- Teine osa -
Universumi ühtne teooria ehk kõige teooria on hüpoteetiline ühtne füüsikaline ja matemaatiline teooria, mis kirjeldab kõiki teadaolevaid põhilisi koostoimeid. Esialgu kasutati seda terminit iroonilisel viisil viidates mitmesugustele üldistatud teooriatele. Aja jooksul kinnistus see termin kvantfüüsika populariseerimistesse, et tähistada teooriat, mis ühendaks looduses kõik neli põhilist vastastikmõju: gravitatsiooniline, elektromagnetiline, tugev tuuma ja nõrk tuuma vastasmõju. Pealegi peab see selgitama kõigi elementaarosakeste olemasolu. Ühtse teooria otsimist nimetatakse tänapäevase teaduse üheks peamiseks eesmärgiks.
Ühtse teooria idee tekkis tänu teadmistele, mida on kogunud rohkem kui üks teadlaste põlvkond. Teadmiste saades laienes inimkonna arusaam ümbritsevast maailmast ja selle seadustest. Kuna teaduspilt maailmast on üldistatud, süsteemne moodustis, ei saa selle radikaalset muutust taandada eraldi, isegi kui suurimaks teaduslikuks avastuseks. Viimane võib aga tekitada mingi ahelreaktsiooni, mis on võimeline andma terve rea, teaduslike avastuste kompleksi, mis viib lõpuks teadusliku maailmapildi muutumiseni. Selles protsessis on muidugi kõige olulisemad avastused põhiteadustes, millele see tugineb. Lisaks, pidades meeles, et teadus on peamiselt meetod, ei ole raske eeldada, et teaduse maailmapildi muutus peaks tähendama ka uute teadmiste saamise meetodite radikaalset ümberkorraldamist,sealhulgas muutused teaduslikkuse normides ja ideaalides.
Maailmaidee ei toimunud kohe. Sellised selgelt ja üheselt fikseeritud radikaalsed muutused teaduspiltides maailmast, s.t. Üldiselt teaduse ja eriti loodusteaduse arengu ajaloos on kolm teadusrevolutsiooni. Kui need on isikustatud nende teadlaste nimedega, kes mängisid nendes sündmustes kõige märgatavamat rolli, siis tuleks kolme ülemaailmset teadusrevolutsiooni nimetada Aristotelese, Newtoni ja Einsteini omadeks.
VI - IV sajandil. EKr. viidi läbi esimene revolutsioon maailma tundmises, mille tulemusena sündis teadus ise. Selle revolutsiooni ajalooline tähendus seisneb teaduse eristamises teistest tunnetusvormidest ja maailma valdamises, teaduslike teadmiste ülesehitamiseks teatud normide ja mudelite loomises. Muidugi on Universumi tekke probleem inimeste mõtteid hõivanud väga pikka aega.
Mitmete varaste juudi-kristlaste-moslemite müütide järgi tekkis meie universum minevikus teatud ja mitte väga kaugel ajahetkel. Selliste uskumuste üheks aluseks oli vajadus leida universumi "algpõhjus". Igasugust sündmust Universumis selgitatakse selle põhjuse näitamisega, st teise sündmusega, mis juhtus varem; selline seletus Universumi enda olemasolust on võimalik ainult siis, kui sellel oleks algus. Veel ühe põhjuse tõi välja õnnistatud Augustinus (õigeusu kirik peab Augustinust õnnistatuks ja katoliku kirik - pühaks). raamatus "Jumala linn". Ta tõi välja, et tsivilisatsioon edeneb, ja me mäletame, kes selle või teise teo toime pani ja kes mida välja mõtles. Seetõttu ei ole inimkond ja seega tõenäoliselt ka Universum tõenäoliselt väga pikka aega olemas. Õnnis Augustinus pidas vastuvõetavaks Universumi loomise kuupäeva, mis vastab 1. Moosese raamatule: umbes 5000 eKr. (Huvitaval kombel pole see kuupäev nii kaugel viimase jääaja lõpust - 10 000 eKr, mida arheoloogid peavad tsivilisatsiooni alguseks).
