- Otrā daļa -
Vienotā Visuma teorija jeb Visu teorija ir hipotētiska vienota fizikālā un matemātiskā teorija, kas apraksta visas zināmās fundamentālās mijiedarbības. Sākotnēji šis termins tika lietots ironiskā veidā, lai apzīmētu dažādas vispārinātas teorijas. Laika gaitā šis termins iesakņojās kvantu fizikas popularizācijās, lai apzīmētu teoriju, kas apvienotu visas četras būtiskās mijiedarbības dabā: gravitācijas, elektromagnētisko, spēcīgo kodolu un vājās kodolu mijiedarbības. Turklāt tam jāpaskaidro visu elementāro daļiņu esamība. Vienotas teorijas meklējumus sauc par vienu no mūsdienu zinātnes galvenajiem mērķiem.
Ideja par vienotu teoriju radās, pateicoties vairāk nekā vienas zinātnieku paaudzes uzkrātajām zināšanām. Gūstot zināšanas, paplašinājās cilvēces izpratne par apkārtējo pasauli un tās likumiem. Tā kā pasaules zinātniskā aina ir vispārināts, sistēmisks veidojums, tās radikālās izmaiņas nevar reducēt uz atsevišķu, pat ja lielāko, zinātnisko atklājumu. Pēdējais tomēr var izraisīt sava veida ķēdes reakciju, kas spēj dot veselu virkni, zinātnisku atklājumu kompleksu, kas galu galā novedīs pie pasaules zinātniskā attēla maiņas. Šajā procesā vissvarīgākie, protams, ir atklājumi fundamentālajās zinātnēs, uz kurām tas balstās. Turklāt, paturot prātā, ka zinātne galvenokārt ir metode, nav grūti pieņemt, ka izmaiņas pasaules zinātniskajā attēlā nozīmē arī radikālu metožu pārstrukturēšanu jaunu zināšanu iegūšanai,ieskaitot izmaiņas pašās zinātnes normās un ideālos.
Pasaules idejas attīstība nenotika nekavējoties. Tik skaidri un nepārprotami fiksētas radikālas izmaiņas pasaules zinātniskajos attēlos, t.i. Zinātnes attīstības vēsturē un it īpaši dabaszinātnēs ir trīs zinātniskas revolūcijas. Ja tos personificē to zinātnieku vārdi, kuriem šajos notikumos bija visizcilākā loma, tad trīs globālās zinātniskās revolūcijas būtu jāsauc par aristoteliešiem, ņūtoniešiem un Einšteiniem.
VI - IV gadsimtā. BC. tika veikta pirmā revolūcija pasaules zināšanās, kā rezultātā dzima pati zinātne. Šīs revolūcijas vēsturiskā nozīme slēpjas zinātnes nošķiršanā no citiem izziņas veidiem un pasaules apgūšanas, noteiktu normu un modeļu izveidē zinātnisko zināšanu konstruēšanai. Protams, Visuma rašanās problēma cilvēku prātus nodarbina ļoti ilgu laiku.
Saskaņā ar vairākiem agrīniem jūdu-kristiešu-musulmaņu mītiem mūsu Visums radās noteiktā un ne pārāk tālā pagātnes brīdī. Viens no šādu uzskatu pamatiem bija nepieciešamība atrast Visuma "galveno cēloni". Jebkurš notikums Visumā tiek izskaidrots, norādot tā cēloni, tas ir, citu notikumu, kas notika agrāk; šāds Visuma esamības izskaidrojums ir iespējams tikai tad, ja tam būtu sākums. Vēl vienu pamatu izvirzīja svētīgais Augustīns (pareizticīgo baznīca uzskata Augustīnu par svētīgu, bet katoļu baznīca - svēto). grāmatā "Dieva pilsēta". Viņš norādīja, ka civilizācija virzās uz priekšu, un mēs atceramies, kurš izdarīja šo vai citu darbu un kurš ko izgudroja. Tāpēc maz ticams, ka cilvēce un līdz ar to, iespējams, arī Visums pastāvēs ļoti ilgi. Svētīgais Augustīns uzskatīja par pieņemamu Visuma radīšanas datumu, kas atbilst 1. Mozus grāmatai: aptuveni 5000 gadu pirms mūsu ēras. (Interesanti, ka šis datums nav tik tālu no pēdējā ledus laikmeta beigām - 10 000 gadu pirms mūsu ēras, ko arheologi uzskata par civilizācijas sākumu).
