- Második rész -
Az Univerzum Egységes Elmélete, vagyis Mindennek Elmélete egy hipotetikus egységes fizikai és matematikai elmélet, amely leírja az összes ismert alapvető kölcsönhatást. Kezdetben ezt a kifejezést ironikus módon alkalmazták különféle általánosított elméletekre. Az idő múlásával a kvantumfizika népszerűsítésében meggyökeresedett egy olyan elmélet, amely a természetben mind a négy alapvető kölcsönhatást ötvözi: gravitációs, elektromágneses, erős nukleáris és gyenge nukleáris kölcsönhatásokat. Ezenkívül meg kell magyaráznia az összes elemi részecske létezését. Az egységes elmélet keresését a modern tudomány egyik fő céljának nevezik.
Az egységes elmélet ötlete a tudósok több generációja által felhalmozott tudásnak köszönhető. A tudás megszerzésével az emberiség megértette a környező világot és annak törvényeit. Mivel a világ tudományos képe egy általánosított, szisztémás képződmény, radikális változása nem redukálható külön, még ha a legnagyobb tudományos felfedezésre is. Ez utóbbi azonban egyfajta láncreakciót eredményezhet, amely képes egy egész sorozat, egy tudományos felfedezések komplexumának megadására, ami végül a világ tudományos képének megváltozásához vezet. Ebben a folyamatban a legfontosabbak természetesen azok az alaptudományok felfedezései, amelyekre támaszkodik. Emellett, emlékeztetve arra, hogy a tudomány elsősorban módszer, nem nehéz feltételezni, hogy a világ tudományos képének megváltoztatásának az új ismeretek megszerzésének módszereinek radikális átalakítását is jelentenie kell,beleértve a tudományosság normáinak és eszméinek változását.
A világeszme fejlődése nem azonnal következett be. Ilyen világosan és egyértelműen rögzített radikális változások a világ tudományos képeiben, azaz Három tudományos forradalom van a tudomány fejlődésének történetében általában és különösen a természettudományban. Ha azokat a tudósokat nevezik meg, akik a legszembetűnőbb szerepet játszották ezekben az eseményekben, akkor a három globális tudományos forradalmat arisztotelészi, newtoni és einsteini néven kell nevezni.
A VI - IV században. IDŐSZÁMÍTÁSUNK ELŐTT. az első forradalmat a világ megismerésében hajtották végre, amelynek eredményeként maga a tudomány is megszületett. E forradalom történelmi jelentése abban rejlik, hogy megkülönbözteti a tudományt a megismerés más formáitól és elsajátítja a világot, bizonyos normák és modellek létrehozásában a tudományos ismeretek felépítésére. Természetesen az Univerzum eredetének problémája nagyon sokáig foglalkoztatja az emberek elméjét.
Számos korai zsidó-keresztény-muszlim mítosz szerint univerzumunk a múlt egy bizonyos és nem túl távoli időpontjában jelent meg. Az ilyen hiedelmek egyik alapja az volt, hogy meg kell találni az univerzum "kiváltó okát". Az Univerzum bármely eseményét az okának megjelölésével magyarázzák, vagyis egy másik eseményre, amely korábban történt; a Világegyetem létezésének ilyen magyarázata csak akkor lehetséges, ha kezdete volt. Egy másik okot áldott Ágoston (az ortodox egyház Ágoston áldottnak, a katolikus egyház pedig szentnek tekinti). az "Isten városa" című könyvben. Rámutatott, hogy a civilizáció halad, és emlékezünk arra, hogy ki követte el ezt vagy azt a tettet, és ki mit talált ki. Ezért az emberiség, és ezért valószínűleg az Univerzum sem valószínű, hogy nagyon sokáig létezne. Boldog Ágoston elfogadható dátumnak tekintette az Univerzum létrejöttét, amely megfelel a Genezis könyvének: kb. Kr. E. 5000. (Érdekes, hogy ez a dátum nincs olyan messze az utolsó jégkorszak végétől - Kr. E. 10 000, amelyet a régészek a civilizáció kezdetének tartanak).
