- Seconda parte -
La teoria unificata dell'universo, o teoria del tutto, è un'ipotetica teoria fisica e matematica unificata che descrive tutte le interazioni fondamentali conosciute. Il termine era originariamente usato ironicamente per riferirsi a una varietà di teorie generalizzate. Nel corso del tempo, il termine si è radicato nella divulgazione della fisica quantistica per denotare una teoria che combinerebbe tutte e quattro le interazioni fondamentali in natura: interazioni gravitazionali, elettromagnetiche, nucleari forti e nucleari deboli. Inoltre, deve spiegare l'esistenza di tutte le particelle elementari. La ricerca di una teoria unificata è definita uno degli obiettivi principali della scienza moderna.
L'idea di una teoria unificata è nata grazie alla conoscenza accumulata da più di una generazione di scienziati. Man mano che la conoscenza veniva acquisita, la comprensione dell'umanità del mondo circostante e delle sue leggi si espanse. Poiché il quadro scientifico del mondo è una formazione sistemica generalizzata, il suo cambiamento radicale non può essere ridotto a una scoperta scientifica separata, anche la più grande. Quest'ultima può però dar luogo a una sorta di reazione a catena capace di dare un'intera serie, un complesso di scoperte scientifiche, che alla fine porterà a un cambiamento nel quadro scientifico del mondo. In questo processo, le più importanti, ovviamente, sono le scoperte nelle scienze fondamentali su cui si basa. Inoltre, ricordando che la scienza è prima di tutto un metodo, non è difficile presumere che un cambiamento nel quadro scientifico del mondo debba significare anche una radicale ristrutturazione dei metodi per ottenere nuove conoscenze,compresi i cambiamenti nelle stesse norme e ideali della scientificità.
Lo sviluppo dell'idea del mondo non è avvenuto immediatamente. Cambiamenti radicali così chiaramente e inequivocabilmente fissati nei quadri scientifici del mondo, ad es. Ci sono tre rivoluzioni scientifiche nella storia dello sviluppo della scienza in generale e delle scienze naturali in particolare. Se sono personificati dai nomi degli scienziati che hanno svolto il ruolo più evidente in questi eventi, allora le tre rivoluzioni scientifiche globali dovrebbero essere chiamate aristotelica, newtoniana ed Einstein.
Nei secoli VI - IV. AVANTI CRISTO. fu compiuta la prima rivoluzione nella conoscenza del mondo, a seguito della quale nacque la scienza stessa. Il significato storico di questa rivoluzione sta nel distinguere la scienza da altre forme di cognizione e padroneggiare il mondo, nella creazione di certe norme e modelli per la costruzione della conoscenza scientifica. Naturalmente, il problema dell'origine dell'Universo ha occupato le menti delle persone per molto tempo.
Secondo una serie di antichi miti giudaico-cristiani-musulmani, il nostro universo è emerso in un momento certo e non molto lontano nel passato. Uno dei fondamenti di tali credenze era la necessità di trovare la "causa principale" dell'universo. Qualsiasi evento nell'Universo si spiega indicando la sua causa, cioè un altro evento accaduto prima; una tale spiegazione dell'esistenza dell'Universo stesso è possibile solo se ha avuto un inizio. Un'altra base è stata avanzata dal Beato Agostino (la Chiesa Ortodossa considera Beato Agostino e la Chiesa Cattolica - santo). nel libro "City of God". Ha sottolineato che la civiltà sta progredendo e noi ricordiamo chi ha commesso questo o quell'atto e chi ha inventato cosa. Pertanto, l'umanità, e quindi, probabilmente, l'Universo, è improbabile che esista per molto tempo. Il beato Agostino ritenne accettabile la data di creazione dell'Universo, corrispondente al libro della Genesi: circa 5000 a. C. (È interessante notare che questa data non è così lontana dalla fine dell'ultima era glaciale - 10.000 aC, che gli archeologi considerano l'inizio della civiltà).
Ad Aristotele e alla maggior parte degli altri filosofi greci non piaceva l'idea della creazione dell'universo, poiché era associata all'intervento divino. Pertanto, credevano che le persone e il mondo che li circonda esistessero e continueranno ad esistere per sempre. Gli antichi scienziati considerarono l'argomento riguardante il progresso della civiltà e decisero che nel mondo si verificassero periodicamente inondazioni e altri cataclismi, che per tutto il tempo riportarono l'umanità al punto di partenza della civiltà.