Aristotelim un lielākajai daļai citu grieķu filozofu nepatika ideja par Visuma radīšanu, jo tā bija saistīta ar dievišķu iejaukšanos. Tāpēc viņi uzskatīja, ka cilvēki un apkārtējā pasaule pastāv un pastāvēs mūžīgi. Senie zinātnieki apsvēra argumentu par civilizācijas progresu un nolēma, ka pasaulē periodiski notiek plūdi un citas kataklizmas, kas visu laiku atgrieza cilvēci civilizācijas sākumpunktā.
Aristotelis izveidoja formālu loģiku, t.i. faktiski pierādīšanas doktrīna ir galvenais rīks zināšanu iegūšanai un sistematizēšanai; izstrādāja kategorisku un konceptuālu aparātu; apstiprināja sava veida kanonu zinātnisko pētījumu organizēšanai (jautājuma vēsture, problēmas formulēšana, argumenti "par" un "pret", lēmuma pamatojums); objektīvi diferencētas pašas zinātniskās zināšanas, atdalot dabas zinātnes no metafizikas (filozofijas), matemātikas utt. Aristoteļa noteiktās zināšanu zinātniskā rakstura normas, skaidrojuma, apraksta un pamatojuma modeļi zinātnē ir bijuši neapstrīdamas autoritātes vairāk nekā tūkstoš gadu garumā, un daudz kas (piemēram, formālās loģikas likumi) joprojām ir spēkā.
Reklāmas video:
Senās zinātniskās pasaules ainas vissvarīgākais fragments bija konsekventa pasaules sfēru ģeocentriskā doktrīna. Tā laikmeta ģeocentrisms nebūt nebija "dabisks" tieši novērojamu faktu apraksts. Tas bija grūts un drosmīgs solis nezināmajā: galu galā kosmosa struktūras vienotībai un konsekvencei bija jāpapildina redzamā debess puslode ar analogu neredzamo, jāatzīst antipodu pastāvēšanas iespēja, t. zemeslodes pretējās puses iedzīvotāji utt.
Aristotelis domāja, ka Zeme ir nekustīga, un Saule, Mēness, planētas un zvaigznes ap to riņķo apļveida orbītās. Viņš tam ticēja, jo saskaņā ar saviem mistiskajiem uzskatiem viņš Zemi uzskatīja par Visuma centru un apļveida kustību - par vispilnīgāko. Ptolemajs otrajā gadsimtā attīstīja Aristoteļa ideju par pilnīgu kosmoloģisko modeli. Zeme stāv centrā, to ieskauj astoņas sfēras, kurās atrodas Mēness, Saule un piecas toreiz zināmās planētas: Merkurs, Venēra, Marss, Jupiters un Saturns (1.1. Attēls). Pašas planētas, pēc Ptolemaja domām, pārvietojas mazākos apļos, kas piestiprināti attiecīgajām sfērām. Tas izskaidroja ļoti sarežģīto ceļu, pa kuru, kā redzam, iet planētas. Uz pēdējās sfēras ir fiksētas zvaigznes, kuras, paliekot vienā pozīcijā attiecībā pret otru, pārvietojas pa debesīm kopumā. Tas, kas slēpjas aiz pēdējās sfēras, netika izskaidrots, taču jebkurā gadījumā cilvēce to vairs neietilpst Visumā.
