- Prvi dio -
Najbliži ostvarenju Einsteinova sna došao je malo poznati poljski fizičar Theodor Kaluca, koji je davne 1921. godine krenuo u generalizaciju Einsteinove teorije uključivanjem elektromagnetizma u geometrijsku formulaciju teorije polja (baš kao što geometrija prostora-vremena opisuje gravitaciju). To je trebalo biti učinjeno kako bi jednadžbe Maxwellove teorije elektromagnetizma i dalje vrijedile. Kaluza je shvatio da Maxwellova teorija ne može biti formulirana jezikom čiste geometrije (u smislu koji je obično razumijemo), čak ni pod pretpostavkom prisutnosti zakrivljenog prostora. Kaluza je poduzeo sljedeći korak nakon Einsteina, dodao je četverodimenzionalnom prostoru-vremenu petu (neprimjetnu) promjenu u kojoj je elektromagnetizam vrsta "gravitacije" (tada slaba i jaka interakcija nije bila poznata). Postavlja se pitanje:zašto ovu petu dimenziju ne osjećamo ni na koji način (za razliku od prve četiri)?
1926. švedski fizičar Oskar Klein sugerirao je da ne primjećujemo dodatnu dimenziju jer se ona u nekom smislu "smotala" na vrlo malu veličinu. Mala petlja proteže se od svake točke u prostoru u petu dimenziju. Sve ove petlje ne primjećujemo zbog njihove male veličine. Klein je izračunao opseg petlji oko pete dimenzije koristeći poznatu vrijednost elementarnog električnog naboja elektrona i drugih čestica, kao i veličinu gravitacijske interakcije između čestica. Pokazalo se da je jednako 10-32 cm, t.j. 1020 puta manja od veličine atomske jezgre. Stoga ne čudi što petu dimenziju ne primjećujemo: uvijena je na ljestvicama koje su mnogo manje od dimenzija bilo koje od struktura koje poznajemo, čak i u fizici subnuklearnih čestica. Očito se u ovom slučaju ne postavlja pitanje prijedloga, recimo,atom u petoj dimenziji. Umjesto toga, o ovoj dimenziji treba razmišljati kao o tome da je ona unutar atoma.
Neko je vrijeme Klauz-Kleinova teorija bila zaboravljena, ali kad su se jake, slabe i elektromagnetske interakcije spojile u jednu teoriju, a ostalo je pronaći opću teoriju za njih i za gravitaciju, Klauz-Kleinova teorija ponovno se sjetila. Da bi se izvele sve potrebne operacije simetrije, bilo je potrebno dodati još 7 dimenzija (cijeli prostor u cjelini pokazao se 11-dimenzionalnim). A kako se ove dodatne dimenzije ne bi osjetile, moraju se smotati u vrlo malim razmjerima. Međutim, sada se postavlja pitanje: ako se jedna dimenzija može uvaljati samo u krug, tada se sedam dimenzija može uvaljati u lik različitih topologija (ili u sedmodimenzionalni tor, ili u sedmodimenzionalnu kuglu, ili u neku drugu figuru). Najjednostavniji model kojem se priklanja većina znanstvenika je 7-sfera (7-sfera). Očekivanočetiri trenutno promatrane dimenzije prostor-vremena nisu se srušile, jer ovo stanje odgovara najnižoj energiji (kojoj teže svi fizički sustavi). Postoji hipoteza prema kojoj su u ranim fazama života svemira bile raspoređene sve te dimenzije.
Ogromna raznolikost prirodnih sustava i struktura, njihove značajke i dinamičnost određuju se interakcijom materijalnih objekata, t.j. njihovo međusobno djelovanje jedno na drugo. Upravo je interakcija glavni razlog kretanja materije, dakle, interakcija je, poput kretanja, univerzalna, t.j. svojstven je svim materijalnim objektima, bez obzira na njihovu prirodu podrijetla i sustavnu organizaciju. Značajke različitih interakcija određuju uvjete postojanja i specifičnosti svojstava materijalnih predmeta.
Predmeti koji djeluju međusobno razmjenjuju energiju i - glavne karakteristike njihovog kretanja. U klasičnoj fizici interakciju određuje sila kojom jedan materijalni objekt djeluje na drugi.