Aristotele ha creato la logica formale, ad es. infatti, la dottrina della prova è lo strumento principale per derivare e sistematizzare la conoscenza; ha sviluppato un apparato categoriale e concettuale; approvato una sorta di canone per l'organizzazione della ricerca scientifica (storia del problema, formulazione del problema, argomenti "a favore" e "contro", giustificazione della decisione); la conoscenza scientifica oggettivamente differenziata stessa, separando le scienze della natura dalla metafisica (filosofia), dalla matematica, ecc. Le norme della natura scientifica della conoscenza fissate da Aristotele, i modelli di spiegazione, descrizione e giustificazione nella scienza hanno goduto di un'autorità indiscutibile per più di mille anni, e molto (le leggi della logica formale, per esempio) è efficace fino ad oggi.
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Il frammento più importante dell'antico quadro scientifico del mondo era la coerente dottrina geocentrica delle sfere del mondo. Il geocentrismo di quell'epoca non era affatto una descrizione "naturale" di fatti osservabili direttamente. Fu un passo difficile e coraggioso verso l'ignoto: dopotutto, per l'unità e la consistenza della struttura del cosmo, era necessario integrare l'emisfero celeste visibile con uno analogo invisibile, per ammettere la possibilità dell'esistenza degli antipodi, cioè abitanti della parte opposta del globo, ecc.
Aristotele pensava che la Terra fosse immobile e che il Sole, la Luna, i pianeti e le stelle le ruotassero attorno in orbite circolari. Credeva di sì, perché in accordo con le sue visioni mistiche, considerava la Terra il centro dell'Universo e il movimento circolare - il più perfetto. Tolomeo sviluppò l'idea di Aristotele in un modello cosmologico completo nel secondo secolo. La Terra si trova al centro, circondata da otto sfere che portano la Luna, il Sole e cinque pianeti allora conosciuti: Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno (Fig. 1.1). I pianeti stessi, credeva Tolomeo, si muovono in cerchi più piccoli attaccati alle sfere corrispondenti. Questo ha spiegato il percorso molto difficile che, come vediamo, i pianeti prendono. Sull'ultima sfera ci sono stelle fisse che, rimanendo nella stessa posizione l'una rispetto all'altra, si muovono tutte insieme nel cielo. Cosa si cela dietro l'ultima sfera non è stato spiegato, ma in ogni caso non faceva più parte dell'Universo che l'umanità osserva.
Il modello di Tolomeo ha permesso di prevedere bene la posizione dei corpi celesti nel cielo, ma per una previsione accurata ha dovuto accettare che la traiettoria della Luna in alcuni punti si avvicina alla Terra 2 volte più vicino che in altri! Ciò significa che in una posizione la Luna dovrebbe apparire 2 volte più grande che in un'altra! Tolomeo era a conoscenza di questo difetto, ma nondimeno la sua teoria fu accettata, sebbene non ovunque. La Chiesa Cristiana ha accettato il modello tolemaico dell'universo come non incompatibile con la Bibbia, perché questo modello era molto buono in quanto lasciava molto spazio per l'inferno e il paradiso al di fuori della sfera delle stelle fisse. Tuttavia, nel 1514 il sacerdote polacco Niccolò Copernico propose un modello ancora più semplice. (All'inizio, temendo, forse, che la Chiesa lo dichiarasse eretico, Copernico propagò il suo modello in modo anonimo). La sua idea erache il Sole è fermo al centro e che la Terra e altri pianeti ruotano attorno ad esso in orbite circolari. Passò quasi un secolo prima che l'idea di Copernico fosse presa sul serio. Due astronomi - il tedesco Johannes Kepler e l'italiano Galileo Galilei - sostenevano pubblicamente la teoria di Copernico, anche se le orbite predette da Copernico non coincidevano del tutto con quelle osservate. La teoria di Aristotele-Tolomeo terminò nel 1609, quando Galileo iniziò ad osservare il cielo notturno con il suo telescopio di nuova invenzione. Puntando un telescopio sul pianeta Giove, Galileo scoprì diversi piccoli satelliti, o lune, in orbita attorno a Giove. Ciò significava che non tutti i corpi celesti dovevano necessariamente ruotare direttamente intorno alla Terra, come credevano Aristotele e Tolomeo. (Naturalmente, si potrebbe ancora considerareche la Terra si trova al centro dell'universo e le lune di Giove si muovono lungo un percorso molto complesso attorno alla Terra, così che sembra che ruotino solo attorno a Giove. Tuttavia, la teoria di Copernico era molto più semplice.) Allo stesso tempo, Johannes Keplero modificò la teoria di Copernico, basandosi sul presupposto che i pianeti non si muovono in cerchi, ma in ellissi (un'ellisse è un cerchio allungato). Infine, ora le previsioni hanno coinciso con i risultati delle osservazioni. Infine, ora le previsioni hanno coinciso con i risultati delle osservazioni. Infine, ora le previsioni coincidevano con le osservazioni.