Arisztotelésznek és a legtöbb görög filozófusnak nem tetszett a világegyetem létrehozásának gondolata, mivel az isteni beavatkozással társult. Ezért azt hitték, hogy az emberek és a körülöttük lévő világ létezik és örökké fennmarad. Az ókori tudósok megvizsgálták a civilizáció előrehaladásával kapcsolatos érvelést, és úgy döntöttek, hogy az árvizek és más kataklizmák rendszeresen előfordulnak a világon, amelyek az emberiséget mindig a civilizáció kiindulópontjába helyezték vissza.
Arisztotelész megalkotta a formális logikát, azaz valójában a bizonyítás doktrína a fő eszköz az ismeretek levezetéséhez és rendszerezéséhez; kifejlesztett egy kategorikus és fogalmi apparátust; jóváhagyott egyfajta kánont a tudományos kutatás megszervezésére (a kérdés története, a probléma megfogalmazása, a "mellette" és "ellene" érvek, a döntés indoklása); magát a tárgyilagosan differenciált tudományos ismereteket, elválasztva a természettudományokat a metafizikától (filozófia), matematikától stb. Az ismeretek tudományos jellegének Arisztotelész által meghatározott normái, a magyarázat, a leírás és az igazolás modelljei a tudományban több mint ezer éve vitathatatlan tekintélyt élveznek, és sok (például a formális logika törvényei) még mindig érvényesek.
Promóciós videó:
Az ősi tudományos világkép legfontosabb töredéke a világszférák következetes geocentrikus tana volt. A korszak geocentrizmusa egyáltalán nem volt a közvetlenül megfigyelhető tények "természetes" leírása. Nehéz és bátor lépés volt az ismeretlenbe: végül is a kozmosz felépítésének egységessége és következetessége érdekében a látható égi félgömböt egy analóg láthatatlannal kellett kiegészíteni, be kellett ismerni az antipódusok létezésének lehetőségét, azaz. a földgömb ellenkező oldalának lakói stb.
Arisztotelész azt gondolta, hogy a Föld mozdulatlan, a Nap, a Hold, a bolygók és a csillagok körpályákon forognak körülötte. Hitte, mert misztikus nézeteinek megfelelően a Földet tartották az Univerzum központjának, és a körmozgás volt a legtökéletesebb. Ptolemaiosz Arisztotelész gondolatát a 2. században teljes kozmológiai modellgé fejlesztette. A Föld középen áll, nyolc gömb veszi körül, amelyeken a Hold, a Nap és öt, akkor ismert bolygó található: Merkúr, Vénusz, Mars, Jupiter és Szaturnusz (1.1. Ábra). Maguk a bolygók, Ptolemaiosz szerint, kisebb körökben mozognak a megfelelő szférákhoz rögzítve. Ez magyarázta azt a nagyon nehéz utat, amelyet - mint látjuk - a bolygók járnak. A legutolsó gömbön vannak rögzített csillagok, amelyek egymáshoz viszonyítva ugyanabban a helyzetben maradva, egészében együtt mozognak az égen. Hogy mi rejlik az utolsó szféra mögött, azt nem magyarázták el, de az emberiség mindenesetre már nem része az Univerzumnak.
