- Prima parte -
Il più vicino alla realizzazione del sogno di Einstein è stato il fisico polacco poco conosciuto Theodor Kaluca, che, nel 1921, decise di generalizzare la teoria di Einstein includendo l'elettromagnetismo nella formulazione geometrica della teoria dei campi (simile a come la geometria dello spazio-tempo descrive la gravità). Questo avrebbe dovuto essere fatto in modo che le equazioni della teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell continuassero a essere valide. Kaluza capì che la teoria di Maxwell non poteva essere formulata nel linguaggio della geometria pura (nel senso che di solito la intendiamo), anche assumendo la presenza di uno spazio curvo. Kaluza fece il passo successivo dopo Einstein, aggiungendo allo spazio-tempo quadridimensionale un quinto cambiamento (non osservabile) in cui l'elettromagnetismo è una sorta di "gravità" (l'interazione debole e forte non era nota allora). La domanda sorge spontanea:perché non sentiamo in alcun modo questa quinta dimensione (a differenza delle prime quattro)?
Nel 1926, il fisico svedese Oskar Klein suggerì di non notare la dimensione extra perché in un certo senso si è "arrotolata" a una dimensione molto piccola. Un piccolo anello si estende da ogni punto nello spazio nella quinta dimensione. Non notiamo tutti questi loop a causa delle loro piccole dimensioni. Klein ha calcolato il perimetro degli anelli attorno alla quinta dimensione utilizzando il valore noto della carica elettrica elementare dell'elettrone e di altre particelle, nonché l'ampiezza dell'interazione gravitazionale tra le particelle. È risultato essere uguale a 10-32 cm, ad es. 1020 volte più piccola della dimensione di un nucleo atomico. Pertanto, non sorprende che non notiamo la quinta dimensione: è distorta su una scala che è molto più piccola delle dimensioni di qualsiasi struttura che conosciamo, anche nella fisica delle particelle subnucleari. Ovviamente, in questo caso, la questione del movimento non si pone, diciamo,atomo nella quinta dimensione. Piuttosto, questa dimensione dovrebbe essere pensata come se fosse all'interno dell'atomo.
Per qualche tempo la teoria di Klauz-Klein è stata dimenticata, ma quando le interazioni forte, debole ed elettromagnetica sono state combinate in un'unica teoria, e restava da trovare una teoria generale per loro e per la gravità, la teoria di Klauz-Klein è stata ricordata nuovamente. Per eseguire tutte le operazioni di simmetria necessarie, è stato necessario aggiungere altre 7 dimensioni (l'intero spazio nel suo complesso è risultato essere 11-dimensionale). E affinché queste dimensioni aggiuntive non si sentano, devono essere arrotolate su una scala molto piccola. Tuttavia, ora sorge la domanda: se una dimensione può essere arrotolata solo in un cerchio, allora sette dimensioni possono essere rotolate in una figura di varie topologie (o in un toro a 7 dimensioni, o in una sfera a 7 dimensioni, o in qualche altra figura). Il modello più semplice, verso cui la maggior parte degli scienziati si avvicina, è la 7-sfera (7-sfera). Come previstole quattro dimensioni dello spazio-tempo attualmente osservate non sono collassate, poiché questo stato corrisponde all'energia più bassa (alla quale tendono tutti i sistemi fisici). C'è un'ipotesi secondo la quale nelle prime fasi della vita dell'Universo, tutte queste dimensioni sono state dispiegate.
Un'enorme varietà di sistemi e strutture naturali, le loro caratteristiche e il dinamismo sono determinati dall'interazione di oggetti materiali, ad es. la loro azione reciproca l'uno sull'altro. È l'interazione che è la ragione principale del movimento della materia, quindi l'interazione, come il movimento, è universale, ad es. è inerente a tutti gli oggetti materiali, indipendentemente dalla loro natura di origine e organizzazione sistemica. Le caratteristiche di varie interazioni determinano le condizioni di esistenza e le specificità delle proprietà degli oggetti materiali.
Gli oggetti interagenti scambiano energia e - le caratteristiche principali del loro movimento. Nella fisica classica, l'interazione è determinata dalla forza con cui un oggetto materiale agisce su un altro.