Dugo se vjerovalo da se interakcija materijalnih predmeta, čak i na velikoj međusobnoj udaljenosti, trenutno prenosi kroz prazan prostor. Ova je izjava u skladu s konceptom djelovanja na daljinu. Do sada je eksperimentalno potvrđen još jedan koncept - koncept djelovanja kratkog dometa: interakcije se prenose kroz fizička polja konačnom brzinom koja ne prelazi brzinu svjetlosti u vakuumu. Ovaj, u osnovi, pojam polja u kvantnoj teoriji polja nadopunjuje se izjavom: u bilo kojoj interakciji dolazi do izmjene posebnih čestica - kvanta polja.
Interakcije materijalnih objekata i sustava promatrane u prirodi vrlo su raznolike. Međutim, kako pokazuju fizikalne studije, sve interakcije mogu se pripisati četiri vrste temeljnih interakcija: gravitacijskoj, elektromagnetskoj, jakoj i slaboj.
Promotivni video:
Gravitacijska interakcija očituje se u međusobnom privlačenju bilo kojih materijalnih predmeta s masom. Prenosi se pomoću gravitacijskog polja, a određuje ga temeljni zakon prirode - zakon univerzalne gravitacije. Zakon univerzalne gravitacije opisuje pad materijalnih tijela u polju Zemlje, kretanje planeta Sunčevog sustava, zvijezda itd.
U skladu s kvantnom teorijom polja, nositelji gravitacijske interakcije su gravitoni - čestice nulte mase, kvante gravitacijskog polja. Elektromagnetska interakcija uzrokovana je električnim nabojima i prenosi se kroz električna i magnetska polja. Električno polje nastaje u prisutnosti električnih naboja, a magnetsko polje - kad se kreću. Mijenjajuće magnetsko polje generira izmjenično električno polje, koje je pak izvor izmjeničnog magnetskog polja.
Zbog elektromagnetske interakcije postoje atomi i molekule, odvijaju se kemijske transformacije materije. Razna stanja agregacije, trenja, elastičnosti itd. određene su snagama intermolekularne interakcije, elektromagnetske prirode. Elektromagnetsku interakciju opisuju temeljni zakoni elektrostatike i elektrodinamike: Coulombov zakon, Ampereov zakon, itd., A u generaliziranom obliku - Maxwellova elektromagnetska teorija koja povezuje električno i magnetsko polje. Primanje, pretvorba i primjena električnih i magnetskih polja, kao i električne struje služe kao osnova za stvaranje različitih suvremenih tehničkih sredstava: električnih uređaja, radija, televizora, uređaja za osvjetljenje i grijanje, računala itd.
Prema kvantnoj elektrodinamici, nositelji elektromagnetske interakcije su fotoni - kvanti elektromagnetskog polja nulte mase. U mnogim su slučajevima zabilježeni instrumentima u obliku elektromagnetskih valova različitih duljina. Primjerice, vidljiva svjetlost koju opaža golim okom, a kroz koju se odražava glavnina (oko 90%) informacija o svijetu, je elektromagnetski val u prilično uskom rasponu valnih duljina (oko 0,4-0,8 mikrona), što odgovara maksimalnom sunčevom zračenju.
Snažna interakcija osigurava vezu nukleona u jezgri. Određuju ga nuklearne sile koje posjeduju neovisnost o naboju, djelovanje na kratki domet, zasićenje i druga svojstva. Jake interakcije odgovorne su za stabilnost atomskih jezgri. Što je jača interakcija nukleona u jezgri, to je jezgra stabilnija, veća je njena specifična energija vezanja. S povećanjem broja nukleona u jezgri i, posljedično tome, veličine jezgre, specifična energija vezanja se smanjuje i jezgra može propadati, što se događa s jezgrama elemenata na kraju periodnog sustava.
Pretpostavlja se da snažnu interakciju prenose gluoni - čestice koje "lijepe" kvarkove koji su dio protona, neutrona i drugih čestica.
