipodů, tj. obyvatelé opačné strany planety atd.
Aristoteles si myslel, že Země je nehybná a Slunce, Měsíc, planety a hvězdy se točí kolem ní po kruhových drahách. Věřil tomu, protože podle svých mystických názorů považoval Zemi za střed vesmíru a kruhový pohyb - za nejdokonalejší. Ptolemaios rozvinul Aristotelovu myšlenku do úplného kosmologického modelu ve 2. století. Země stojí uprostřed a je obklopena osmi koulemi nesoucími Měsíc, Slunce a pět tehdy známých planet: Merkur, Venuše, Mars, Jupiter a Saturn (obr. 1.1). Samotné planety, věřil Ptolemaios, se pohybují v menších kruzích připojených k odpovídajícím sférám. To vysvětlovalo velmi obtížnou cestu, kterou, jak vidíme, planety ubírají. Na úplně poslední sféře jsou pevné hvězdy, které se ve vzájemné stejné poloze pohybují po obloze dohromady jako celek. To, co se skrývá za poslední sférou, nebylo vysvětleno, ale každopádně to už nebyla část vesmíru, kterou lidstvo pozoruje.
Ptolemaiosův model umožnil dobře předpovědět polohu nebeských těles na obloze, ale pro přesnou předpověď musel připustit, že trajektorie Měsíce se na některých místech blíží Zemi dvakrát blíže než v jiných! To znamená, že v jedné pozici by se měl Měsíc zdát 2krát větší než v jiné! Ptolemaios si byl této chyby vědom, ale přesto byla jeho teorie přijata, i když ne všude. Křesťanská církev přijala ptolemaiovský model vesmíru, protože není v rozporu s Biblí, protože tento model byl velmi dobrý v tom, že mimo sféru stálých hvězd ponechával velký prostor peklu a nebi. V roce 1514 však polský kněz Nicolaus Copernicus navrhl ještě jednodušší model. (Zpočátku, snad v obavě, že by ho církev prohlásila za kacíře, šířil Koperník svůj model anonymně). Jeho nápad bylže Slunce stojí uprostřed a Země a další planety se točí kolem něj v kruhových drahách. Uplynulo téměř století, než byla Koperníkova myšlenka brána vážně. Dva astronomové - Němec Johannes Kepler a Ital Galileo Galilei - veřejně podporovali Koperníkovu teorii, přestože oběžné dráhy předpověděné Koperníkem se zcela neshodovaly s pozorovanými. Aristotelova-Ptolemaiova teorie skončila v roce 1609, kdy Galileo začal pozorovat noční oblohu svým nově vynalezeným dalekohledem. Tím, že zaměřil dalekohled na planetu Jupiter, objevil Galileo několik malých satelitů neboli měsíců obíhajících kolem Jupitera. To znamenalo, že ne všechna nebeská tělesa se nutně musí točit přímo kolem Země, jak věřili Aristoteles a Ptolemaios. (Samozřejmě by se dalo uvažovatže Země spočívá ve středu vesmíru a měsíce Jupitera se pohybují po velmi složité cestě kolem Země, takže to vypadá, jako by se točily kolem Jupitera. Koperníkova teorie však byla mnohem jednodušší.) Johannes Kepler zároveň upravil Koperníkovu teorii na základě předpokladu, že planety se nepohybují v kruzích, ale v elipsách (elipsa je protáhlý kruh). Nakonec se nyní předpovědi shodovaly s pozorováním. Nakonec se nyní předpovědi shodovaly s výsledky pozorování. Nakonec se nyní předpovědi shodovaly s výsledky pozorování.
Pokud jde o Keplera, jeho eliptické dráhy byly umělou hypotézou a navíc „neelegantní“, protože elipsa je mnohem méně dokonalá postava než kruh. Kepler, který téměř náhodou zjistil, že eliptické dráhy jsou v dobré shodě s pozorováními, nebyl nikdy schopen sladit tuto skutečnost se svou představou, že planety se pod vlivem magnetických sil točí kolem Slunce. Vysvětlení přišlo až mnohem později, v roce 1687, kdy Isaac Newton vydal knihu „Matematické principy přírodní filozofie“. Newton v něm předložil nejen teorii pohybu hmotných těles v čase a prostoru, ale také vyvinul složité matematické metody nezbytné k analýze pohybu nebeských těles.