Quanto a Keplero, le sue orbite ellittiche erano un'ipotesi artificiale e, inoltre, "inelegante", poiché un'ellisse è una figura molto meno perfetta di un cerchio. Trovando quasi per caso che le orbite ellittiche erano in buon accordo con le osservazioni, Keplero non fu in grado di conciliare questo fatto con la sua idea che i pianeti ruotino attorno al sole sotto l'influenza di forze magnetiche. La spiegazione arrivò solo molto più tardi, nel 1687, quando Isaac Newton pubblicò il suo libro "Principi matematici della filosofia naturale". In esso, Newton non solo ha avanzato una teoria del moto dei corpi materiali nel tempo e nello spazio, ma ha anche sviluppato metodi matematici complessi necessari per analizzare il moto dei corpi celesti.
Inoltre, Newton ha postulato la legge della gravitazione universale, secondo la quale ogni corpo nell'Universo è attratto da qualsiasi altro corpo con la forza maggiore, maggiore è la massa di questi corpi e minore è la distanza tra loro. Questa è la forza stessa che fa cadere i corpi a terra. (La storia secondo cui Newton è stato ispirato da una mela che gli è caduta sulla testa è quasi certamente inaffidabile. Lo stesso Newton ha detto a questo proposito solo che l'idea della gravità è nata quando era seduto in uno "stato d'animo contemplativo", e "il motivo era la caduta della mela") …
Inoltre, Newton ha dimostrato che, secondo la sua legge, la Luna sotto l'azione delle forze gravitazionali si muove in un'orbita ellittica attorno alla Terra, e la Terra ei pianeti ruotano in orbite ellittiche attorno al Sole. (8) Il modello di Newton è un corpo che si muove uniformemente nello spazio infinito assoluto e direttamente fino a quando su questo corpo agisce una forza (la prima legge della meccanica) o due corpi che agiscono l'uno sull'altro con forze uguali e opposte (la terza legge della meccanica); la forza stessa è considerata semplicemente la causa dell'accelerazione dei corpi in movimento (seconda legge della meccanica), cioè come se esistesse da sola e dal nulla provenga.
Newton mantenne la considerazione della meccanica come teoria fisica universale. Nel XIX secolo. questo posto è stato preso da un'immagine meccanicistica del mondo, che include la meccanica, la termodinamica e la teoria cinetica della materia, la teoria elastica della luce e l'elettromagnetismo. La scoperta dell'elettrone ha stimolato una revisione delle idee. Alla fine del secolo, H. Lorenz costruì la sua teoria elettronica per coprire tutti i fenomeni naturali, ma non ci riuscì. Problemi associati alla discrezione della carica e alla continuità del campo, e problemi nella teoria della radiazione ("catastrofe ultravioletta") hanno portato alla creazione di un quadro quantistico del mondo e della meccanica quantistica.
Einstein ha fornito un classico esempio dell'uso di concetti astratti per spiegare la natura nel 1915, pubblicando la sua teoria della relatività generale davvero epocale. Questo lavoro è uno dei pochi che segnano punti di svolta nella percezione dell'uomo del mondo che lo circonda. La bellezza della teoria di Einstein è dovuta non solo alla potenza e all'eleganza delle equazioni del campo gravitazionale, ma anche al travolgente radicalismo delle sue opinioni. La relatività generale ha affermato con sicurezza che la gravità è la geometria dello spazio curvo. Il concetto di accelerazione nello spazio è stato sostituito dal concetto di curvatura dello spazio. (2)
Dopo la creazione di SRT, ci si aspettava che la copertura universale del mondo naturale potesse essere fornita da un'immagine elettromagnetica del mondo, che combinava la teoria della relatività, la teoria di Maxwell e la meccanica, ma questa illusione fu presto dissipata.
