- Drugi dio -
Objedinjena teorija svemira ili Teorija svega hipotetska je objedinjena fizička i matematička teorija koja opisuje sve poznate temeljne interakcije. Izraz se izvorno koristio ironično kako bi se odnosio na razne generalizirane teorije. S vremenom se taj pojam učvrstio u popularizacijama kvantne fizike da označi teoriju koja će kombinirati sve četiri temeljne interakcije u prirodi: gravitacijsku, elektromagnetsku, jaku nuklearnu i slabu nuklearnu interakciju. Štoviše, mora objasniti postojanje svih elementarnih čestica. Potraga za Objedinjenom teorijom naziva se jednim od glavnih ciljeva moderne znanosti.
Ideja jedinstvene teorije nastala je zahvaljujući znanju akumuliranom od više od jedne generacije znanstvenika. Kako se znanje stjecalo, čovjekovo se razumijevanje okolnog svijeta i njegovih zakona širilo. Budući da je znanstvena slika svijeta generalizirana, sistemska formacija, njezina se radikalna promjena ne može svesti na zasebno, čak i najveće, znanstveno otkriće. Potonje pak može dovesti do svojevrsne lančane reakcije koja može dati čitav niz, kompleks znanstvenih otkrića, što će u konačnici dovesti do promjene u znanstvenoj slici svijeta. U ovom su procesu najvažnija, naravno, otkrića u temeljnim znanostima na koje se oslanja. Uz to, sjećajući se da je znanost prvenstveno metoda, nije teško pretpostaviti da bi promjena znanstvene slike svijeta trebala značiti i radikalno restrukturiranje metoda za dobivanje novih znanja,uključujući promjene u samim normama i idealima znanosti.
Razvoj ideje o svijetu nije se dogodio odmah. Takve jasno i nedvosmisleno fiksirane radikalne promjene u znanstvenim slikama svijeta, t.j. U povijesti razvoja znanosti općenito, a posebno prirodne znanosti, postoje tri znanstvene revolucije. Ako su personificirana imenima znanstvenika koji su odigrali najuočljiviju ulogu u tim događajima, tada bi se tri globalne znanstvene revolucije trebale nazvati aristotelovskom, newtonovskom i Einsteinovom.
U VI - IV stoljeću. PRIJE KRISTA. izvedena je prva revolucija u poznavanju svijeta, uslijed koje je rođena i sama znanost. Povijesno značenje ove revolucije leži u razlikovanju znanosti od ostalih oblika spoznaje i ovladavanja svijetom, u stvaranju određenih normi i modela za izgradnju znanstvenih spoznaja. Naravno, problem nastanka Svemira okupirao je umove ljudi već jako dugo.
Prema nizu ranih judeokršćansko-muslimanskih mitova, naš je svemir nastao u određenoj i ne baš dalekoj vremenskoj točki u prošlosti. Jedan od temelja takvih vjerovanja bila je potreba za pronalaženjem "osnovnog uzroka" svemira. Bilo koji događaj u Svemiru objašnjava se naznačavanjem njegovog uzroka, odnosno drugog događaja koji se dogodio ranije; takvo objašnjenje postojanja samog Svemira moguće je samo ako je imalo početak. Još jednu osnovu iznio je blaženi Augustin (Pravoslavna crkva smatra Augustina blaženim, a Katolička crkva - svetim). u knjizi "Grad Božji". Istaknuo je da civilizacija napreduje, a mi se sjećamo tko je počinio ovo ili ono djelo i tko je što izmislio. Stoga čovječanstvo, a time i vjerojatno Univerzum, vjerojatno neće postojati jako dugo. Blaženi Augustin smatrao je prihvatljivim datumom stvaranja Svemira, koji odgovara knjizi Postanka: otprilike 5000. pr. (Zanimljivo je da ovaj datum nije tako daleko od kraja posljednjeg ledenog doba - 10.000 godina prije Krista, što arheolozi smatraju početkom civilizacije).
Aristotelu i većini drugih grčkih filozofa nije se svidjela ideja stvaranja svemira, jer je bila povezana s božanskom intervencijom. Stoga su vjerovali da ljudi i svijet oko njih postoje i da će postojati zauvijek. Drevni su znanstvenici razmotrili argument u vezi s napretkom civilizacije i zaključili da se u svijetu povremeno događaju poplave i druge kataklizme, koje su cijelo vrijeme čovječanstvo vraćale na polazište civilizacije.