Newton navíc postuloval zákon univerzální gravitace, podle kterého je každé tělo ve vesmíru přitahováno k jakémukoli jinému tělu s větší silou, tím větší je hmotnost těchto těl a tím menší je vzdálenost mezi nimi. To je ta samá síla, díky níž těla padají na zem. (Příběh, že Newton byl inspirován jablkem, které mu spadlo na hlavu, je téměř jistě nespolehlivý. Newton sám o tom řekl jen to, že myšlenka gravitace přišla, když seděl v „kontemplativní náladě“, a „důvodem byl pád jablka“) …
Newton dále ukázal, že podle jeho zákona se Měsíc pod působením gravitačních sil pohybuje na eliptické dráze kolem Země a Země a planety rotují na eliptických drahách kolem Slunce. (8) Newtonův model je jedno těleso pohybující se rovnoměrně v absolutním nekonečném prostoru a přímo, dokud na toto těleso nepůsobí síla (první zákon mechaniky) nebo dvě těla působící na sebe se stejnými a opačnými silami (třetí zákon mechaniky); samotná síla je považována pouze za příčinu zrychlení pohybujících se těles (druhý zákon mechaniky), to znamená, že existuje sama o sobě a odnikud nepochází.
Newton udržel úvahu mechaniky jako univerzální fyzikální teorie. V XIX století. toto místo zaujal mechanistický obraz světa, který zahrnuje mechaniku, termodynamiku a kinetickou teorii hmoty, elastickou teorii světla a elektromagnetismus. Objev elektronu stimuloval revizi myšlenek. Na konci století vytvořil H. Lorenz svou elektronovou teorii tak, aby pokryla všechny přírodní jevy, ale nedosáhl toho. Problémy spojené s diskrétností náboje a kontinuitou pole a problémy v teorii záření („ultrafialová katastrofa“) vedly k vytvoření obrazu světa a kvantové mechaniky v kvantovém poli.
Klasický příklad použití abstraktních pojmů k vysvětlení přírody uvedl v roce 1915 Einstein, který publikoval svou skutečně epochální obecnou teorii relativity. Tato práce je jednou z mála, která označuje zlomové body ve vnímání světa člověkem kolem sebe. Krása Einsteinovy teorie je dána nejen silou a elegancí rovnic gravitačního pole, ale také ohromnou radikalitou jeho názorů. Obecná relativita s jistotou prohlásila, že gravitace je geometrie zakřiveného prostoru. Koncept zrychlení v prostoru byl nahrazen konceptem zakřivení vesmíru. (2)
Po vytvoření SRT se očekávalo, že univerzální pokrytí přírodního světa může poskytnout elektromagnetický obraz světa, který kombinuje teorii relativity, Maxwellovu teorii a mechaniku, ale tato iluze byla brzy rozptýlena.
Speciální teorie relativity (SRT) (speciální teorie relativity; relativistická mechanika) je teorie, která popisuje pohyb, zákony mechaniky a časoprostorové vztahy při rychlostech blízkých rychlosti světla. V rámci speciální teorie relativity je Newtonova klasická mechanika aproximací při nízké rychlosti. Zobecnění SRT pro gravitační pole se nazývá obecná teorie relativity (GTR). SRT je založena na dvou postulátech:
1. Ve všech setrvačních referenčních rámcích se rychlost světla nemění (jedná se o invariant) a nezávisí na pohybu zdroje, přijímače nebo samotného rámce. V klasické mechanice Galileo - Newtona je rychlost relativního přiblížení dvou těles vždy vyšší než rychlost těchto těles a závisí jak na rychlosti jednoho objektu, tak na rychlosti druhého. Proto je pro nás obtížné uvěřit, že rychlost světla nezávisí na rychlosti jeho zdroje, ale toto je vědecký fakt.
