- Bahagian kedua -
Teori Bersatu Semesta, atau Teori Segala-galanya, adalah teori fizikal dan matematik bersatu hipotesis yang menerangkan semua interaksi asas yang diketahui. Pada mulanya, istilah ini digunakan secara ironis untuk merujuk kepada pelbagai teori umum. Seiring berjalannya waktu, istilah itu menjadi kuat dalam popularisasi fizik kuantum untuk menunjukkan teori yang akan menggabungkan keempat-empat interaksi asas dalam alam: graviti, elektromagnetik, nuklear kuat dan interaksi nuklear yang lemah. Lebih-lebih lagi, ia mesti menjelaskan kewujudan semua zarah unsur. Pencarian Teori Bersatu dipanggil salah satu tujuan utama sains moden.
Idea teori bersatu muncul berkat pengetahuan yang dikumpulkan oleh lebih daripada satu generasi saintis. Ketika pengetahuan diperoleh, pemahaman manusia tentang dunia sekitarnya dan undang-undangnya berkembang. Oleh kerana gambaran saintifik dunia adalah pembentukan sistemik yang umum, perubahan radikalnya tidak dapat dikurangkan menjadi penemuan ilmiah yang terpisah, walaupun yang terbesar. Yang terakhir ini, bagaimanapun, dapat menimbulkan semacam reaksi berantai yang mampu memberikan keseluruhan rangkaian, sebuah kompleks penemuan ilmiah, yang akhirnya akan membawa kepada perubahan dalam gambaran ilmiah dunia. Dalam proses ini, yang paling penting, tentu saja, adalah penemuan dalam sains asas di mana ia bergantung. Di samping itu, dengan mengingat bahawa sains adalah kaedah utama, tidak sukar untuk menganggap bahawa perubahan dalam gambaran saintifik dunia juga bermaksud penstrukturan radikal kaedah memperoleh pengetahuan baru,termasuk perubahan dalam norma dan cita-cita sains.
Perkembangan idea dunia tidak berlaku dengan segera. Perubahan radikal yang jelas dan jelas mengenai gambaran saintifik dunia, seperti Terdapat tiga revolusi saintifik dalam sejarah perkembangan sains secara umum dan sains semula jadi secara khusus. Sekiranya mereka dipersonifikasikan dengan nama para saintis yang memainkan peranan paling menonjol dalam peristiwa ini, maka tiga revolusi ilmiah global harus disebut Aristotelian, Newtonian dan Einstein.
Pada abad VI - IV. SM. revolusi pertama dalam pengetahuan dunia dilakukan, hasil dari mana sains itu sendiri lahir. Makna sejarah revolusi ini terletak pada membezakan sains dari bentuk kognisi lain dan menguasai dunia, dalam penciptaan norma dan model tertentu untuk pembinaan pengetahuan saintifik. Sudah tentu, masalah asal usul Alam Semesta telah lama menguasai minda orang.
Menurut sejumlah mitos Judeo-Kristian-Muslim awal, alam semesta kita muncul pada suatu masa dan masa yang sangat jauh pada masa lalu. Salah satu asas kepercayaan tersebut adalah perlunya mencari "punca" alam semesta. Segala kejadian di Alam Semesta dijelaskan dengan menunjukkan sebabnya, iaitu peristiwa lain yang berlaku lebih awal; penjelasan mengenai keberadaan Alam Semesta itu sendiri hanya mungkin berlaku sekiranya ia mempunyai permulaan. Dasar lain dikemukakan oleh Blessed Augustine (Gereja Ortodoks menganggap Augustine diberkati, dan Gereja Katolik - orang suci). dalam buku "Kota Tuhan". Dia menunjukkan bahawa peradaban sedang maju, dan kita ingat siapa yang melakukan ini atau perbuatan itu dan siapa yang mencipta apa. Oleh itu, kemanusiaan, dan oleh itu, mungkin, Alam Semesta, tidak mungkin wujud untuk waktu yang sangat lama. Augustine yang diberkati dianggap dapat diterima pada tarikh penciptaan Alam Semesta, sesuai dengan buku Kejadian: kira-kira 5000 SM. (Menariknya, tarikh ini tidak jauh dari akhir zaman ais terakhir - 10.000 SM, yang menurut para arkeolog adalah permulaan peradaban)
Aristoteles dan kebanyakan ahli falsafah Yunani yang lain tidak menyukai idea penciptaan alam semesta, kerana ia dikaitkan dengan campur tangan ilahi. Oleh itu, mereka percaya bahawa orang dan dunia di sekitar mereka wujud dan akan terus wujud selama-lamanya. Para saintis kuno mempertimbangkan hujah mengenai kemajuan peradaban dan memutuskan bahawa banjir dan bencana lain secara berkala berlaku di dunia, yang sepanjang masa mengembalikan manusia ke titik permulaan peradaban.