Aristotelesele ja enamikule teistele Kreeka filosoofidele ei meeldinud universumi loomise idee, kuna see oli seotud jumaliku sekkumisega. Seetõttu uskusid nad, et inimesed ja ümbritsev maailm on olemas ja eksisteerib ka edaspidi igavesti. Muistsed teadlased kaalusid argumentatsiooni tsivilisatsiooni edenemise üle ja otsustasid, et maailmas toimuvad perioodiliselt üleujutused ja muud kataklüsmid, mis kogu aeg tagasid inimkonna tsivilisatsiooni alguspunkti.
Aristoteles lõi formaalse loogika, s.t. tegelikult on tõendamisdoktriin peamine vahend teadmiste saamiseks ja süstematiseerimiseks; töötas välja kategoorilise ja kontseptuaalse aparaadi; kiitis heaks omamoodi kaanoni teadusuuringute korraldamiseks (teema ajalugu, probleemi sõnastamine, argumendid "poolt" ja "vastu", otsuse põhjendused); objektiivselt diferentseeritud teaduslikud teadmised ise, eraldades loodusteadused metafüüsikast (filosoofiast), matemaatikast jne. Aristotelese kehtestatud teaduse teadusliku olemuse normid, selgituste, kirjelduse ja põhjenduste mudelid teaduses on olnud vaieldamatu autoriteediga juba üle tuhande aasta ja paljud (näiteks formaalse loogika seadused) on endiselt tõhusad.
Reklaamvideo:
Muistse teadusliku maailmapildi kõige olulisem fragment oli järjekindel geosentriline doktriin maailma sfääridest. Selle ajastu geotsentrism polnud sugugi otseselt vaadeldavate faktide "loomulik" kirjeldus. See oli raske ja julge samm tundmatusse: lõppude lõpuks oli kosmose ülesehituse ühtsuse ja järjepidevuse huvides vaja täiendada nähtavat taevapoolkera analoogse nähtamatuga, tunnistada antipoodide olemasolu võimalust, s.t. maakera vastaskülje asukad jne.
Aristoteles arvas, et Maa on liikumatu ning Päike, Kuu, planeedid ja tähed tiirlevad selle ümber ümmargustel orbiitidel. Ta uskus seda, sest vastavalt tema müstilistele vaadetele peeti Maad Universumi keskpunktiks ja ringliikumine oli kõige täiuslikum. Ptolemaios arendas 2. sajandil Aristotelese idee terviklikuks kosmoloogiliseks mudeliks. Maa seisab keskel, ümbritsetud kaheksa keraga, mis kannavad Kuud, Päikest ja viit tollal tuntud planeeti: Merkuur, Veenus, Marss, Jupiter ja Saturn (joonis 1.1). Planeetid ise, arvas Ptolemaios, liiguvad vastavate sfääride külge kinnitatud väiksemate ringidena. See seletas väga rasket rada, mida planeedid, nagu näeme, läbivad. Kõige viimasel keral on fikseeritud tähed, mis üksteise suhtes samas asendis püsides liiguvad üle taeva kõik tervikuna. Seda, mis peitub viimase sfääri taga, ei selgitatud, kuid igal juhul ei olnud see inimkonna enam universumi osa.