Aristotel je stvorio formalnu logiku, t.j. zapravo je nauk dokazivanja glavni alat za izvođenje i sistematizaciju znanja; razvio kategorički i konceptualni aparat; odobrio svojevrsni kanon za organizaciju znanstvenog istraživanja (povijest problema, izjava problema, argumenti "za" i "protiv", obrazloženje odluke); objektivno diferencirao samo znanstveno znanje, odvajajući znanosti o prirodi od metafizike (filozofije), matematike itd. Norme znanstvene prirode znanja koje je postavio Aristotel, modeli objašnjavanja, opisivanja i opravdanja u znanosti uživaju neosporan autoritet više od tisuću godina, a mnogi (na primjer, zakoni formalne logike) još uvijek su učinkoviti.
Promotivni video:
Najvažniji fragment drevne znanstvene slike svijeta bila je dosljedna geocentrična doktrina svjetskih sfera. Geocentrizam tog doba uopće nije bio "prirodan" opis izravno uočljivih činjenica. Bio je to težak i hrabar korak u nepoznato: uostalom, za jedinstvo i dosljednost strukture kozmosa, bilo je potrebno vidljivu nebesku hemisferu nadopuniti analognom nevidljivom, priznati mogućnost postojanja antipoda, t.j. stanovnici suprotne strane svijeta itd.
Aristotel je mislio da je Zemlja nepomična, a Sunce, Mjesec, planeti i zvijezde vrte se oko nje u kružnim orbitama. Vjerovao je tako, jer je u skladu sa svojim mističnim pogledima Zemlju smatrao središtem Svemira, a kružno kretanje - najsavršenijim. Ptolomej je Aristotelovu ideju razvio u cjeloviti kozmološki model u drugom stoljeću. Zemlja stoji u središtu, okružena s osam sfera koje nose Mjesec, Sunce i pet tada poznatih planeta: Merkur, Venera, Mars, Jupiter i Saturn (slika 1.1). Sami planeti, vjerovao je Ptolomej, kreću se u manjim krugovima pričvršćenim za odgovarajuće sfere. To je objasnilo vrlo težak put kojim, kao što vidimo, idu planeti. Na posljednjoj kugli nalaze se fiksne zvijezde koje se, ostajući u jednakom položaju jedna prema drugoj, kreću po nebu sve zajedno u cjelini. Što se krije iza posljednje sfere nije objašnjeno, ali u svakom slučaju to više nije bio dio Svemira koji čovječanstvo promatra.
Ptolomejev model omogućio je dobro predviđanje položaja nebeskih tijela na nebu, ali za točno predviđanje morao je prihvatiti da se putanja Mjeseca na nekim mjestima približava Zemlji 2 puta bliže nego na drugima! To znači da bi se u jednom položaju Mjesec trebao činiti 2 puta veći nego u drugom! Ptolomej je znao za tu manu, ali unatoč tome njegova je teorija bila prihvaćena, iako ne svugdje. Kršćanska je crkva prihvatila ptolemejski model svemira kao neskladan s Biblijom, jer je ovaj model bio vrlo dobar jer je ostavljao puno prostora za pakao i raj izvan sfere nepomičnih zvijezda. Međutim, 1514. godine poljski svećenik Nikola Kopernik predložio je još jednostavniji model. (Isprva, bojeći se, možda, da će ga Crkva proglasiti heretikom, Kopernik je anonimno propagirao njegov model). Njegova je ideja bilada Sunce nepomično stoji u središtu, a Zemlja i drugi planeti okreću se oko njega u kružnim orbitama. Prošlo je gotovo stoljeće prije nego što je Kopernikova ideja shvaćena ozbiljno. Dvojica astronoma - Nijemac Johannes Kepler i Talijan Galileo Galilei - javno su podržali Kopernikovu teoriju, iako se orbite koje je Kopernik predvidio nisu sasvim podudarale s promatranim. Aristotel-Ptolemejeva teorija završila je 1609. godine, kada je Galileo počeo promatrati noćno nebo svojim novoizumljenim teleskopom. Uputivši teleskop na planet Jupiter, Galileo je otkrio nekoliko malih satelita ili mjeseci koji kruže oko Jupitera. To je značilo da se ne moraju sva nebeska tijela nužno okretati izravno oko Zemlje, kao što su vjerovali Aristotel i Ptolemej. (Naravno, još bi se moglo razmislitida Zemlja počiva u središtu svemira, a Jupiterovi se mjeseci kreću vrlo složenom stazom oko Zemlje, tako da se čini samo kao da se okreću oko Jupitera. Međutim, Kopernikova teorija bila je puno jednostavnija.) Istodobno je Johannes Kepler izmijenio Kopernikovu teoriju, temeljeći se na pretpostavci da se planeti ne kreću u krugovima, već u elipsama (elipsa je izduženi krug). Napokon, sada su se predviđanja poklopila s opažanjima. Napokon, sada su se predviđanja poklopila s opažanjima. Konačno, sada su se predviđanja poklapala s rezultatima promatranja.