La teoria della relatività speciale (SRT) (teoria della relatività speciale; meccanica relativistica) è una teoria che descrive il moto, le leggi della meccanica e le relazioni spazio-temporali a velocità vicine alla velocità della luce. Nell'ambito della teoria della relatività speciale, la meccanica classica di Newton è un'approssimazione a bassa velocità. La generalizzazione di SRT per i campi gravitazionali è chiamata teoria della relatività generale (GRT). SRT si basa su due postulati:
1. In tutti i sistemi di riferimento inerziali, la velocità della luce è invariata (è un invariante) e non dipende dal movimento della sorgente, del ricevitore o del frame stesso. Nella meccanica classica di Galileo-Newton, la velocità di avvicinamento relativo di due corpi è sempre maggiore delle velocità di questi corpi e dipende sia dalla velocità di un oggetto che dalla velocità di un altro. Pertanto, troviamo difficile credere che la velocità della luce non dipenda dalla velocità della sua fonte, ma questo è un fatto scientifico.
2. Lo spazio e il tempo reali formano un unico continuum spazio-temporale quadridimensionale in modo che durante la transizione tra sistemi di riferimento il valore dell'intervallo spazio-temporale tra gli eventi rimanga invariato. In SRT, non ci sono eventi simultanei in tutti i frame di riferimento. Qui, due eventi, simultanei in un quadro di riferimento, appaiono diversi nel tempo dal punto di vista di un altro, in movimento oa riposo, quadro di riferimento.
La teoria della relatività speciale conserva tutte le definizioni di base della fisica classica: impulso, lavoro, energia. Ma ce n'è anche una nuova: prima di tutto, la dipendenza della massa dalla velocità di movimento. Pertanto, non è possibile utilizzare l'espressione classica per l'energia cinetica, perché è stata ottenuta assumendo che la massa dell'oggetto rimanga invariata.
Molti teorici hanno cercato di abbracciare la gravità e l'elettromagnetismo con equazioni unificate. Sotto l'influenza di Einstein, che introdusse lo spazio-tempo quadridimensionale, furono costruite teorie dei campi multidimensionali nel tentativo di ridurre i fenomeni alle proprietà geometriche dello spazio.
L'unificazione è stata effettuata sulla base della stabilita indipendenza della velocità della luce per diversi osservatori che si muovono nello spazio vuoto in assenza di forze esterne. Einstein ha rappresentato la linea del mondo dell'oggetto su un piano (Fig. 2), dove l'asse spaziale è diretto orizzontalmente e l'asse temporale è diretto verticalmente. Quindi la linea verticale è la linea del mondo dell'oggetto, che è fermo nel dato sistema di riferimento, e la linea obliqua è l'oggetto che si muove a velocità costante. La linea del mondo curva corrisponde al movimento accelerato dell'oggetto. Ogni punto su questo piano corrisponde a una posizione in un dato luogo in un dato momento ed è chiamato evento. In questo caso, la gravità non è più una forza che agisce sullo sfondo passivo dello spazio e del tempo, ma è una distorsione dello spazio-tempo stesso. Dopo tutto, il campo gravitazionale è “la curvatura dello spazio-tempo.
Fig. 2. Diagramma spazio-temporale
Subito dopo la sua creazione (1905), la teoria della relatività speciale cessò di adattarsi a Einstein e iniziò a lavorare sulla sua generalizzazione. La stessa cosa è successa con la relatività generale. Nel 1925 Einstein iniziò a lavorare sulla teoria, che era destinato a studiare con brevi interruzioni fino alla fine dei suoi giorni. Il problema principale che lo preoccupava - la natura delle fonti sul campo - aveva già una certa storia quando Einstein lo riprese. Perché le particelle non si sfaldano, per esempio? Dopotutto, un elettrone trasporta una carica negativa e le cariche negative si respingono a vicenda, ad es. l'elettrone dovrebbe esplodere dall'interno per la repulsione delle zone limitrofe!
In un certo senso, questo problema è persistito fino ad oggi. Non è stata ancora costruita una teoria soddisfacente che descriva le forze che agiscono all'interno dell'elettrone, ma le difficoltà possono essere aggirate supponendo che l'elettrone non abbia una struttura interna: è una carica puntiforme che non ha dimensioni e, quindi, non può essere strappata dall'interno.
Tuttavia, è generalmente accettato che le principali disposizioni della cosmologia moderna - la scienza della struttura e dell'evoluzione dell'Universo - abbiano iniziato a formarsi dopo la creazione nel 1917 da A. Einstein del primo modello relativistico basato sulla teoria della gravità e che pretende di descrivere l'intero Universo. Questo modello ha caratterizzato lo stato stazionario dell'Universo e, come dimostrato dalle osservazioni astrofisiche, si è rivelato errato.
Un passo importante nella risoluzione dei problemi cosmologici fu compiuto nel 1922 dal professore dell'Università di Pietrogrado A. A. Friedman (1888-1925). Come risultato della risoluzione delle equazioni cosmologiche, è giunto alla conclusione: l'Universo non può essere in uno stato stazionario - tutte le galassie si stanno allontanando in una direzione in avanti l'una dall'altra, e quindi erano tutte nello stesso posto.