Ptolemaiosz modellje lehetővé tette, hogy jól megjósolják az égitestek helyzetét az égbolton, de a pontos előrejelzéshez el kellett fogadnia, hogy a Hold pályája egyes helyeken kétszer közelebb kerül a Földhöz, mint másutt! Ez azt jelenti, hogy az egyik helyzetben a Holdnak kétszer nagyobbnak kell lennie, mint egy másikban! Ptolemaiosz tisztában volt ezzel a hibával, de ennek ellenére elméletét elfogadták, bár nem mindenhol. A keresztény egyház elfogadta az univerzum ptolemaioszi modelljét, amely nem ellentétes a Bibliával, mert ez a modell nagyon jó volt, mivel sok helyet hagyott a pokolnak és a mennynek az állandó csillagok szféráján kívül. 1514-ben azonban Nicolaus Copernicus lengyel pap még egyszerűbb modellt javasolt. (Eleinte attól tartva, hogy talán az egyház eretneknek nyilvánítja, Kopernikusz névtelenül terjesztette modelljét). Az ő ötlete az volthogy a Nap álló helyzetben van a közepén, és a Föld és más bolygók körpályákon forognak körülötte. Majdnem egy évszázad telt el azelőtt, hogy Kopernikusz ötletét komolyan vették. Két csillagász - német Johannes Kepler és olasz Galileo Galilei - nyilvánosan támogatta Kopernikusz elméletét, annak ellenére, hogy a Kopernikusz által jósolt pályák nem teljesen egyeztek a megfigyeltekkel. Arisztotelész-Ptolemaiosz elmélete 1609-ben ért véget, amikor Galilei újonnan feltalált távcsövével kezdte megfigyelni az éjszakai égboltot. A távcsővel a Jupiter bolygóra célozva Galilei több kis műholdat vagy holdat fedezett fel, amelyek a Jupiter körül keringenek. Ez azt jelentette, hogy nem minden égitestnek kell feltétlenül közvetlenül a Föld körül forognia, ahogy Arisztotelész és Ptolemaiosz hitték. (Természetesen még fontolóra lehetne vennihogy a Föld az univerzum közepén nyugszik, és a Jupiter holdjai nagyon összetett úton haladnak a Föld körül, így csak úgy tűnik, mintha a Jupiter körül forognának. Copernicus elmélete azonban sokkal egyszerűbb volt.) Ugyanakkor Johannes Kepler módosította Kopernikusz elméletét, abból a feltételezésből kiindulva, hogy a bolygók nem körökben, hanem ellipszisekben mozognak (az ellipszis egy hosszúkás kör). Végül most az előrejelzések egybeestek a megfigyelésekkel. Végül most az előrejelzések egybeesnek a megfigyelések eredményeivel. Végül most az előrejelzések egybeestek a megfigyelésekkel.
Ami Keplert illeti, ellipszis pályája mesterséges hipotézis volt, ráadásul "inelegáns", mivel az ellipszis sokkal kevésbé tökéletes alak, mint egy kör. Szinte véletlenül tapasztalta, hogy az elliptikus pályák jó egyezésben vannak a megfigyelésekkel, Kepler soha nem volt képes összeegyeztetni ezt a tényt azzal a gondolattal, hogy a bolygók mágneses erők hatására forognak a Nap körül. A magyarázat csak jóval később, 1687-ben következett be, amikor Isaac Newton kiadta "A természettudományi filozófia matematikai alapelvei" című könyvét. Newton benne nemcsak az anyagi testek időben és térben való elmozdulását terjesztette elő, hanem összetett matematikai módszereket is kidolgozott az égitestek mozgásának elemzéséhez.
Emellett Newton feltételezte az egyetemes gravitáció törvényét, amely szerint az Univerzumban minden test nagyobb erővel vonzódik bármely más testhez, annál nagyobb ezeknek a testeknek a tömege és annál kisebb a távolság. Ez az az erő, amely miatt a testek a földre hullanak. (Az a történet, amely szerint Newtont egy fejére esett alma ihlette, szinte biztos, hogy megbízhatatlan. Newton maga erről csak annyit mondott, hogy a gravitáció gondolata akkor merült fel, amikor "szemlélődő hangulatban" ült, és "ennek oka az alma esése volt") …
Továbbá Newton kimutatta, hogy törvénye szerint a Hold gravitációs erők hatására elliptikus pályán mozog a Föld körül, a Föld és a bolygók pedig elliptikus pályákon forognak a Nap körül. (8) Newton modellje egy test, amely egységesen mozog abszolút végtelen térben, és egyenesen, amíg erre a testre nem hat egy erő (a mechanika első törvénye), vagy két, egymással egyenlő és ellentétes erővel ható test (a mechanika harmadik törvénye); magát az erőt egyszerűen a mozgó testek gyorsulásának okozójának tekintik (a mechanika második törvénye), vagyis mintha önmagában létezne és sehonnan sem származik.