Sve elementarne čestice, osim fotona, sudjeluju u slaboj interakciji. Određuje većinu raspada elementarnih čestica, interakciju neutrina s materijom i druge procese. Slaba interakcija očituje se uglavnom u procesima beta raspada atomskih jezgri mnogih izotopa, slobodnih neutrona itd. Općenito je prihvaćeno da su nositelji slabe interakcije vioni - čestice mase približno 100 puta veće od mase protona i neutrona.
Do danas, jedinstvena teorija opisivanja interakcija još nije u potpunosti razvijena, ali većina znanstvenika naginje stvaranju Svemira kao rezultat Velikog praska: u nultom trenutku, Svemir je nastao iz singularnosti, odnosno iz točke s nultim volumenom i beskrajno velikom gustoćom i temperaturom. Sam "početak" Svemira, odnosno njegovo stanje koje odgovara, prema teoretskim proračunima, radijusu bliskom nuli, izmiče čak i teorijskom konceptu. Stvar je u tome da jednadžbe relativističke astrofizike ostaju valjane do gustoće od oko 1093 g / cm3. Svemir, stisnut na takvu gustoću, nekada je imao radijus reda veličine deset milijarditih centimetara, odnosno bio je usporediv po veličini s protonom! Inače, temperatura ovog mikrovemira, koja je težila najmanje 1051 tonu, bila je nevjerojatno visoka i, po svemu sudeći,blizu 1032 stupnja. Svemir je bio tako mali djelić sekunde nakon početka "eksplozije". Na samom "početku" i gustoća i temperatura okreću se u beskonačnost, tj. Taj je "početak", koristeći matematičku terminologiju, ona posebna "pojedinačna" točka za koju jednadžbe suvremene teorijske fizike gube svoje fizičko značenje. Ali to ne znači da prije "početka" nije bilo ničega: jednostavno ne možemo zamisliti što je bilo prije uvjetnog "početka" Svemira. (3)da prije "početka" nije bilo ništa: jednostavno ne možemo zamisliti što je bilo prije uvjetnog "početka" Svemira. (3)da prije "početka" nije bilo ništa: jednostavno ne možemo zamisliti što je bilo prije uvjetnog "početka" Svemira. (3)
Kad je starost Svemira dosegla stoti dio sekunde, temperatura mu se spustila na oko 1011 K, padajući ispod praga vrijednosti pri kojoj se mogu stvarati protoni i neutroni, neke od tih čestica izbjegle su uništenje - inače u našem modernom Svemiru ne bi bilo materije. Jednu sekundu nakon Velikog praska, temperatura je pala na 10 10 K i neutrini su prestali komunicirati s materijom. Svemir je postao praktički "proziran" za neutrine. Elektroni i pozitroni i dalje su nastavili uništavati i ponovno se pojavljivati, ali nakon otprilike 10 sekundi razina gustoće energije zračenja pala je ispod njihovog praga, a ogroman broj elektrona i pozitrona pretvorio se u zračenje iz katastrofalnog procesa međusobnog uništavanja. Na kraju ovog postupka, međutim, ostaje određeni broj elektrona, dovoljan daudružujući se s protonima i neutronima, nastaje količina materije koju danas promatramo u Svemiru.
Daljnja povijest Svemira mirnija je od njegovog burnog početka. Brzina širenja postupno se usporavala, temperatura se poput prosječne gustoće postupno smanjivala, a kad je Svemir imao milijun godina, temperatura mu je postala toliko niska (3500 stupnjeva Kelvina) da su protoni i jezgre atoma helija već mogli hvatati slobodne elektrone i pretvarati se u neutralni atomi. Od ovog trenutka u suštini započinje moderna faza evolucije Svemira. Pojavljuju se galaksije, zvijezde, planeti. Na kraju, mnogo milijardi godina kasnije, svemir je postao ono što mi vidimo.
Ali to nije jedina hipoteza. Prema jednoj od hipoteza, Svemir se počeo širiti kaotično i nasumično, a onda je, pod djelovanjem nekog mehanizma rasipanja (prigušivanja), nastao određeni poredak. Ova pretpostavka potpunog primarnog kaosa, za razliku od potpune primarne simetrije, privlačna je po tome što ne zahtijeva "stvaranje" Svemira u bilo kojem strogo definiranom stanju. Ako znanstvenici uspiju pronaći prikladan prigušni mehanizam, tada će to omogućiti da se sa sada uočljivim oblikom Svemira slože s vrlo širokim rasponom početnih uvjeta.