2. Reálný prostor a čas tvoří jediné čtyřrozměrné časoprostorové kontinuum, takže během přechodu mezi referenčními snímky zůstává hodnota časoprostorového intervalu mezi událostmi nezměněna. V SRT neexistují žádné simultánní události ve všech referenčních rámcích. Zde dvě události, simultánně v jednom referenčním rámci, vypadají časově odlišně z pohledu jiného, pohyblivého nebo v klidu, referenčního rámce.
Speciální teorie relativity zachovává všechny základní definice klasické fyziky - impuls, práce, energie. Je tu však také něco nového: za prvé, závislost hmoty na rychlosti pohybu. Proto nelze použít klasický výraz pro kinetickou energii, protože byl získán za předpokladu, že hmotnost objektu zůstane nezměněna.
Mnoho teoretiků se pokusilo přijmout gravitaci a elektromagnetismus pomocí jednotných rovnic. Pod vlivem Einsteina, který představil čtyřrozměrný časoprostor, byly postaveny vícerozměrné teorie pole ve snaze redukovat jevy na geometrické vlastnosti prostoru.
Sjednocení proběhlo na základě ustavené nezávislosti rychlosti světla pro různé pozorovatele pohybující se v prázdném prostoru při absenci vnějších sil. Einstein zobrazil světovou linii objektu v rovině (obr. 2), kde je prostorová osa směrována vodorovně a časová osa je směrována svisle. Pak svislá čára je světová čára objektu, který je v daném referenčním rámci v klidu, a šikmá čára je objekt pohybující se konstantní rychlostí. Zakřivená světová čára odpovídá zrychlenému pohybu objektu. Libovolný bod v této rovině odpovídá poloze na daném místě v daném čase a nazývá se událost. V tomto případě gravitace již není silou působící na pasivní pozadí prostoru a času, ale je zkreslením samotného časoprostoru. Koneckonců, gravitační pole je „zakřivení časoprostoru.
Obr. Časoprostorový diagram
Einsteinovi krátce po jeho vytvoření (1905) přestala vyhovovat speciální teorie relativity a začal pracovat na jejím zobecnění. Totéž se stalo s obecnou relativitou. V roce 1925 začal Einstein pracovat na teorii, kterou měl studovat s krátkými přestávkami až do konce svých dnů. Hlavní problém, který ho znepokojoval - povaha polních zdrojů - měl již určitou historii, když se ji Einstein chopil. Proč se například nerozpadají částice? Koneckonců, elektron nese záporný náboj a záporné náboje se navzájem odpuzují, tj. elektron by musel explodovat zevnitř kvůli odpuzování sousedních oblastí!
V jistém smyslu tento problém přetrvával dodnes. Dosud nebyla vytvořena uspokojivá teorie, která popisuje síly, které působí uvnitř elektronu, ale obtíže lze obejít za předpokladu, že elektron nemá vnitřní strukturu - je to bodový náboj, který nemá rozměry, a proto jej nelze odtrhnout zevnitř.
Obecně se však uznává, že hlavní ustanovení moderní kosmologie - věda o struktuře a vývoji vesmíru - se začala formovat po vytvoření prvního relativistického modelu založeného na teorii gravitace v roce 1917 A. Einsteinem, který tvrdí, že popisuje celý vesmír. Tento model charakterizoval stacionární stav vesmíru a, jak ukazují astrofyzikální pozorování, se ukázal být nesprávný.
Důležitý krok při řešení kosmologických problémů učinil v roce 1922 profesor Petrohradské univerzity A. A. Friedman (1888-1925). V důsledku řešení kosmologických rovnic dospěl k závěru: Vesmír nemůže být ve stacionárním stavu - všechny galaxie se od sebe vzdalují dopředu, a proto byly všechny na stejném místě.