Ptolemaja modelis ļāva labi paredzēt debess ķermeņu stāvokli debesīs, taču precīzai prognozei viņam bija jāpieņem, ka Mēness trajektorija dažviet tuvojas Zemei 2 reizes tuvāk nekā citās! Tas nozīmē, ka vienā pozīcijā Mēnesim vajadzētu parādīties 2 reizes lielāks nekā citā! Ptolemajs bija informēts par šo trūkumu, tomēr viņa teorija tika pieņemta, kaut arī ne visur. Kristīgā baznīca Ptolemaja laika Visuma modeli atzina par neatbilstošu Bībelei, jo šis modelis bija ļoti labs ar to, ka atstāja daudz vietas ellei un debesīm ārpus fiksēto zvaigžņu sfēras. Tomēr 1514. gadā poļu priesteris Nikolajs Koperniks ierosināja vēl vienkāršāku modeli. (Sākumā, baidoties, iespējams, ka Baznīca pasludinās viņu par ķeceri, Koperniks savu modeli izplatīja anonīmi). Viņa ideja bijaka Saule ir nekustīga centrā, un Zeme un citas planētas ap to riņķo apļveida orbītās. Gandrīz gadsimts pagāja, pirms Kopernika ideja tika uztverta nopietni. Divi astronomi - vācietis Johanness Keplers un itālis Galileo Galilejs - publiski atbalstīja Kopernika teoriju, kaut arī Kopernika prognozētās orbītas ne visai sakrita ar novērotajām. Aristoteļa-Ptolemaja teorija beidzās 1609. gadā, kad Galilejs sāka novērot nakts debesis ar savu nesen izgudroto teleskopu. Mērķējot uz teleskopu uz Jupitera planētu, Galileo atklāja vairākus mazus satelītus jeb pavadoņus, kas riņķoja ap Jupiteru. Tas nozīmēja, ka ne visiem debess ķermeņiem obligāti jāgriežas tieši ap Zemi, kā uzskatīja Aristotelis un Ptolemajs. (Protams, vēl varētu apsvērtka Zeme atrodas Visuma centrā, un Jupitera pavadoņi pārvietojas pa ļoti sarežģītu ceļu ap Zemi, tā ka šķiet tikai tā, it kā tie grieztos ap Jupiteru. Tomēr Kopernika teorija bija daudz vienkāršāka.) Tajā pašā laikā Johanness Keplers pārveidoja Kopernika teoriju, balstoties uz pieņēmumu, ka planētas pārvietojas nevis pa apļiem, bet gan elipsēs (elipse ir iegarens aplis). Visbeidzot, tagad prognozes sakrita ar novērojumu rezultātiem. Visbeidzot, tagad prognozes sakrita ar novērojumu rezultātiem. Visbeidzot, tagad prognozes sakrita ar novērojumu rezultātiem.
Kas attiecas uz Kepleru, viņa elipsveida orbītas bija mākslīga hipotēze un turklāt "neeleganta", jo elipse ir daudz mazāk perfekta figūra nekā aplis. Gandrīz nejauši atklājot, ka elipsveida orbītas labi saskan ar novērojumiem, Keplers nekad nespēja samierināt šo faktu ar domu, ka planētas magnētisko spēku ietekmē griežas ap Sauli. Paskaidrojums nāca tikai daudz vēlāk, 1687. gadā, kad Īzaks Ņūtons publicēja grāmatu "Dabas filozofijas matemātiskie principi". Tajā Ņūtons ne tikai izvirzīja teoriju par materiālo ķermeņu kustību laikā un telpā, bet arī izstrādāja sarežģītas matemātiskas metodes, kas vajadzīgas, lai analizētu debess ķermeņu kustību.
Turklāt Ņūtons postulēja universālās gravitācijas likumu, saskaņā ar kuru katrs ķermenis Visumā tiek piesaistīts jebkuram citam ķermenim ar lielāku spēku, jo lielāka ir šo ķermeņu masa un mazāks attālums starp tiem. Tas ir pats spēks, kas liek ķermeņiem nokrist zemē. (Stāsts, ka Ņūtonu iedvesmoja ābols, kas nokrita uz viņa galvas, gandrīz noteikti nav uzticams. Pats Ņūtons par to teica tikai to, ka gravitācijas ideja radās, kad viņš sēdēja "kontemplatīvā noskaņojumā", un "iemesls bija ābola kritiens") …
Turklāt Ņūtons parādīja, ka saskaņā ar viņa likumu Mēness gravitācijas spēku iedarbībā pārvietojas elipsveida orbītā ap Zemi, un Zeme un planētas rotē elipsveida orbītās ap Sauli. (8) Ņūtona modelis ir viens ķermenis, kas vienmērīgi pārvietojas absolūtā bezgalīgajā telpā un taisni, līdz uz šo ķermeni iedarbojas spēks (pirmais mehānikas likums) vai divi ķermeņi, kas darbojas viens ar otru ar vienādiem un pretējiem spēkiem (trešais mehānikas likums); pats spēks tiek uzskatīts par vienkārši kustīgo ķermeņu paātrināšanās cēloni (otrais mehānikas likums), tas ir, it kā tas pats par sevi pastāvētu un no kurienes tas nāk.