Što se tiče Keplera, njegove eliptične orbite bile su umjetna hipoteza i, štoviše, "neelegantne", budući da je elipsa mnogo manje savršena figura od kruga. Otkrivši gotovo slučajno da se eliptične orbite dobro slažu s opažanjima, Kepler nikada nije uspio pomiriti tu činjenicu sa svojom idejom da se planeti vrte oko Sunca pod utjecajem magnetskih sila. Objašnjenje je došlo tek mnogo kasnije, 1687. godine, kada je Isaac Newton objavio svoju knjigu "Matematički principi prirodne filozofije". U njoj Newton nije samo iznio teoriju gibanja materijalnih tijela u vremenu i prostoru, već je razvio složene matematičke metode potrebne za analizu kretanja nebeskih tijela.
Uz to, Newton je postulirao zakon univerzalne gravitacije prema kojem svako tijelo u Svemiru bilo kojim drugim tijelom privlači veća sila, što je veća masa tih tijela i što je manja udaljenost između njih. To je sila koja tjera tijela da padaju na tlo. (Priča da je Newton nadahnut jabukom koja mu je pala na glavu gotovo je sigurno nepouzdana. Sam Newton je o tome rekao samo da je ideja gravitacije došla kad je sjedio u "kontemplativnom raspoloženju", a "razlog je bio pad jabuke") …
Nadalje, Newton je pokazao da se, prema njegovom zakonu, Mjesec pod djelovanjem gravitacijskih sila kreće u eliptičnoj orbiti oko Zemlje, a Zemlja i planeti rotiraju se u eliptičnim putanjama oko Sunca. (8) Newtonov model je jedno tijelo koje se jednoliko giba u apsolutnom beskonačnom prostoru i pravolinijski dok na ovo tijelo ne djeluje sila (prvi zakon mehanike) ili dva tijela koja djeluju jedno na drugo jednakim i suprotnim silama (treći zakon mehanike); sama sila se smatra jednostavno uzrokom ubrzanja pokretnih tijela (drugi zakon mehanike), odnosno kao da postoji sama po sebi i niotkuda dolazi.
Newton je zadržao razmatranje mehanike kao univerzalne fizikalne teorije. U XIX stoljeću. ovo je mjesto zauzela mehanicistička slika svijeta, uključujući mehaniku, termodinamiku i kinetičku teoriju materije, elastičnu teoriju svjetlosti i elektromagnetizam. Otkriće elektrona potaknulo je reviziju ideja. Krajem stoljeća H. Lorenz je izgradio svoju elektroničku teoriju da pokrije sve prirodne pojave, ali to nije postigao. Problemi povezani s diskretnošću naboja i kontinuitetom polja te problemi u teoriji zračenja ("ultraljubičasta katastrofa") doveli su do stvaranja kvantne slike svijeta i kvantne mehanike.
Einstein je 1915. godine dao klasični primjer upotrebe apstraktnih koncepata za objašnjenje prirode, objavivši svoju uistinu epohalnu opću teoriju relativnosti. Ovo je djelo jedno od rijetkih koje označavaju prekretnice u čovjekovoj percepciji svijeta oko sebe. Ljepota Einsteinove teorije nije posljedica samo snage i elegancije jednadžbi gravitacijskog polja, već i prevladavajuće radikalnosti njegovih stavova. Opća je relativnost samouvjereno proglasila da je gravitacija geometrija zakrivljenog prostora. Koncept ubrzanja u svemiru zamijenjen je konceptom zakrivljenosti prostora. (2)
Nakon stvaranja SRT-a očekivalo se da bi univerzalno pokrivanje prirodnog svijeta moglo dati elektromagnetsku sliku svijeta, koja je kombinirala teoriju relativnosti, Maxwellovu teoriju i mehaniku, ali ta je iluzija ubrzo raspršena.