Newton megtartotta a mechanika, mint egyetemes fizikai elmélet fontosságát. A XIX. ezt a helyet a világ mechanisztikus képe készítette, beleértve a mechanikát, a termodinamikát és az anyag kinetikai elméletét, a fény rugalmas elméletét és az elektromágnesességet. Az elektron felfedezése ösztönözte az ötletek felülvizsgálatát. A század végén H. Lorenz az összes természeti jelenségre kiterjedően felépítette elektronikus elméletét, de ezt nem érte el. A töltés diszkrétségével és a mező folytonosságával kapcsolatos problémák, valamint a sugárzás elméletének problémái ("ultraibolya katasztrófa") a világ kvantum-mező képének és a kvantummechanikához vezettek.
Klasszikus példát az elvont fogalmak használatára a természet magyarázatára Einstein adott 1915-ben, és kiadta valóban korszakos általános relativitáselméletét. Ez a mű azon kevesek egyike, amelyek fordulópontokat jelentenek az ember számára a körülötte lévő világ megértésében. Einstein elméletének szépsége nemcsak a gravitációs mező egyenleteinek erejéből és eleganciájából fakad, hanem nézeteinek elsöprő radikalizmusából is. Az általános relativitáselmélet magabiztosan hirdette, hogy a gravitáció az ívelt tér geometriája. A térben történő gyorsulás fogalmát a tér görbületének fogalma váltotta fel. (2)
Az SRT létrehozása után várható volt, hogy a természeti világ univerzális lefedettségét a világ elektromágneses képe biztosíthatja, amely egyesítette a relativitáselméletet, Maxwell elméletét és mechanikáját, ám ez az illúzió hamarosan eloszlott.
A relativitáselmélet (SRT) (a relativitáselmélet; a relativisztikus mechanika) olyan elmélet, amely a fénysebességhez közeli sebességgel írja le a mozgást, a mechanika törvényeit és a tér-idő viszonyokat. A speciális relativitáselmélet keretein belül Newton klasszikus mechanikája az alacsony sebességek közelítése. Az gravitációs mezők SRT általánosítását általános relativitáselméletnek (GRT) nevezzük. Az SRT két posztulátumon alapul:
1. Valamennyi inerciális referenciakeretben a fénysebesség változatlan (invariáns), és nem függ a forrás, a vevő vagy maga a keret mozgásától. A Galileo - Newton klasszikus mechanikájában két test relatív megközelítésének sebessége mindig nagyobb, mint e testek sebessége, és mind az egyik, mind a másik tárgy sebességétől függ. Ezért nehéz elhinni, hogy a fény sebessége nem függ a forrása sebességétől, de ez tudományos tény.
2. A valós tér és idő egyetlen négydimenziós tér-idő kontinuumot alkot, így a referenciakeretek közötti átmenet során az események közötti tér-idő intervallum értéke változatlan marad. Az SRT-ben nincs minden szimultán esemény minden referenciakeretben. Itt két esemény, egy referencia-keretben egyidejűleg, időben másnak tűnik egy másik, mozgó vagy nyugalmi referenciakeret szempontjából.
A speciális relativitáselméletben a klasszikus fizika összes alapvető meghatározása - impulzus, munka, energia - megmarad. Van azonban valami új is: először is a tömeg függése a mozgás sebességétől. Ezért a klasszikus kifejezést nem lehet kinetikus energiára használni, mert azt feltételeztük, hogy az objektum tömege változatlan marad.
Számos elméleti szakember megpróbálta egységes egyenletekkel felkarolni a gravitációt és az elektromágnesességet. A négydimenziós téridőt bevezető Einstein hatására többdimenziós mezőelméletek épültek fel, hogy megpróbálják a jelenségeket a tér geometriai tulajdonságaira redukálni.