Per molto tempo si è creduto che l'interazione di oggetti materiali, anche a grande distanza l'uno dall'altro, fosse trasmessa istantaneamente attraverso lo spazio vuoto. Questa affermazione è coerente con il concetto di azione a distanza. Ormai, un altro concetto è stato confermato sperimentalmente: il concetto di azione a corto raggio: le interazioni vengono trasmesse attraverso campi fisici con una velocità finita che non supera la velocità della luce nel vuoto. Questo, in sostanza, il concetto di campo nella teoria quantistica dei campi è completato dall'affermazione: per ogni interazione, c'è uno scambio di particelle speciali - quanti di campo.
Le interazioni di oggetti materiali e sistemi osservati in natura sono molto diverse. Tuttavia, come dimostrato dagli studi fisici, tutte le interazioni possono essere attribuite a quattro tipi di interazioni fondamentali: gravitazionali, elettromagnetiche, forti e deboli.
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L'interazione gravitazionale si manifesta nell'attrazione reciproca di qualsiasi oggetto materiale con massa. Viene trasmesso per mezzo di un campo gravitazionale ed è determinato da una legge fondamentale della natura: la legge della gravitazione universale. La legge della gravitazione universale descrive la caduta dei corpi materiali nel campo della Terra, il moto dei pianeti del sistema solare, delle stelle, ecc.
In accordo con la teoria quantistica dei campi, i portatori dell'interazione gravitazionale sono i gravitoni - particelle con massa zero, quanti del campo gravitazionale. L'interazione elettromagnetica è causata da cariche elettriche e viene trasmessa tramite campi elettrici e magnetici. Un campo elettrico sorge in presenza di cariche elettriche e un campo magnetico quando si muovono. Un campo magnetico mutevole genera un campo elettrico alternato, che, a sua volta, è una sorgente di un campo magnetico alternato.
A causa dell'interazione elettromagnetica, esistono atomi e molecole, avvengono trasformazioni chimiche della materia. Vari stati di aggregazione, attrito, elasticità, ecc. sono determinati dalle forze dell'interazione intermolecolare, di natura elettromagnetica. L'interazione elettromagnetica è descritta dalle leggi fondamentali dell'elettrostatica e dell'elettrodinamica: la legge di Coulomb, la legge di Ampere, ecc. E in forma generalizzata - dalla teoria elettromagnetica di Maxwell, che mette in relazione i campi elettrici e magnetici. La ricezione, la trasformazione e l'applicazione di campi elettrici e magnetici, nonché la corrente elettrica, servono come base per la creazione di una varietà di mezzi tecnici moderni: apparecchi elettrici, radio, televisori, dispositivi di illuminazione e riscaldamento, computer, ecc.
Secondo l'elettrodinamica quantistica, i portatori dell'interazione elettromagnetica sono i fotoni, quanti del campo elettromagnetico con massa zero. In molti casi, vengono registrati da strumenti sotto forma di onde elettromagnetiche di diverse lunghezze. Ad esempio, la luce visibile percepita ad occhio nudo, attraverso la quale viene riflessa la maggior parte (circa il 90%) delle informazioni sul mondo circostante, è un'onda elettromagnetica in un intervallo di lunghezze d'onda piuttosto ristretto (circa 0,4-0,8 micron), corrispondente alla massima radiazione solare.
La forte interazione garantisce il legame dei nucleoni nel nucleo. È determinato da forze nucleari che possiedono indipendenza dalla carica, azione a corto raggio, saturazione e altre proprietà. Le interazioni forti sono responsabili della stabilità dei nuclei atomici. Più forte è l'interazione dei nucleoni nel nucleo, più stabile è il nucleo, maggiore è la sua energia di legame specifica. Con un aumento del numero di nucleoni nel nucleo e, di conseguenza, della dimensione del nucleo, l'energia di legame specifica diminuisce e il nucleo può decadere, come avviene con i nuclei degli elementi alla fine della tavola periodica.
Si presume che la forte interazione sia trasmessa dai gluoni - particelle che "aderiscono" ai quark che fanno parte di protoni, neutroni e altre particelle.