Posebna teorija relativnosti (SRT) (posebna teorija relativnosti; relativistička mehanika) je teorija koja opisuje gibanje, zakone mehanike i prostorno-vremenske odnose brzinama bliskim brzini svjetlosti. U okviru posebne teorije relativnosti, klasična Newtonova mehanika je aproksimacija malih brzina. Generalizacija SRT za gravitacijska polja naziva se općom teorijom relativnosti (GRT). SRT se temelji na dva postulata:
1. U svim inercijalnim referentnim okvirima brzina svjetlosti je nepromijenjena (nepromjenjiva je) i ne ovisi o kretanju izvora, prijemnika ili samog okvira. U klasičnoj mehanici Galilea - Newtona, brzina relativnog približavanja dvaju tijela uvijek je veća od brzina tih tijela i ovisi i o brzini jednog predmeta i o brzini drugog. Stoga nam je teško povjerovati da brzina svjetlosti ne ovisi o brzini izvora, ali to je znanstvena činjenica.
2. Stvarni prostor i vrijeme čine jedan četverodimenzionalni prostorno-vremenski kontinuum tako da tijekom prijelaza između referentnih okvira vrijednost prostorno-vremenskog intervala između događaja ostaje nepromijenjena. U SRT-u nema istodobnih događaja u svim referentnim okvirima. Ovdje dva događaja, istovremeno u jednom referentnom okviru, izgledaju različito u vremenu s gledišta drugog, krećući se ili u mirovanju, referentni okvir.
Posebna teorija relativnosti zadržava sve osnovne definicije klasične fizike - impuls, rad, energija. Međutim, postoji i nešto novo: prije svega, ovisnost mase o brzini kretanja. Stoga se ne može koristiti klasični izraz za kinetičku energiju, jer je dobiven pod pretpostavkom da masa predmeta ostaje nepromijenjena.
Mnogi su teoretičari pokušali prihvatiti gravitaciju i elektromagnetizam jedinstvenim jednadžbama. Pod utjecajem Einsteina, koji je uveo četverodimenzionalni prostor-vrijeme, izgrađene su višedimenzionalne teorije polja u pokušaju da se pojave svedu na geometrijska svojstva prostora.
Ujedinjenje je provedeno na temelju utvrđene neovisnosti brzine svjetlosti za različite promatrače koji se kreću u praznom prostoru u odsustvu vanjskih sila. Einstein je prikazao svjetsku liniju predmeta na ravnini (slika 2), gdje je prostorna os usmjerena vodoravno, a vremenska okomito. Tada je okomita crta svjetska linija objekta koja miruje u zadanom referentnom okviru, a kosa crta objekt koji se kreće konstantnom brzinom. Zakrivljena svjetska linija odgovara ubrzanom kretanju predmeta. Bilo kojoj točki na ovoj ravnini odgovara položaj na određenom mjestu u određeno vrijeme i naziva se događajem. U ovom slučaju, gravitacija više nije sila koja djeluje na pasivnu pozadinu prostora i vremena, već je distorzija samog prostora-vremena. Napokon, gravitacijsko polje je „zakrivljenost prostora-vremena.
Slika 2. Prostorno-vremenski dijagram
Ubrzo nakon stvaranja (1905.), posebna teorija relativnosti prestala je odgovarati Einsteinu i on je počeo raditi na njezinoj generalizaciji. Ista se stvar dogodila s općom relativnošću. 1925. godine Einstein je počeo raditi na teoriji koju je trebao kraće prekida proučavati do kraja svojih dana. Glavni problem koji ga je brinuo - priroda terenskih izvora - već je imao određenu povijest do trenutka kada ga je Einstein preuzeo. Zašto se čestice, na primjer, ne raspadnu? Napokon, elektron nosi negativni naboj, a negativni naboji se međusobno odbijaju, t.j. elektron bi morao eksplodirati iznutra zbog odbijanja susjednih područja!
U određenom smislu, ovaj se problem zadržao do danas. Još nije izgrađena zadovoljavajuća teorija koja opisuje sile koje djeluju unutar elektrona, ali poteškoće se mogu zaobići pretpostavkom da elektron nema unutarnju strukturu - to je točkasti naboj koji nema dimenzije i, prema tome, ne može se razdvojiti iznutra.
Ipak, opće je prihvaćeno da su se glavne odredbe moderne kozmologije - znanost o strukturi i evoluciji Svemira - počele oblikovati nakon što je A. Einstein 1917. stvorio prvi relativistički model zasnovan na teoriji gravitacije i tvrdeći da opisuje čitav Svemir. Ovaj je model okarakterizirao stacionarno stanje Svemira i, kako su pokazala astrofizička promatranja, pokazao se netočnim.
Važan korak u rješavanju kozmoloških problema napravio je 1922. profesor sa petrogradskog sveučilišta A. A. Friedman (1888.-1925.). Kao rezultat rješavanja kozmoloških jednadžbi, došao je do zaključka: Svemir ne može biti u stacionarnom stanju - sve se galaksije međusobno udaljavaju u smjeru naprijed, pa su stoga sve bile na istom mjestu.