Jedna od najčešćih hipoteza o mehanizmu rasipanja je hipoteza o stvaranju čestica i antičestica iz energije koja nastaje plimnim efektima u gravitacijskom polju. Čestice i antičestice rađaju se u zakrivljenom "praznom" prostoru (slično slučaju prostora zakrivljenog crnom rupom), a prostor na takvo rođenje reagira smanjenjem zakrivljenosti. Što je više prostor-vrijeme zakrivljen, to se intenzivnije stvara čestice i antičestice. U nehomogenom svemiru takvi su učinci trebali sve izjednačiti, stvarajući stanje homogenosti. Moguće je čak da je sva materija u Svemiru nastala na ovaj način, a ne iz singularnosti. Takav postupak ne zahtijeva rađanje materije bez antimaterije, kao u izvornoj singularnosti. Međutim, poteškoća s ovom hipotezom je u tomeda do sada nije bilo moguće pronaći mehanizam za odvajanje materije i antimaterije koji ne bi dopustio da većina njih ponovno uništi.
S jedne strane, postojanje nehomogenosti moglo bi nas spasiti od singularnosti, ali George Ellis i Stephen Hawking, koristeći se matematičkim modelima, pokazali su da se, uzimajući u obzir neke vrlo vjerojatne pretpostavke o ponašanju materije, pri visokim pritiscima, ne može isključiti postojanje barem jedne singularnosti, čak i ako odstupanja od jednolikosti. Ponašanje anizotropnog i nehomogenog svemira u prošlosti u blizini singularnosti moglo bi biti vrlo složeno i ovdje je vrlo teško izgraditi bilo kakav model. Lakše je koristiti Friedmanove modele koji predviđaju ponašanje svemira od rođenja do smrti (u slučaju sferne topologije). Iako odstupanja od jednolikosti ne oslobađaju naš svemir singularnosti u prostor-vremenu, ipak je to mogućeda većina trenutno dostupne materije u Svemiru nije spadala u ovu singularnost. Eksplozije ove vrste, kada se materija super velike, ali ne beskonačne gustoće, pojavi u blizini singularnosti, nazvane su "cviljenje". Međutim, Hawkin-Ellisov teorem zahtijeva da energija i tlak ostanu pozitivni. Ne postoji jamstvo da su ti uvjeti ispunjeni kod ultra visokih gustoća tvari.
Pretpostavlja se da bi kvantni učinci, ali ne u materiji, već u prostoru-vremenu (kvantna gravitacija), koji postaju vrlo značajni pri visokim vrijednostima zakrivljenosti prostora-vremena, mogli spriječiti nestanak Svemira u singularnosti, uzrokujući, na primjer, "odskok" tvari pri dovoljno visokoj gustoći. Međutim, zbog nedostatka zadovoljavajuće teorije kvantne gravitacije, obrazloženje ne daje jasne zaključke. Ako prihvatimo hipotezu o "cviljenju" ili kvantnom "odbijanju", to znači da su prostor i vrijeme postojali prije tih događaja.
Nakon otkrića širenja Svemira, 1946. godine, britanski astrofizičari Herman Bondi i Thomas Gold sugerirali su da, unatoč tome što je Svemir homogen u svemiru, mora biti homogen u vremenu. U tom bi se slučaju trebao širiti konstantnom brzinom, a kako bi se spriječilo smanjenje gustoće tvari, treba kontinuirano stvarati nove galaksije, koje će popunjavati praznine nastale raspršivanjem postojećih galaksija. Supstanca za izgradnju novih galaksija kontinuirano se pojavljuje kako se svemir širi. Takav svemir nije statičan, već stacionaran: pojedine zvijezde i galaksije prolaze kroz svoje životne cikluse, ali općenito svemir nema početak ili kraj. Da bismo objasnili kako se materija pojavljuje bez kršenja zakona očuvanja energije,Fred Hoyle izumio je novu vrstu polja - stvarajući polje s negativnom energijom. Stvaranjem materije negativna energija ovog polja pojačava se i ukupna energija se čuva.