Tutte le particelle elementari, ad eccezione del fotone, partecipano all'interazione debole. Determina la maggior parte dei decadimenti delle particelle elementari, l'interazione dei neutrini con la materia e altri processi. La debole interazione si manifesta principalmente nei processi di decadimento beta di nuclei atomici di molti isotopi, neutroni liberi, ecc. È generalmente accettato che i portatori dell'interazione debole siano i vioni, particelle con una massa circa 100 volte quella dei protoni e dei neutroni.
Ad oggi, una teoria unificata per descrivere le interazioni non è stata ancora completamente sviluppata, ma la maggior parte degli scienziati è incline alla formazione dell'Universo a seguito del Big Bang: al momento zero, l'Universo è sorto da una singolarità, cioè da un punto con volume zero e densità e temperatura infinitamente elevate. Lo stesso "inizio" dell'Universo, cioè il suo stato, corrispondente, secondo calcoli teorici, a un raggio prossimo allo zero, sfugge anche a un concetto teorico. Il punto è che le equazioni dell'astrofisica relativistica rimangono valide fino a una densità dell'ordine di 1093 g / cm3. L'Universo, compresso a una tale densità, una volta aveva un raggio dell'ordine di un decimilionesimo di centimetro, cioè era di dimensioni paragonabili a un protone! La temperatura di questo microverso, tra l'altro, che pesava almeno 1051 tonnellate, era incredibilmente alta e, a quanto pare,vicino a 1032 gradi. L'Universo era una minuscola frazione di secondo dopo l'inizio dell '"esplosione". Proprio "all'inizio" sia la densità che la temperatura girano all'infinito, cioè questo "inizio", usando la terminologia matematica, è quel punto "singolare" speciale per cui le equazioni della fisica teorica moderna perdono il loro significato fisico. Ma questo non significa che non ci fosse nulla prima dell '"inizio": semplicemente non possiamo immaginare cosa fosse prima dell' "inizio" condizionale dell'Universo. (3)che non c'era niente prima dell '"inizio": semplicemente non possiamo immaginare cosa ci fosse prima dell' "inizio" condizionale dell'Universo. (3)che non c'era niente prima dell '"inizio": semplicemente non possiamo immaginare cosa ci fosse prima dell' "inizio" condizionale dell'Universo. (3)
Quando l'età dell'Universo ha raggiunto il centesimo di secondo, la sua temperatura è scesa a circa 1011 K, scendendo al di sotto del valore di soglia al quale possono essere prodotti protoni e neutroni, alcune di queste particelle sono sfuggite all'annichilazione, altrimenti non ci sarebbe materia nel nostro Universo moderno. Un secondo dopo il Big Bang, la temperatura è scesa a 10-10 K ei neutrini hanno smesso di interagire con la materia. L'universo è diventato praticamente "trasparente" per i neutrini. Elettroni e positroni continuavano ancora ad annichilirsi ed emergere di nuovo, ma dopo circa 10 secondi il livello di densità di energia della radiazione scese al di sotto della loro soglia e un numero enorme di elettroni e positroni si trasformò in radiazione da un processo catastrofico di annichilazione reciproca. Alla fine di questo processo, però, rimane un certo numero di elettroni, sufficiente a farlounendosi con protoni e neutroni, danno origine alla quantità di materia che osserviamo oggi nell'Universo.
L'ulteriore storia dell'Universo è più calma del suo turbolento inizio. La velocità di espansione rallentò gradualmente, la temperatura, come la densità media, diminuì gradualmente e quando l'Universo aveva un milione di anni, la sua temperatura divenne così bassa (3500 gradi Kelvin) che protoni e nuclei di atomi di elio potevano già catturare elettroni liberi e trasformarsi in atomi neutri. Da questo momento, in sostanza, inizia la fase moderna dell'evoluzione dell'Universo. Appaiono galassie, stelle, pianeti. Alla fine, molti miliardi di anni dopo, l'universo è diventato ciò che lo vediamo.