Ptolemaiose mudel võimaldas hästi prognoosida taevakehade asukohta taevas, kuid täpseks ennustuseks pidi ta leppima sellega, et Kuu trajektoor läheneb mõnes kohas Maale 2 korda lähemale kui teises! See tähendab, et ühes asendis peaks Kuu ilmuma 2 korda suurem kui teises! Ptolemaios oli sellest puudusest teadlik, kuid sellegipoolest aktsepteeriti tema teooriat, kuigi mitte kõikjal. Kristlik kirik aktsepteeris universumi Ptolemaiose mudelit kui Piibliga vastuolus olevat, sest see mudel oli väga hea, kuna jättis palju ruumi põrgule ja taevale väljaspool fikseeritud tähtede sfääri. Kuid 1514. aastal pakkus Poola preester Nicolaus Copernicus välja veelgi lihtsama mudeli. (Algul, kartes ehk, et kirik kuulutab ta ketseriks, levitas Copernicus oma mudelit anonüümselt). Tema idee oliet Päike on statsionaarselt keskel ning Maa ja teised planeedid tiirlevad selle ümber ümmargustel orbiitidel. Ligi sajand möödus enne, kui Koperniku ideed tõsiselt võeti. Kaks astronoomi - sakslane Johannes Kepler ja itaallane Galileo Galilei - toetasid Koperniku teooriat avalikult, hoolimata sellest, et Koperniku ennustatud orbiidid ei langenud vaadeldavatega päris kokku. Aristotelese-Ptolemaiose teooria jõudis lõpule aastal 1609, kui Galileo hakkas oma äsja leiutatud teleskoobiga öist taevast jälgima. Suunates teleskoobi planeedile Jupiter, avastas Galileo mitu väikest satelliiti ehk kuud, mis tiirlevad Jupiteri ümber. See tähendas, et kõik taevakehad ei pea tingimata pöörlema otse ümber Maa, nagu uskusid Aristoteles ja Ptolemaios. (Muidugi võiks veel kaaludaet Maa puhkab universumi keskmes ja Jupiteri kuud liiguvad mööda Maa väga keerulist rada, nii et tundub ainult, nagu pöörleksid nad Jupiteri ümber. Kuid Koperniku teooria oli palju lihtsam.) Samal ajal muutis Johannes Kepler Koperniku teooriat, lähtudes eeldusest, et planeedid liiguvad mitte ringides, vaid ellipsides (ellips on piklik ring). Lõpuks, nüüd on ennustused kokku langenud vaatluste tulemustega. Ja lõpuks langesid ennustused kokku vaatlustega. Lõpuks on nüüd ennustused langenud kokku vaatluste tulemustega.
Mis puutub Keplerisse, siis tema elliptilised orbiidid olid kunstlik hüpotees ja pealegi "ebaoluline", kuna ellips on palju vähem täiuslik kuju kui ring. Leides peaaegu kogemata, et elliptilised orbiidid on vaatlustega hästi kooskõlas, ei suutnud Kepler seda fakti kunagi ühildada oma ideega, et planeedid pöörlevad ümber Päikese magnetjõudude mõjul. Selgitus tuli alles palju hiljem, 1687. aastal, kui Isaac Newton avaldas oma raamatu "Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted". Selles esitas Newton mitte ainult teooria materiaalsete kehade liikumisest ajas ja ruumis, vaid töötas välja ka keerukad matemaatilised meetodid, mis on vajalikud taevakehade liikumise analüüsimiseks.
Lisaks postuleeris Newton universaalse gravitatsiooni seaduse, mille kohaselt iga universumi keha tõmbub suurema jõuga mis tahes teise keha poole, seda suurem on nende kehade mass ja väiksem on nende vaheline kaugus. See on just see jõud, mis paneb kehad maha kukkuma. (Lugu, et Newton oli inspireeritud pähe kukkunud õunast, on peaaegu kindlasti ebausaldusväärne. Newton ise ütles selle kohta ainult, et gravitatsiooni idee tekkis siis, kui ta istus "mõtisklevas meeleolus" ja "põhjuseks oli õuna kukkumine") …
Lisaks näitas Newton, et vastavalt tema seadusele liigub Kuu gravitatsioonijõudude toimel elliptilisel orbiidil ümber Maa ning Maa ja planeedid pöörlevad elliptilistel orbiitidel ümber Päikese. (8) Newtoni mudel on üks keha, mis liigub ühtlaselt absoluutses lõpmatus ruumis ja sirgjooneliselt seni, kuni sellele kehale mõjub jõud (esimene mehaanikaseadus) või kaks keha, mis toimivad üksteisele võrdsete ja vastandlike jõududega (kolmas mehaanikaseadus); jõudu ennast peetakse lihtsalt liikuvate kehade kiirendamise põhjuseks (teine mehaanikaseadus), see tähendab, justkui oleks see iseenesest olemas ja kusagilt ei tuleks.