Učestalost proizvodnje atoma u ovom modelu je toliko niska da se ne može eksperimentalno otkriti. Sredinom 60-ih otkrića su otkrila da se svemir razvija. Tada je otkriveno pozadinsko toplinsko zračenje, što ukazuje na to da je Svemir bio u vrućem gustom stanju prije nekoliko milijardi godina i da stoga ne može biti stacionaran.
Ipak, s filozofskog gledišta, koncept nerođenog i neumrelog svemira vrlo je atraktivan. Moguće je kombinirati filozofske zasluge stacionarnog svemira s teorijom velikog praska u modelima oscilirajućeg svemira. Ovaj se kozmološki model temelji na Friedmannovom modelu sa kontrakcijom, nadopunjenom pretpostavkom da svemir ne propada kad se singularnosti javljaju u oba vremena "kraja", već prolazi super gusto stanje i čini "skok" u sljedeći ciklus širenja i stezanja. Taj se postupak može nastaviti unedogled. Međutim, kako se ne bi akumulirala entropija i pozadinsko zračenje iz prethodnih ciklusa ekspanzije-kontrakcije, bit će potrebno pretpostaviti da su u fazi velike gustoće kršeni svi termodinamički zakoni (dakle, entropija se ne akumulira),međutim, pretpostavlja se da će se zakoni teorije relativnosti sačuvati. U svom krajnjem izrazu, takvo gledište pretpostavlja da će svi zakoni i svjetske konstante u svakom ciklusu biti novi, a budući da se ništa ne čuva od ciklusa do ciklusa, onda možemo govoriti o svemirima koji međusobno nisu fizički povezani. S istim uspjehom može se pretpostaviti istodobno postojanje beskonačnog ansambla svemira, neki od njih mogu biti slični našem. Ti su zaključci čisto filozofske naravi i ne mogu se pobiti ni eksperimentom ni promatranjem. (13)S istim uspjehom može se pretpostaviti istodobno postojanje beskonačnog ansambla svemira, neki od njih mogu biti slični našem. Ti su zaključci čisto filozofske naravi i ne mogu se pobiti ni eksperimentom ni promatranjem. (13)S istim uspjehom može se pretpostaviti istodobno postojanje beskonačnog sklopa svemira, neki od njih mogu biti slični našem. Ti su zaključci čisto filozofske naravi i ne mogu se pobiti ni eksperimentom ni promatranjem. (13)
Kako postoje mnoge hipoteze za stvaranje Svemira, potraga za teorijom svega jednako je raznolika - standardni model, teorija struna, M-teorija, krajnje jednostavna teorija svega, teorije Velikog ujedinjenja itd.
Standardni model je teoretska konstrukcija u fizici elementarnih čestica koja opisuje elektromagnetske, slabe i jake interakcije svih elementarnih čestica. Standardni model ne uključuje gravitaciju. Do sada su sva predviđanja Standardnog modela potvrđena eksperimentom, ponekad s fantastičnom točnošću od milijunti dio posto. Tek su se posljednjih godina počeli pojavljivati rezultati u kojima su predviđanja Standardnog modela pomalo u suprotnosti s eksperimentom, pa čak i pojave koje je izuzetno teško protumačiti u njegovom okviru. S druge strane, očito je da Standardni model ne može biti zadnja riječ u fizici čestica, jer sadrži previše vanjskih parametara, a također ne uključuje i gravitaciju. Stoga je traženje odstupanja od standardnog modela jedno od najaktivnijih područja istraživanja posljednjih godina.
Teorija struna je grana matematičke fizike koja proučava dinamiku i interakcije ne točkastih čestica, već jednodimenzionalnih proširenih objekata, takozvanih kvantnih žica. Teorija struna kombinira ideje kvantne mehanike i teorije relativnosti, pa će se na toj osnovi vjerojatno izgraditi buduća teorija kvantne gravitacije. Teorija struna temelji se na hipotezi da sve elementarne čestice i njihove temeljne interakcije nastaju kao rezultat vibracija i interakcija ultramikroskopskih kvantnih nizova na skalama reda Planckove duljine 10-35 m. Ovaj pristup, s jedne strane, izbjegava takve poteškoće kvantne teorije polja kao što je renormalizacija, s druge strane, vodi dubljem uvidu u strukturu materije i prostora-vremena.