Ma questa non è l'unica ipotesi. Secondo una delle ipotesi, l'Universo ha iniziato ad espandersi in modo caotico e casuale, quindi, sotto l'azione di un meccanismo di dissipazione (smorzamento), è sorto un certo ordine. Tale ipotesi di caos primario completo, in opposizione alla completa simmetria primaria, è attraente perché non richiede la "creazione" dell'Universo in uno stato strettamente definito. Se gli scienziati riescono a trovare un meccanismo di smorzamento adeguato, ciò consentirà di concordare con la forma ora osservabile dell'Universo una gamma molto ampia di condizioni iniziali.
Una delle ipotesi più comuni sul meccanismo di dissipazione è l'ipotesi della creazione di particelle e antiparticelle dall'energia prodotta dagli effetti di marea in un campo gravitazionale. Le particelle e le antiparticelle nascono nello spazio "vuoto" curvo (simile al caso dello spazio curvato da un buco nero) e lo spazio reagisce a tale nascita diminuendo la curvatura. Più lo spazio-tempo è curvo, più intensa si verifica la creazione di particelle e antiparticelle. In un Universo disomogeneo, tali effetti avrebbero dovuto equalizzare tutto, creando uno stato di omogeneità. È anche possibile che tutta la materia nell'Universo sia nata in questo modo, e non da una singolarità. Un tale processo non richiede la nascita della materia senza antimateria, come nella singolarità originale. La difficoltà con questa ipotesi, tuttavia, è quellache finora non è stato possibile trovare un meccanismo per separare materia e antimateria, che non consentirebbe alla maggior parte di loro di annichilirsi di nuovo.
Da un lato, l'esistenza di disomogeneità potrebbe salvarci dalla singolarità, ma George Ellis e Stephen Hawking utilizzando modelli matematici hanno dimostrato che, tenendo conto di alcune proposizioni molto plausibili sul comportamento della materia, ad alte pressioni, l'esistenza di almeno una singolarità non può essere esclusa, anche se deviazioni dall'uniformità. Il comportamento di un universo anisotropo e disomogeneo in passato vicino a una singolarità potrebbe essere molto complesso ed è molto difficile costruire qui dei modelli. È più facile utilizzare i modelli di Friedman, che prevedono il comportamento dell'universo dalla nascita alla morte (nel caso di una topologia sferica). Sebbene le deviazioni dall'uniformità non liberino il nostro universo da una singolarità nello spazio-tempo, tuttavia, è possibileche la maggior parte della materia attualmente disponibile nell'Universo non rientrava in questa singolarità. Esplosioni di questo tipo, quando materia di altissima densità, ma non di densità infinita, appare in prossimità di una singolarità, sono state chiamate "lamento". Tuttavia, il teorema di Hawkin-Ellis richiede che l'energia e la pressione rimangano positive. Non vi è alcuna garanzia che queste condizioni siano soddisfatte a densità di materia estremamente elevate.
Si presume che gli effetti quantistici, ma non nella materia, ma nello spazio-tempo (gravità quantistica), che diventano molto significativi ad alti valori di curvatura spazio-temporale, potrebbero impedire la scomparsa dell'Universo ad una singolarità, provocando, ad esempio, un "rimbalzo" materia a una densità sufficientemente elevata. Tuttavia, a causa della mancanza di una teoria soddisfacente della gravità quantistica, il ragionamento non fornisce conclusioni chiare. Se accettiamo l'ipotesi del "gemito" o del "rimbalzo" quantistico, significa che lo spazio e il tempo esistevano prima di questi eventi.
Dopo la scoperta dell'espansione dell'Universo, nel 1946, gli astrofisici britannici Herman Bondi e Thomas Gold hanno suggerito che, tuttavia, poiché l'Universo è omogeneo nello spazio, deve essere omogeneo nel tempo. In questo caso, dovrebbe espandersi a una velocità costante e, per evitare una diminuzione della densità della materia, dovrebbero essere formate continuamente nuove galassie, che riempiranno i vuoti formati dalla dispersione delle galassie esistenti. La sostanza per costruire nuove galassie appare continuamente mentre l'universo si espande. Un tale universo non è statico, ma stazionario: le singole stelle e galassie attraversano i loro cicli di vita, ma nel complesso l'universo non ha inizio né fine. Per spiegare come appare la materia senza violare la legge di conservazione dell'energia,Fred Hoyle ha inventato un nuovo tipo di campo, creando un campo con energia negativa. Quando si forma una sostanza, l'energia negativa di questo campo viene amplificata e l'energia totale viene conservata.