Newton jätkas mehaanika kui universaalse füüsikalise teooria arvestamist. XIX sajandil. selle koha tegi maailmast mehhanistlik pilt, sealhulgas mehaanika, termodünaamika ja aine kineetiline teooria, valguse elastsuseteooria ja elektromagnetism. Elektroni avastamine stimuleeris ideede läbivaatamist. Sajandi lõpus ehitas H. Lorenz oma elektroonilise teooria, et hõlmata kõiki loodusnähtusi, kuid ta ei saavutanud seda. Laengu diskreetsuse ja välja pidevusega seotud probleemid ning kiirgusteooria probleemid ("ultraviolettkatastroof") viisid maailma kvantvälja pildi ja kvantmehaanika loomiseni.
Klassikalise näite abstraktsete mõistete kasutamise kohta looduse selgitamiseks tõi 1915. aastal Einstein, kes avaldas oma tõeliselt epohhaalse üldise relatiivsusteooria. See töö on üks väheseid, mis tähistab pöördepunkte inimese tajus ümbritsevas maailmas. Einsteini teooria ilu ei tulene mitte ainult gravitatsioonivälja võrrandite võimsusest ja elegantsusest, vaid ka tema vaadete valdavast radikaalsusest. Üldrelatiivsusteooria on enesekindlalt kuulutanud, et gravitatsioon on kõvera ruumi geomeetria. Kosmoses kiirendamise mõiste asendati ruumi kõveruse mõistega. (2)
Pärast SRT loomist eeldati, et loodusmaailma universaalne katvus võib anda maailmast elektromagnetilise pildi, mis ühendas relatiivsusteooria, Maxwelli teooria ja mehaanika, kuid see illusioon hajus peagi.
Spetsiaalne relatiivsusteooria (SRT) (spetsiaalne relatiivsusteooria; relativistlik mehaanika) on teooria, mis kirjeldab liikumist, mehaanikaseadusi ja aegruumi suhteid valguse kiirusele lähedastel kiirustel. Spetsiaalse relatiivsusteooria raames on Newtoni klassikaline mehaanika väikeste kiiruste lähendamine. SRT gravitatsiooniväljade üldistamist nimetatakse üldrelatiivsusteooriaks (GTR). SRT põhineb kahel postulaadil:
1. Kõigis inertsiaalsetes võrdlusraamides on valguse kiirus muutumatu (see on invariant) ja see ei sõltu allika, vastuvõtja ega kaadri enda liikumisest. Galileo - Newtoni klassikalises mehaanikas on kahe keha suhtelise lähenemise kiirus alati suurem kui nende kehade kiirus ja sõltub nii ühe kui ka teise objekti kiirusest. Seetõttu on meil raske uskuda, et valguse kiirus ei sõltu selle allika kiirusest, kuid see on teaduslik fakt.
2. Reaalne ruum ja aeg moodustavad ühe neljamõõtmelise aegruumi pidevuse, nii et võrdlusraamide vahelise ülemineku ajal jääb sündmuste vaheline aegruumi väärtus muutumatuks. SRT-s pole üheski sündmuses kõiki tugiraame. Siin näevad kaks sündmust, mis on samaaegselt ühes tugiraamistikus, teise ajaliselt teise, liikuva või puhkeseisundis oleva tugiraami vaatepunktist erinevad.
Spetsiaalne relatiivsusteooria säilitab klassikalise füüsika kõik põhimõisted - impulss, töö, energia. Kuid ilmub ka midagi uut: esiteks massi sõltuvus liikumiskiirusest. Seetõttu ei saa kineetilise energia jaoks kasutada klassikalist väljendit, sest see saadi eeldusel, et objekti mass jääb muutumatuks.