Il passo successivo fu compiuto nel 1924, quando l'astronomo americano E. Hubble (1889-1953) misurò la distanza dalle galassie più vicine (a quel tempo chiamate nebulose) all'Osservatorio di Mount Wilson in California, scoprendo così il mondo delle galassie. Quando gli astronomi iniziarono a esaminare gli spettri di stelle in altre galassie, fu scoperto qualcosa di ancora più strano: la nostra galassia aveva gli stessi set caratteristici di colori mancanti delle stelle, ma erano tutti spostati della stessa quantità verso l'estremità rossa dello spettro. La luce visibile è vibrazioni o onde del campo elettromagnetico. La frequenza (numero di onde al secondo) delle vibrazioni luminose è estremamente alta, da quattrocento a settecento milioni di onde al secondo. L'occhio umano percepisce la luce di frequenze diverse come colori diversi, con le frequenze più basse corrispondenti all'estremità rossa dello spettro,e il più alto al viola. Immagina una fonte di luce situata a una distanza fissa da noi (ad esempio una stella), che emette onde luminose a frequenza costante. Ovviamente la frequenza delle onde in arrivo sarà la stessa con cui vengono emesse (anche se il campo gravitazionale della galassia è piccolo e la sua influenza è insignificante). Supponiamo ora che la sorgente inizi a muoversi nella nostra direzione. Quando viene emessa la prossima onda, la sorgente sarà più vicina a noi, e quindi il tempo necessario alla cresta di questa onda per raggiungerci sarà inferiore rispetto al caso di una stella fissa. Di conseguenza, il tempo tra le creste delle due onde in arrivo sarà inferiore e il numero di onde che riceviamo in un secondo (cioè la frequenza) sarà maggiore di quando la stella era ferma. Quando la sorgente viene rimossa, la frequenza delle onde in arrivo sarà inferiore. Significa,che gli spettri delle stelle che si allontanano saranno spostati verso l'estremità rossa (spostamento verso il rosso) e gli spettri delle stelle in avvicinamento dovrebbero subire uno spostamento del viola. Questa relazione tra velocità e frequenza è chiamata effetto Doppler e questo effetto è comune anche nella nostra vita quotidiana. L'effetto Doppler viene utilizzato dalle forze dell'ordine, che determinano da lontano la velocità dei veicoli in base alla frequenza dei segnali radio da essi riflessi.
Avendo dimostrato che esistono altre galassie, Hubble dedicò tutti gli anni successivi alla compilazione di cataloghi delle distanze di queste galassie e all'osservazione dei loro spettri. A quel tempo, la maggior parte degli scienziati riteneva che il movimento delle galassie fosse casuale e quindi gli spettri spostati verso il lato rosso dovrebbero essere osservati tanto quanto quelli spostati verso il viola. Che sorpresa è stata quando la maggior parte delle galassie ha mostrato uno spostamento verso il rosso degli spettri, cioè si è scoperto che quasi tutte le galassie si stavano allontanando da noi! Ancora più sorprendente fu la scoperta pubblicata da Hubble nel 1929: Hubble scoprì che anche l'entità del redshift non è casuale, ma è direttamente proporzionale alla distanza da noi alla galassia. In altre parole, più una galassia è lontana, più velocemente si allontana! E questo significava che l'universo non poteva essere statico, come si pensava in precedenza,che in effetti è in continua espansione e le distanze tra le galassie crescono continuamente.
L'espansione dell'universo significa che in passato il suo volume era inferiore a quello che è ora. Se il tempo viene girato indietro nel modello dell'universo sviluppato da Einstein e Friedman, gli eventi andranno in ordine inverso, come in un film proiettato dalla fine. Poi si scopre che circa 13 miliardi di anni fa il raggio dell'Universo era molto piccolo, cioè il peso della galassia, del mezzo interstellare e della radiazione - in una parola, tutto ciò che ora compone l'Universo era concentrato in un volume trascurabile, vicino allo zero. Questo stato primario superdenso e surriscaldato dell'Universo non ha analoghi nella nostra realtà contemporanea. Si presume che a quel tempo la densità della materia nell'Universo fosse paragonabile alla densità del nucleo atomico e che l'intero Universo fosse un'enorme goccia nucleare. Per qualche ragione, la goccia nucleare era in uno stato instabile ed è esplosa. Questa ipotesi è al centro del concetto del big bang.
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