Sljedeći je korak bio poduzet 1924. godine, kada je američki astronom E. Hubble (1889.-1953.) Izmjerio udaljenost do najbližih galaksija (u to vrijeme zvane maglice) na zvjezdarnici Mount Wilson u Kaliforniji i time otkrio svijet galaksija. Kad su astronomi počeli proučavati spektre zvijezda u drugim galaksijama, otkriveno je nešto još čudnije: naša vlastita galaksija imala je iste karakteristične skupove boja koje nedostaju kao zvijezde, ali sve su bile pomaknute za isti iznos prema crvenom kraju spektra. Vidljiva svjetlost su vibracije ili valovi elektromagnetskog polja. Učestalost (broj valova u sekundi) svjetlosnih vibracija izuzetno je velika - od četiristo do sedamsto milijuna valova u sekundi. Ljudsko oko svjetlost različitih frekvencija doživljava kao različite boje, a najniže frekvencije odgovaraju crvenom kraju spektra,a najviša do ljubičasta. Zamislite izvor svjetlosti koji se nalazi na fiksnoj udaljenosti od nas (na primjer, zvijezda) koji emitira svjetlosne valove konstantnom frekvencijom. Očito je da će frekvencija dolaznih valova biti jednaka onoj s kojom se emitiraju (čak i ako je gravitacijsko polje galaksije malo, a utjecaj beznačajan). Pretpostavimo sada da se izvor počne kretati u našem smjeru. Kad se emitira sljedeći val, izvor će nam biti bliži, pa će stoga vrijeme potrebno da nas greben ovog vala dosegne biti manje nego u slučaju fiksne zvijezde. Posljedično, vrijeme između grebena dvaju dolaznih valova bit će manje, a broj valova koje primimo u jednoj sekundi (tj. Frekvencija) bit će veći nego kad je zvijezda mirovala. Kad se izvor ukloni, frekvencija dolaznih valova bit će manja. To znači,da će se spektri zvijezda koje se miču pomaknuti prema crvenom kraju (crveni pomak), a spektri zvijezda koje se približavaju trebali bi doživjeti ljubičasti pomak. Taj se odnos između brzine i frekvencije naziva Dopplerov efekt, a taj je učinak uobičajen čak i u našem svakodnevnom životu. Dopplerov efekt koristi policija koja izdaleka određuje brzinu vozila frekvencijom radio signala koji se odbijaju od njih.
Dokazavši da postoje i druge galaksije, Hubble je sve naredne godine posvetio sastavljanju kataloga udaljenosti do tih galaksija i promatranju njihovih spektra. U to je vrijeme većina znanstvenika vjerovala da je kretanje galaksija slučajno i stoga bi trebalo promatrati spektre pomaknute prema crvenoj strani koliko i one pomaknute prema ljubičastoj. Kakvo je iznenađenje bilo kad je većina galaksija pokazala crveni pomak spektra, odnosno ispostavilo se da se gotovo sve galaksije odmiču od nas! Još je iznenađujuće otkriće koje je objavio Hubble 1929. godine: Hubble je otkrio da čak i veličina crvenog pomaka nije slučajna, već je izravno proporcionalna udaljenosti od nas do galaksije. Drugim riječima, što je galaksija udaljenija, to se brže odmiče! A to je značilo da svemir ne može biti statičan, kao što se prethodno mislilo,da se zapravo neprestano širi i udaljenost između galaksija cijelo vrijeme raste.
Širenje svemira znači da je u prošlosti njegov volumen bio manji nego što je sada. Ako se vrijeme vrati u model svemira koji su razvili Einstein i Friedman, događaji će se obrnuti, kao u filmu prikazanom od kraja. Tada se ispostavlja da je prije otprilike 13 milijardi godina radijus Svemira bio vrlo malen, odnosno težina galaksije, međuzvjezdani medij i zračenje - ukratko, sve što sada čini Svemir bilo je koncentrirano u zanemarivom volumenu, blizu nule. Ovo primarno supergusto i pretoplo stanje Svemira nema analoga u našoj suvremenoj stvarnosti. Pretpostavlja se da je u to vrijeme gustoća tvari Svemira bila usporediva s gustoćom atomske jezgre i da je cijeli Svemir bio ogromna nuklearna kap. Iz nekog je razloga nuklearna kap bila u nestabilnom stanju i eksplodirala. Ova je pretpostavka u središtu koncepta Velikog praska.
- Drugi dio -