Ņūtons saglabāja mehānikas apsvēršanu kā universālu fizisko teoriju. XIX gs. šo vietu ieguva pasaules mehāniskais attēls, ieskaitot mehāniku, termodinamiku un vielas kinētisko teoriju, gaismas elastīgo teoriju un elektromagnētismu. Elektrona atklāšana stimulēja ideju pārskatīšanu. Gadsimta beigās H. Lorencs uzcēla savu elektronisko teoriju, lai aptvertu visas dabas parādības, taču viņš to nesasniedza. Problēmas, kas saistītas ar lādiņa diskrētumu un lauka nepārtrauktību, un problēmas radiācijas teorijā ("ultravioletā katastrofa") izraisīja pasaules kvantu lauka attēla un kvantu mehānikas izveidi.
Einšteins sniedza klasisku abstraktu jēdzienu izmantošanas piemēru, lai izskaidrotu dabu 1915. gadā, publicējot savu patiesi epohālo relativitātes teoriju. Šis darbs ir viens no nedaudzajiem, kas iezīmē pagrieziena punktus cilvēka uztverē par apkārtējo pasauli. Einšteina teorijas skaistums ir saistīts ne tikai ar gravitācijas lauka vienādojumu spēku un eleganci, bet arī ar viņa uzskatu pārliecinošo radikālismu. Vispārējā relativitāte ir pārliecinoši pasludinājusi, ka gravitācija ir izliektas telpas ģeometrija. Paātrinājuma telpā jēdziens tika aizstāts ar telpas izliekuma jēdzienu. (2)
Pēc SRT izveides bija paredzēts, ka universālais dabas pasaules pārklājums var radīt pasaules elektromagnētisko ainu, kurā apvienota relativitātes teorija, Maksvela teorija un mehānika, taču šī ilūzija drīz vien tika izkliedēta.
Īpašā relativitātes teorija (SRT) (īpašā relativitātes teorija; relatīvistiskā mehānika) ir teorija, kas apraksta kustību, mehānikas likumus un telpas-laika attiecības ar ātrumu, kas tuvu gaismas ātrumam. Īpašās relativitātes teorijas ietvaros Ņūtona klasiskā mehānika ir mazu ātrumu tuvināšana. SRT vispārināšanu gravitācijas laukos sauc par vispārējo relativitātes teoriju (GTR). SRT pamatā ir divi postulāti:
1. Visos inerciālajos atskaites kadros gaismas ātrums nemainās (tas ir nemainīgs) un nav atkarīgs no avota, uztvērēja vai paša kadra kustības. Galileo - Ņūtona klasiskajā mehānikā divu ķermeņu relatīvās pieejas ātrums vienmēr ir lielāks par šo ķermeņu ātrumu un ir atkarīgs gan no viena objekta, gan no otra objekta ātruma. Tāpēc mums ir grūti noticēt, ka gaismas ātrums nav atkarīgs no tā avota ātruma, bet tas ir zinātnisks fakts.
2. Reālā telpa un laiks veido vienotu četrdimensiju telpas-laika kontinuumu tā, ka pārejas laikā starp atskaites kadriem telpas-laika intervāla vērtība starp notikumiem paliek nemainīga. SRT visos atsauces rāmjos nav vienlaicīgu notikumu. Šeit divi notikumi, vienlaicīgi vienā atskaites sistēmā, laika ziņā izskatās atšķirīgi no cita, kustīga vai miera stāvoklī esoša atskaites punkta viedokļa.
Īpašajā relativitātes teorijā tiek saglabātas visas klasiskās fizikas pamatdefinīcijas - impulss, darbs, enerģija. Tomēr parādās arī kaut kas jauns: pirmkārt, masas atkarība no kustības ātruma. Tāpēc kinētiskajai enerģijai nevar izmantot klasisko izteicienu, jo tā tika iegūta, pieņemot, ka objekta masa paliek nemainīga.