Paljud teoreetikud on püüdnud raskuste ja elektromagnetismi omaks võtta ühtsete võrranditega. Neljamõõtmelise aegruumi kasutusele võtnud Einsteini mõjul ehitati mitmemõõtmelised väljateooriad, püüdes taandada nähtused ruumi geomeetrilistele omadustele.
Ühendamine viidi läbi valguse kiiruse väljakujunenud sõltumatuse alusel väliste jõudude puudumisel tühjas ruumis liikuvate erinevate vaatlejate jaoks. Einstein kujutas objekti maailmajooni tasapinnal (joonis 2), kus ruumiline telg on suunatud horisontaalselt ja ajatelg on suunatud vertikaalselt. Siis vertikaalne joon on objekti maailmajoon, mis on antud tugiraamistikus puhkeasendis, ja kaldus joon on ühtlase kiirusega liikuv objekt. Kumer maailmajoon vastab objekti kiirendatud liikumisele. Selle tasapinna mis tahes punkt vastab asukohale kindlas kohas ja seda nimetatakse sündmuseks. Sel juhul ei ole gravitatsioon enam jõu ja aja passiivsele taustale mõjuv jõud, vaid aegruumi enda moonutus. Lõppude lõpuks on gravitatsiooniväli „aegruumi kõverus.
Joonis 2. Ruumi-aja diagramm
Varsti pärast selle loomist (1905) lakkas Einsteinile sobimast erirelatiivsusteooria ja ta hakkas selle üldistamisega tegelema. Sama juhtus üldrelatiivsusteooriaga. Aastal 1925 hakkas Einstein tegelema teooriaga, mida ta oli määratud uurima väikeste katkestustega kuni oma päevade lõpuni. Põhiprobleem, mis teda muretses - väliallikate olemus - oli juba teatud ajal, kui Einstein selle kasutusele võttis. Miks ei lagune näiteks osakesed? Lõppude lõpuks kannab elektron negatiivset laengut ja negatiivsed laengud tõrjuvad üksteist, st. elektron peaks naaberpiirkondade tõrjumise tõttu seestpoolt plahvatama!
Mõnes mõttes on see probleem püsinud tänaseni. Siiani ei ole loodud rahuldavat teooriat, mis kirjeldaks elektroni sees toimivaid jõude, kuid raskustest saab mööda, kui eeldada, et elektronil puudub sisemine struktuur - see on punktlaeng, millel pole mõõtmeid ja mida seetõttu ei saa seestpoolt rebida.
Sellegipoolest on üldtunnustatud, et kaasaegse kosmoloogia peamised sätted - teadus Universumi ülesehitusest ja arengust - hakkasid kujunema pärast seda, kui A. Einstein oli 1917. aastal loonud esimese relativistliku mudeli, mis põhines gravitatsiooniteoorial ja väitis, et kirjeldab kogu Universumit. See mudel iseloomustas Universumi statsionaarset seisundit ja osutus astrofüüsikaliste vaatluste põhjal valeks.
Olulise sammu kosmoloogiliste probleemide lahendamisel tegi 1922. aastal Petrogradi ülikooli professor A. A. Friedman (1888–1925). Kosmoloogiliste võrrandite lahendamise tulemusena jõudis ta järeldusele: Universum ei saa olla statsionaarses olekus - kõik galaktikad eemalduvad üksteisest ettepoole ja seetõttu olid nad kõik ühes ja samas kohas.