Az egyesítést a fénysebesség megállapított függetlensége alapján hajtották végre az üres térben mozgó különféle megfigyelők külső erők hiányában. Einstein az objektum világvonalát egy síkon ábrázolta (2. ábra), ahol a tér tengelye vízszintesen, az idő tengelye pedig függőlegesen irányul. Ekkor a függőleges vonal az objektum világvonala, amely az adott referenciakeretben nyugalomban van, a ferde vonal pedig az állandó sebességgel mozgó tárgy. Az ívelt világvonal megfelel a tárgy gyorsított mozgásának. Ezen a síkon bármely pont megfelel egy adott helyen egy adott pillanatban elfoglalt helynek, és eseménynek nevezzük. Ebben az esetben a gravitáció már nem a tér és az idő passzív hátterére ható erő, hanem maga a téridő torzulása. Végül is a gravitációs mező „a tér-idő görbülete.
2. ábra Tér-idő diagram
Nem sokkal a létrehozása (1905) után a speciális relativitáselmélet megszűnt megfelelni Einsteinnek, és elkezdett dolgozni annak általánosításán. Ugyanez történt az általános relativitáselmélettel is. 1925-ben Einstein elkezdett dolgozni az elmélettel, amelyet rövid megszakításokkal, napjai végéig tanulmányoznia kellett. Az őt aggasztó fő problémának - a terepi források jellege - már volt egy bizonyos története, mire Einstein felvette. Miért nem esnek szét például a részecskék? Végül is egy elektron negatív töltést hordoz, a negatív töltések pedig taszítják egymást, azaz. az elektronnak belülről kellene felrobbannia a szomszédos területek taszítása miatt!
Bizonyos értelemben ez a probléma a mai napig fennmaradt. Még nem építettek ki kielégítő elméletet, amely leírná az elektron belsejében ható erőket, de a nehézségek kikerülhetők azzal, ha feltételezzük, hogy az elektronnak nincs belső szerkezete - ez egy ponttöltés, amelynek nincsenek méretei, és ezért nem szakadhat el belülről.
Mindazonáltal általánosan elfogadott, hogy a modern kozmológia fő rendelkezései - az Univerzum szerkezetének és evolúciójának tudománya - akkor kezdtek kialakulni, amikor A. Einstein 1917-ben létrehozta az első relativisztikus modellt, amely a gravitáció elméletén alapult, és azt állította, hogy leírja az egész Univerzumot. Ez a modell jellemezte az Univerzum álló állapotát, és amint azt asztrofizikai megfigyelések mutatják, helytelennek bizonyult.
A kozmológiai problémák megoldásában fontos lépést tett 1922-ben a Petrogradi Egyetem professzora, A. A. Friedman (1888-1925). A kozmológiai egyenletek megoldása eredményeként arra a következtetésre jutott, hogy az Univerzum nem lehet álló állapotban - minden galaxis előrefelé haladva távolodik el egymástól, és ezért mind ugyanazon a helyen voltak.