Daudzi teorētiķi ir centušies aptvert gravitāciju un elektromagnētismu ar vienotiem vienādojumiem. Einšteina ietekmē, kurš ieviesa četrdimensiju laiktelpu, daudzdimensionālas lauka teorijas tika uzbūvētas, mēģinot samazināt parādības līdz telpas ģeometriskajām īpašībām.
Apvienošana tika veikta, pamatojoties uz noteikto gaismas ātruma neatkarību dažādiem novērotājiem, kas pārvietojās tukšā telpā, ja nebija ārēju spēku. Einšteins objekta pasaules līniju attēloja plaknē (2. attēls), kur telpiskā ass ir vērsta horizontāli, bet laika ass - vertikāli. Tad vertikālā līnija ir objekta pasaules līnija, kas dotajā atskaites sistēmā ir miera stāvoklī, un slīpa līnija ir objekts, kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu. Izliektā pasaules līnija atbilst objekta paātrinātajai kustībai. Jebkurš šīs plaknes punkts atbilst pozīcijai noteiktā vietā noteiktā laikā un tiek saukts par notikumu. Šajā gadījumā gravitācija vairs nav spēks, kas iedarbojas uz pasīvo telpas un laika fonu, bet gan pats telpas-laika sagrozījums. Galu galā gravitācijas lauks ir “laiktelpas izliekums.
2. attēls. Telpas-laika diagramma
Drīz pēc tās radīšanas (1905) īpašā relativitātes teorija vairs neder Einšteinam, un viņš sāka strādāt pie tās vispārināšanas. Tas pats notika ar vispārējo relativitāti. 1925. gadā Einšteins sāka strādāt pie teorijas, kuru viņam bija lemts izpētīt ar nelieliem pārtraukumiem līdz pat savu dienu beigām. Galvenajai problēmai, kas viņu uztrauca - lauka avotu būtībai - jau bija noteikta vēsture, līdz Einšteins to sāka izmantot. Kāpēc daļiņas nesadalās, piemēram? Galu galā elektrons nes negatīvu lādiņu, un negatīvie lādiņi viens otru atgrūž, t.i. elektronam nāktos eksplodēt no iekšpuses kaimiņu teritoriju atgrūšanas dēļ!
Savā ziņā šī problēma ir saglabājusies līdz šai dienai. Vēl nav izveidota apmierinoša teorija, kas apraksta spēkus, kas darbojas elektrona iekšienē, taču grūtības var apiet, pieņemot, ka elektronam nav iekšējas struktūras - tas ir punktveida lādiņš, kam nav izmēru un tāpēc to nevar nošķirt no iekšpuses.
Neskatoties uz to, ir vispāratzīts, ka mūsdienu kosmoloģijas galvenie nosacījumi - zinātne par Visuma uzbūvi un evolūciju - sāka veidoties pēc tam, kad A. Einšteins 1917. gadā izveidoja pirmo relatīvistisko modeli, kura pamatā bija gravitācijas teorija un apgalvoja, ka tas apraksta visu Visumu. Šis modelis raksturoja Visuma stacionāro stāvokli un, kā liecina astrofizikālie novērojumi, izrādījās nepareizs.
Nozīmīgu soli kosmoloģisko problēmu risināšanā 1922. gadā spēra Petrogradas universitātes profesors A. A. Frīdmans (1888-1925). Kosmoloģisko vienādojumu risināšanas rezultātā viņš nonāca pie secinājuma: Visums nevar atrasties stacionārā stāvoklī - visas galaktikas attālinās viena no otras uz priekšu, un tāpēc tās visas atradās vienā vietā.