Järgmine samm tehti 1924. aastal, kui Ameerika astronoom E. Hubble (1889-1953) mõõtis Californias Mount Wilsoni observatooriumis kaugust lähedal asuvatest galaktikatest (tol ajal nimetati udukogudeks) ja avastas seeläbi galaktikate maailma. Kui astronoomid hakkasid uurima tähtede spektreid teistes galaktikates, avastati midagi veelgi kummalisemat: meie enda galaktikal olid samad iseloomulikud puuduvate värvide komplektid kui tähtedel, kuid nad kõik olid sama palju nihkunud spektri punase otsa poole. Nähtav valgus on elektromagnetvälja vibratsioon või laine. Valgusvibratsioonide sagedus (lainete arv sekundis) on äärmiselt kõrge - nelisada kuni seitsesada miljonit lainet sekundis. Inimsilm tajub erineva sagedusega valgust erinevat värvi, madalaimad sagedused vastavad spektri punasele otsale,ja kõrgeimast lillani. Kujutage ette valgusallikat, mis asub meist kindlal kaugusel (näiteks täht) ja kiirgab valguslaineid püsiva sagedusega. Ilmselgelt on sissetulevate lainete sagedus sama, millega neid kiiratakse (isegi kui galaktika gravitatsiooniväli on väike ja selle mõju ebaoluline). Oletame, et nüüd hakkab allikas meie suunas liikuma. Järgmise laine kiirgamisel on allikas meile lähemal ja seetõttu on selle laine harja jõudmiseni kuluv aeg väiksem kui fikseeritud tähe puhul. Sellest tulenevalt on kahe saabuva laine harjadevaheline aeg väiksem ja ühes sekundis vastuvõetavate lainete arv (st sagedus) on suurem kui siis, kui täht seisis. Kui allikas eemaldatakse, on sissetulevate lainete sagedus väiksem. See tähendab,et taanduvate tähtede spektrid nihutatakse punase otsa poole (punane nihe) ja lähenevate tähtede spektrid peaksid kogema violetset nihet. Seda suhet kiiruse ja sageduse vahel nimetatakse Doppleri efektiks ja see mõju on tavaline isegi meie igapäevaelus. Doppleri efekti kasutab politsei, kes määrab sõidukite kiiruse kaugelt nendelt peegelduvate raadiosignaalide sageduse järgi.
Tõestanud teiste galaktikate olemasolu, pühendas Hubble kõik järgnevad aastad nende galaktikate kauguste kataloogide koostamisele ja nende spektrite jälgimisele. Sel ajal uskus enamik teadlasi, et galaktikate liikumine toimub juhuslikult ja seetõttu tuleks punase külje suunas nihutatud spektreid jälgida sama palju kui violetset. Milline üllatus oli see, kui enamik galaktikaid näitas spektri punast nihet ehk selgus, et peaaegu kõik galaktikad eemalduvad meist! Seda üllatavam oli Hubble'i 1929. aastal avaldatud avastus: Hubble avastas, et isegi punase nihke suurus ei ole juhuslik, vaid on otseselt proportsionaalne kaugusega meist galaktikani. Teisisõnu, mida kaugemal on galaktika, seda kiiremini see eemaldub! Ja see tähendas, et universum ei saanud olla staatiline, nagu varem arvati,et tegelikult see pidevalt laieneb ja kaugused galaktikate vahel kogu aeg kasvavad.
Universumi paisumine tähendab, et varem oli selle maht väiksem kui praegu. Kui aeg pööratakse tagasi Einsteini ja Friedmani välja töötatud universumi mudelis, lähevad sündmused vastupidises järjekorras nagu lõpust mängitud filmis. Siis selgub, et umbes 13 miljardit aastat tagasi oli Universumi raadius väga väike, see tähendab galaktika, tähtedevahelise keskmise ja kiirguse kaal - ühesõnaga, kõik, mis nüüd Universumi moodustab, oli koondunud tühisesse, nullilähedasesse mahtu. Sellel Universumi esmasel ülitihedal ja ülikuumal olekul pole meie tänapäeva reaalsuses analooge. Oletatakse, et sel ajal oli Universumi aine tihedus võrreldav aatomituuma tihedusega ja kogu Universum oli tohutu tuumalangus. Millegipärast oli tuumapiisk ebastabiilses olekus ja plahvatas. See oletus on suure paugu kontseptsiooni keskmes.
- Teine osa -