La frequenza di produzione degli atomi in questo modello è così bassa che non può essere rilevata sperimentalmente. Verso la metà degli anni '60 furono fatte scoperte che indicavano che l'universo si stava evolvendo. Quindi, è stata scoperta la radiazione termica di fondo, che indica che l'Universo era in uno stato denso e caldo diversi miliardi di anni fa e quindi non può essere stazionario.
Tuttavia, da un punto di vista filosofico, il concetto di universo non nato e non morente è molto attraente. È possibile combinare i meriti filosofici dell'universo stazionario con la teoria del big bang nei modelli di un universo oscillante. Questo modello cosmologico si basa sul modello di Friedmann con contrazione, integrato dal presupposto che l'universo non perisce quando le singolarità si verificano in entrambi i tempi "finisce", ma passa uno stato superdenso e fa un "salto" nel successivo ciclo di espansione e contrazione. Questo processo può continuare indefinitamente. Tuttavia, per non accumulare entropia e radiazione di fondo da precedenti cicli di espansione-contrazione, si dovrà accettare che allo stadio di alta densità tutte le leggi termodinamiche siano violate (quindi, l'entropia non si accumula),tuttavia, si presume la conservazione delle leggi della teoria della relatività. Nella sua espressione estrema, un tale punto di vista presuppone che tutte le leggi e le costanti del mondo in ogni ciclo saranno nuove, e poiché nulla è preservato da ciclo a ciclo, allora possiamo parlare di universi fisicamente non correlati tra loro. Con lo stesso successo, si può presumere l'esistenza simultanea di un insieme infinito di universi, alcuni dei quali possono essere simili al nostro. Queste conclusioni sono di natura puramente filosofica e non possono essere confutate né dall'esperimento né dall'osservazione. (13)Con lo stesso successo, si può presumere l'esistenza simultanea di un insieme infinito di universi, alcuni dei quali possono essere simili al nostro. Queste conclusioni sono di natura puramente filosofica e non possono essere confutate né dall'esperimento né dall'osservazione. (13)Con lo stesso successo, si può presumere l'esistenza simultanea di un insieme infinito di universi, alcuni dei quali possono essere simili al nostro. Queste conclusioni sono di natura puramente filosofica e non possono essere confutate né dall'esperimento né dall'osservazione. (13)
Poiché ci sono molte ipotesi per la creazione dell'Universo, la ricerca di una teoria di tutto è altrettanto diversificata: il modello standard, la teoria delle stringhe, la teoria M, la teoria estremamente semplice di tutto, le teorie della Grande Unificazione, ecc.
Il Modello Standard è una costruzione teorica nella fisica delle particelle elementari che descrive le interazioni elettromagnetiche, deboli e forti di tutte le particelle elementari. Il modello standard non include la gravità. Fino ad ora, tutte le previsioni del Modello Standard sono state confermate da esperimenti, a volte con una precisione fantastica di un milionesimo di punto percentuale. È solo negli ultimi anni che hanno cominciato a comparire risultati in cui le previsioni del Modello Standard sono leggermente in contrasto con la sperimentazione, e anche con fenomeni estremamente difficili da interpretare nel suo quadro. D'altra parte, è ovvio che il Modello Standard non può essere l'ultima parola nella fisica delle particelle, perché contiene troppi parametri esterni e inoltre non include la gravità. Pertanto, la ricerca di deviazioni dal modello standard è stata una delle aree di ricerca più attive negli ultimi anni.