Další krok byl učiněn v roce 1924, kdy americký astronom E. Hubble (1889-1953) změřil vzdálenost k blízkým galaxiím (v té době se jim říkalo mlhoviny) na observatoři Mount Wilson v Kalifornii, a tím objevil svět galaxií. Když astronomové začali studovat spektra hvězd v jiných galaxiích, objevilo se něco ještě podivnějšího: naše vlastní galaxie měla stejné charakteristické sady chybějících barev jako hvězdy, ale všechny byly posunuty stejným směrem k červenému konci spektra. Viditelným světlem jsou vibrace nebo vlny elektromagnetického pole. Frekvence (počet vln za sekundu) světelných vibrací je extrémně vysoká - od čtyř set do sedmi set milionů vln za sekundu. Lidské oko vnímá světlo různých frekvencí jako různé barvy, přičemž nejnižší frekvence odpovídají červenému konci spektra,a nejvyšší až fialová. Představte si světelný zdroj umístěný v pevné vzdálenosti od nás (například hvězda), vyzařující světelné vlny s konstantní frekvencí. Je zřejmé, že frekvence příchozích vln bude stejná jako frekvence, s níž jsou emitovány (i když je gravitační pole galaxie malé a jeho vliv je zanedbatelný). Předpokládejme nyní, že se zdroj začne pohybovat naším směrem. Když bude emitována další vlna, zdroj bude blíže k nám, a proto bude doba, za kterou se hřeben této vlny k nám dostane, kratší než v případě stálé hvězdy. V důsledku toho bude doba mezi hřebeny dvou přicházejících vln kratší a počet vln, které přijmeme za jednu sekundu (tj. Frekvence), bude větší, než když hvězda stála. Po odstranění zdroje bude frekvence příchozích vln menší. To znamená,že spektra ustupujících hvězd budou posunuta směrem k červenému konci (červený posun) a spektra blížících se hvězd by měla zažít fialový posun. Tento vztah mezi rychlostí a frekvencí se nazývá Dopplerův jev a tento účinek je běžný i v našem každodenním životě. Dopplerův efekt využívá policie, která z dálky určuje rychlost vozidel podle frekvence odražených rádiových signálů.
Poté, co Hubble dokázal, že existují další galaxie, věnoval všechny následující roky sestavování katalogů vzdáleností k těmto galaxiím a pozorování jejich spekter. V té době se většina vědců domnívala, že k pohybu galaxií dochází náhodně, a proto by měla být pozorována spektra posunutá směrem k červené straně stejně jako spektra posunutá směrem k fialové. Jaké překvapení to bylo, když byl ve většině galaxií nalezen rudý posuv spektra, to znamená, že se ukázalo, že téměř všechny galaxie se od nás vzdalovaly! Ještě překvapivější byl objev zveřejněný Hubbleem v roce 1929: Hubble objevil, že ani velikost rudého posuvu není náhodná, ale je přímo úměrná vzdálenosti od nás do galaxie. Jinými slovy, čím dále je galaxie, tím rychleji se vznáší! A to znamenalo, že vesmír nemohl být statický, jak se dříve myslelo,že se ve skutečnosti neustále rozšiřuje a vzdálenosti mezi galaxiemi neustále rostou.
Expanze vesmíru znamená, že v minulosti byl jeho objem menší než nyní. Pokud se čas obrátí v modelu vesmíru vyvinutém Einsteinem a Friedmanem, události se obrátí, jako ve filmu hraném od konce. Pak se ukázalo, že asi před 13 miliardami let byl poloměr vesmíru velmi malý, tj. Hmotnost galaxie, mezihvězdného média a záření - všechno, co nyní tvoří vesmír, bylo zkrátka koncentrováno v zanedbatelném objemu, blízkém nule. Tento primární superhustý a velmi horký stav vesmíru nemá v naší současné realitě obdoby. Předpokládá se, že v té době byla hustota substance vesmíru srovnatelná s hustotou atomového jádra a celý vesmír byl obrovským poklesem jader. Z nějakého důvodu byl pokles jaderné energie v nestabilním stavu a explodoval. Tento předpoklad je jádrem konceptu velkého třesku.
- Část dvě -