Kvantna teorija struna nastala je ranih 1970-ih kao rezultat razumijevanja formula Gabrielea Veneziana povezanih s nizovitim modelima hadronske strukture. Sredinom 1980-ih i sredinom 1990-ih vidio se brzi razvoj teorije struna i očekivalo se da će se u bliskoj budućnosti na temelju teorije struna formulirati "teorija svega". No, unatoč matematičkoj strogosti i cjelovitosti teorije, još nisu pronađene mogućnosti za eksperimentalnu potvrdu teorije struna. Teorija koja je nastala da opiše hadronsku fiziku, ali nije bila baš pogodna za to, našla se u svojevrsnom eksperimentalnom vakuumu opisa svih interakcija.
M-teorija (memorijska teorija) moderna je fizička teorija stvorena s ciljem kombiniranja temeljnih interakcija. Kao osnovni objekt koristi se takozvana "brane" (višedimenzionalna membrana) - prošireni dvodimenzionalni objekt ili s velikim brojem dimenzija. Sredinom 1990-ih Edward Witten i drugi teorijski fizičari pronašli su snažne dokaze da razne teorije superstruna predstavljaju različite ograničavajuće slučajeve još nerazvijene 11-dimenzionalne M-teorije. Sredinom 1980-ih teoretičari su zaključili da se supersimetrija, koja je središnji dio teorije struna, može u nju ugraditi ne na jedan, već na pet različitih načina, što dovodi do pet različitih teorija: tipa I, tipova IIA i IIB i dvije heterotične teorije struna. Samo jedan od njih mogao bi tvrditi da je "teorija svega", i to jedanšto bi se pri niskim energijama i kompaktificiranim šest dodatnih dimenzija slagalo sa stvarnim opažanjima. Ostala su pitanja o tome koja je teorija primjerenija i što učiniti s ostale četiri teorije.
Izuzetno jednostavna teorija svega - objedinjena teorija polja koja objedinjuje sve poznate fizičke interakcije koje postoje u prirodi, koju je predložio američki fizičar Garrett Lisi 6. studenog 2007. Teorija je zanimljiva svojom elegancijom, ali zahtijeva ozbiljna poboljšanja. Neki poznati fizičari već su joj izrazili potporu, međutim, u teoriji su otkriveni brojni netočnosti i problemi.
Teorije Velikog ujedinjenja - u fizici elementarnih čestica, grupa teorijskih modela koji na jedinstven način opisuju jake, slabe i elektromagnetske interakcije. Pretpostavlja se da se pri izuzetno visokim energijama te interakcije kombiniraju. (10)
S potpunim pouzdanjem možemo reći da će buduća otkrića i teorije obogatiti, a ne odbaciti Svemir koji su nam otkrili Pitagora, Aristarh, Kepler, Newton i Einstein - Svemir jednako skladan kao Svemir Platona i Pitagore, ali izgrađen na harmoniji sadržanoj u matematički zakoni; Svemir nije ništa manje savršen od Aristotelovog svemira, ali svoje savršenstvo izvodi iz apstraktnih zakona simetrije; Svemir, u kojem je bezgranična praznina međugalaktičkih prostora preplavljena mekom svjetlošću, noseći poruke iz dubina vremena koje su nam još uvijek neshvatljive; Svemir koji ima početak u vremenu, ali nema ni početak ni kraj u svemiru, koji će se, možda, zauvijek širiti, a možda će se jedan lijepi trenutak, nakon što se prestane širiti, početi sužavati. Ovaj svemir uopće nije nalik onomšto je bilo prikazano u hrabrim umovima onih koji su se prvi usudili postaviti pitanje: "Kakav je zapravo naš svijet?" Ali mislim da nakon što su saznali za to, nisu se uzrujali.
- Prvi dio -