A következő lépést 1924-ben tették meg, amikor E. Hubble amerikai csillagász (1889-1953) a kaliforniai Mount Wilson Obszervatóriumban megmérte a közeli galaxisok (ekkor ködöknek nevezett) távolságát, és ezzel felfedezte a galaxisok világát. Amikor a csillagászok elkezdték vizsgálni a csillagok spektrumát más galaxisokban, valami még furcsább dolgot fedeztek fel: saját galaxisunknak ugyanazok a jellegzetes hiányzó színek voltak, mint a csillagoknak, de mindegyikük ugyanolyan mértékben tolódott el a spektrum vörös vége felé. A látható fény az elektromágneses mező rezgései vagy hullámai. A fényrezgések frekvenciája (másodpercenként mért hullámok száma) rendkívül magas - másodpercenként négyszáz-hétszázmillió hullám. Az emberi szem a különböző frekvenciájú fényeket különböző színekként érzékeli, a legalacsonyabb frekvenciák pedig a spektrum vörös végének felelnek meg,és a legmagasabbtól a liláig. Képzeljünk el egy fényforrást, amely fix távolságra van tőlünk (például egy csillag), és állandó frekvenciájú fényhullámokat bocsát ki. Nyilvánvaló, hogy a bejövő hullámok frekvenciája megegyezik azzal, amellyel kibocsátják őket (még akkor is, ha a galaxis gravitációs tere kicsi, és hatása jelentéktelen). Tegyük fel most, hogy a forrás elindul az irányunkba. Amikor a következő hullám kibocsájtásra kerül, a forrás közelebb lesz hozzánk, és ennélfogva kevesebb idő telik el, amíg ennek a hullámnak a címere eljut hozzánk, kevesebb, mint egy fix csillag esetében. Következésképpen a két érkező hullám címerei közötti idő kevesebb lesz, és az egy másodperc alatt befogadott hullámok száma (vagyis a frekvencia) nagyobb lesz, mint amikor a csillag álló helyzetben volt. A forrás eltávolításakor a bejövő hullámok frekvenciája kisebb lesz. Azt jelenti,hogy a távolodó csillagok spektrumai vöröseltolódnak (vöröseltolódás), és a közeledő csillagok spektrumai ibolya elmozdulást tapasztalnak. A sebesség és a frekvencia közötti kapcsolatot Doppler-effektusnak hívják, és ez a hatás még a mindennapi életünkben is gyakori. A Doppler-effektust a rendőrség alkalmazza, akik messziről meghatározzák a járművek sebességét a tőlük visszaverődő rádiójelek frekvenciája alapján.
Bizonyítva, hogy léteznek más galaxisok, Hubble minden további évet annak a galaxisoknak a távolságkatalógusainak összeállítására és spektrumuk megfigyelésére fordított. Abban az időben a legtöbb tudós úgy vélte, hogy a galaxisok mozgása véletlenszerű, ezért a vörös oldal felé tolódó spektrumokat ugyanúgy meg kell figyelni, mint az ibolya felé tolódottakat. Milyen meglepetés volt, amikor a galaxisok nagy része a vörös spektrumeltolódást mutatta, vagyis kiderült, hogy szinte az összes galaxis távolodik tőlünk! Ennél is meglepőbb volt a Hubble által 1929-ben publikált felfedezés: Hubble felfedezte, hogy még a vöröseltolódás nagysága sem véletlenszerű, hanem egyenesen arányos a tőlünk a galaxistól mért távolsággal. Más szóval, minél távolabb van egy galaxis, annál gyorsabban távolodik el! És ez azt jelentette, hogy az univerzum nem lehet statikus, amint azt korábban gondolták,hogy valójában folyamatosan bővül és a galaxisok közötti távolság folyamatosan növekszik.
A világegyetem tágulása azt jelenti, hogy a múltban kisebb volt a térfogata, mint most. Ha az idő visszafordul az univerzum Einstein és Friedman által kidolgozott modelljében, akkor az események megfordulnak, akárcsak a végétől játszott filmben. Aztán kiderül, hogy körülbelül 13 milliárd évvel ezelőtt az Univerzum sugara nagyon kicsi volt, vagyis a galaxis, a csillagközi közeg és a sugárzás súlya - röviden: minden, ami most az Univerzumot alkotja, elhanyagolható térfogatban, nulla közelében koncentrálódott. A Világegyetem ezen elsődleges szupersűrűségű és szuper-forró állapotának nincsenek analógjai kortárs valóságunkban. Feltételezzük, hogy abban az időben az Univerzum anyagának sűrűsége összehasonlítható volt az atommag sűrűségével, és az egész Világegyetem hatalmas atomcsepp volt. Valamiért az atomcsepp instabil állapotban volt és felrobbant. Ez a feltételezés áll az ősrobbanás koncepciójának középpontjában.
- Második rész -