La teoria delle stringhe è una branca della fisica matematica che studia le dinamiche e le interazioni non di particelle puntiformi, ma di oggetti estesi unidimensionali, le cosiddette stringhe quantistiche. La teoria delle stringhe combina le idee della meccanica quantistica e la teoria della relatività, quindi, una futura teoria della gravità quantistica sarà probabilmente costruita sulla sua base. La teoria delle stringhe si basa sull'ipotesi che tutte le particelle elementari e le loro interazioni fondamentali sorgano come risultato di vibrazioni e interazioni di stringhe quantistiche ultramicroscopiche su scale dell'ordine della lunghezza di Planck di 10-35 m. Questo approccio, da un lato, evita tali difficoltà della teoria quantistica dei campi come la rinormalizzazione, d'altra parte, porta ad uno sguardo più profondo alla struttura della materia e dello spazio-tempo.
La teoria quantistica delle stringhe è emersa all'inizio degli anni '70 come risultato della comprensione delle formule di Gabriele Veneziano relative ai modelli di stringa della struttura adronica. La metà degli anni '80 e la metà degli anni '90 videro il rapido sviluppo della teoria delle stringhe e ci si aspettava che nel prossimo futuro sarebbe stata formulata una "teoria di tutto" sulla base della teoria delle stringhe. Ma, nonostante il rigore matematico e l'integrità della teoria, non sono state ancora trovate opzioni per la conferma sperimentale della teoria delle stringhe. La teoria che nacque per descrivere la fisica adronica, ma non si adattava perfettamente a questo, si trovò in una sorta di vuoto sperimentale di descrizione di tutte le interazioni.
La teoria M (teoria della membrana) è una moderna teoria fisica creata con l'obiettivo di combinare le interazioni fondamentali. La cosiddetta "brane" (membrana multidimensionale) è usata come oggetto di base - un oggetto bidimensionale esteso o con un gran numero di dimensioni. A metà degli anni '90, Edward Witten e altri fisici teorici hanno trovato prove evidenti che varie teorie sulle superstringhe rappresentano diversi casi limite di una teoria M a 11 dimensioni non ancora sviluppata. A metà degli anni '80, i teorici giunsero alla conclusione che la supersimmetria, che è centrale per la teoria delle stringhe, poteva essere incorporata in essa non in uno ma cinque modi diversi, portando a cinque diverse teorie: tipo I, tipi IIA e IIB e due eterotiche teorie delle stringhe. Solo uno di loro potrebbe affermare di essere una "teoria del tutto", e l'unicoche a basse energie e compattate sei dimensioni extra sarebbero d'accordo con osservazioni reali. Rimanevano domande su quale teoria fosse più adeguata e cosa fare con le altre quattro teorie.
Una teoria eccezionalmente semplice di tutto - una teoria di campo unificata che unisce tutte le interazioni fisiche conosciute che esistono in natura, proposta dal fisico americano Garrett Lisi il 6 novembre 2007. La teoria è interessante per la sua eleganza, ma richiede un serio miglioramento. Alcuni noti fisici hanno già espresso il loro sostegno, ma nella teoria sono state scoperte una serie di imprecisioni e problemi.
Teorie della Grande Unificazione - nella fisica delle particelle elementari, un gruppo di modelli teorici che descrivono in modo unificato le interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche. Si presume che a energie estremamente elevate, queste interazioni si combinano. (10)
Si può affermare con assoluta certezza che le scoperte e le teorie future arricchiranno, e non rigetteranno, l'Universo che Pitagora, Aristarco, Keplero, Newton ed Einstein ci hanno scoperto - un Universo armonioso come l'Universo di Platone e Pitagora, ma costruito sull'armonia contenuta in leggi matematiche; L'Universo non è meno perfetto dell'Universo di Aristotele, ma trae la sua perfezione dalle leggi astratte della simmetria; Un Universo in cui il vuoto sconfinato degli spazi intergalattici è inondato di luce soffusa, portando messaggi dalle profondità del tempo che ci sono ancora incomprensibili; L'universo, che ha un inizio nel tempo, ma non ha inizio né fine nello spazio, che, forse, si espanderà per sempre, e forse un bel momento, avendo smesso di espandersi, inizierà a contrarsi. Questo universo non è affatto come quelloche è stato raffigurato nelle menti coraggiose di coloro che per primi hanno osato porre la domanda: "Com'è veramente il nostro mondo?" Ma penso che dopo averlo appreso, non si siano arrabbiati.
- Prima parte -