Nākamais solis tika sperts 1924. gadā, kad amerikāņu astronoms E. Habls (1889–1953) Kalifornijas štata Vilsonas observatorijā mēra attālumu līdz tuvējām galaktikām (toreiz sauktām par miglājiem) un tādējādi atklāja galaktiku pasauli. Kad astronomi sāka pētīt zvaigžņu spektrus citās galaktikās, tika atklāts kaut kas vēl dīvaināks: mūsu pašu galaktikai bija tādas pašas raksturīgās trūkstošo krāsu kopas kā zvaigznēm, taču tās visas par tādu pašu daudzumu tika nobīdītas spektra sarkanā gala virzienā. Redzamā gaisma ir elektromagnētiskā lauka vibrācijas vai viļņi. Gaismas vibrāciju frekvence (viļņu skaits sekundē) ir ārkārtīgi augsta - no četriem simtiem līdz septiņsimt miljoniem viļņu sekundē. Cilvēka acs uztver dažādu frekvenču gaismu kā dažādas krāsas, un zemākās frekvences atbilst spektra sarkanajam galam,un augstākais līdz purpursarkanam. Iedomājieties gaismas avotu, kas atrodas noteiktā attālumā no mums (piemēram, zvaigzne) un izstaro gaismas viļņus ar nemainīgu frekvenci. Acīmredzot ienākošo viļņu biežums būs tāds pats kā ar tiem, ar kuriem tie tiek izstaroti (pat ja galaktikas gravitācijas lauks ir mazs un tā ietekme ir nenozīmīga). Pieņemsim, ka tagad avots sāk virzīties mūsu virzienā. Kad tiks izstarots nākamais vilnis, avots būs tuvāk mums, un tāpēc laiks, kas vajadzīgs, lai šī viļņa virsotne nonāktu pie mums, būs mazāks nekā fiksētas zvaigznes gadījumā. Līdz ar to laiks starp divu ierašanās viļņu virsotnēm būs mazāks, un viļņu skaits, ko mēs saņemam vienā sekundē (t.i., frekvence), būs lielāks nekā tad, kad zvaigzne bija nekustīga. Kad avots tiek noņemts, ienākošo viļņu biežums būs mazāks. Tas nozīmē,ka attālinošo zvaigžņu spektri tiks novirzīti sarkanā gala virzienā (sarkanā nobīde), un tuvojošos zvaigžņu spektriem vajadzētu piedzīvot violetu nobīdi. Šīs attiecības starp ātrumu un biežumu sauc par Doplera efektu, un šī ietekme ir izplatīta pat mūsu ikdienas dzīvē. Doplera efektu izmanto policija, kas no tālienes nosaka transportlīdzekļu ātrumu pēc no tiem atstaroto radio signālu biežuma.
Pierādījis, ka pastāv citas galaktikas, Habls visus nākamos gadus veltīja šo galaktiku attālumu katalogu sastādīšanai un to spektru novērošanai. Tajā laikā lielākā daļa zinātnieku uzskatīja, ka galaktiku kustība ir nejauša, un tāpēc spektri, kas pārvietoti uz sarkano pusi, būtu jāievēro tikpat, cik tie, kas pārvietoti uz violeto. Kāds bija pārsteigums, kad lielākajā daļā galaktiku parādījās spektra sarkanā nobīde, tas ir, izrādījās, ka gandrīz visas galaktikas attālinās no mums! Vēl pārsteidzošāks bija Habla 1929. gadā publicētais atklājums: Habls atklāja, ka pat sarkanās nobīdes lielums nav nejaušs, bet ir tieši proporcionāls attālumam no mums līdz galaktikai. Citiem vārdiem sakot, jo tālāk atrodas galaktika, jo ātrāk tā attālinās! Tas nozīmēja, ka Visums nevar būt statisks, kā tika domāts iepriekš,ka patiesībā tas nepārtraukti paplašinās un attālumi starp galaktikām visu laiku pieaug.
Visuma paplašināšanās nozīmē, ka agrāk tā apjoms bija mazāks nekā tagad. Ja laiks tiek pagriezts atpakaļ Einšteina un Frīdmana izstrādātajā Visuma modelī, notikumi notiks apgrieztā secībā, tāpat kā filmā, kas tiek atskaņota no beigām. Tad izrādās, ka pirms aptuveni 13 miljardiem gadu Visuma rādiuss bija ļoti mazs, tas ir, galaktikas svars, starpzvaigžņu vide un starojums - īsumā viss, kas tagad veido Visumu, bija koncentrēts nenozīmīgā apjomā, tuvu nullei. Šim Visuma primārajam superblīvajam un karstajam stāvoklim nav mūsdienu mūsdienu realitātes analogu. Tiek pieņemts, ka tajā laikā Visuma vielas blīvums bija salīdzināms ar atoma kodola blīvumu un viss Visums bija milzīgs kodola kritums. Nez kāpēc kodola kritums bija nestabils un eksplodēja. Šis pieņēmums ir lielā sprādziena koncepcijas pamatā.
- Otrā daļa -