Aristoteles mencipta logik formal, iaitu sebenarnya, doktrin pembuktian adalah alat utama untuk memperoleh dan menyusun sistematik pengetahuan; membangunkan alat kategorikal dan konsep; meluluskan sejenis kanun untuk organisasi penyelidikan saintifik (sejarah masalah, pernyataan masalah, hujah "untuk" dan "menentang", justifikasi keputusan); secara objektif membezakan pengetahuan saintifik itu sendiri, memisahkan sains alam dari metafizik (falsafah), matematik, dll. Norma-norma pengetahuan ilmiah yang ditetapkan oleh Aristoteles, model penjelasan, keterangan dan pembenaran dalam sains telah menikmati wewenang yang tidak dapat dipertikaikan selama lebih dari seribu tahun, dan banyak (hukum logika formal, misalnya) masih berlaku.
Video promosi:
Fragmen terpenting dari gambaran saintifik kuno dunia adalah doktrin geosentrik yang konsisten mengenai bidang dunia. Geosentrisme pada zaman itu sama sekali tidak merupakan gambaran "semula jadi" mengenai fakta yang dapat dilihat secara langsung. Ini adalah langkah yang sukar dan berani menuju yang tidak diketahui: bagaimanapun, untuk kesatuan dan konsistensi struktur kosmos, adalah perlu untuk melengkapkan hemisfera langit yang kelihatan dengan analog yang tidak dapat dilihat, untuk mengakui kemungkinan adanya antipod, iaitu. penduduk di seberang dunia, dll.
Aristoteles berpendapat bahawa Bumi tidak bergerak, dan Matahari, Bulan, planet dan bintang berputar di sekelilingnya dalam orbit bulat. Dia percaya demikian, kerana sesuai dengan pandangan mistiknya, dia menganggap Bumi sebagai pusat Alam Semesta, dan gerakan bulat - yang paling sempurna. Ptolemy mengembangkan idea Aristoteles menjadi model kosmologi yang lengkap pada abad ke-2. Bumi berdiri di tengah, dikelilingi oleh lapan sfera yang membawa Bulan, Matahari dan lima planet yang diketahui: Merkurius, Venus, Marikh, Musytari dan Saturnus (Gbr. 1.1). Planet itu sendiri, Ptolemy percaya, bergerak dalam bulatan yang lebih kecil yang melekat pada sfera yang sesuai. Ini menjelaskan jalan yang sangat sukar, seperti yang kita lihat, planet-planet mengambil. Pada sfera terakhir terdapat bintang-bintang tetap, yang, berada dalam kedudukan yang sama antara satu sama lain, bergerak melintasi langit bersama-sama secara keseluruhan. Apa yang ada di belakang bidang terakhir tidak dijelaskan, tetapi dalam keadaan apa pun ia bukan lagi bahagian dari Alam Semesta yang diperhatikan oleh manusia.
Model Ptolemy memungkinkan untuk meramalkan kedudukan benda langit di langit dengan baik, tetapi untuk ramalan yang tepat dia harus menerima bahawa lintasan Bulan di beberapa tempat mendekati Bumi 2 kali lebih dekat daripada yang lain! Ini bermaksud bahawa dalam satu kedudukan Bulan harus muncul 2 kali lebih besar daripada yang lain! Ptolemy menyedari kekurangan ini, namun demikian teorinya diterima, walaupun tidak di mana-mana. Gereja Kristian menerima model Ptolemaic alam semesta sebagai tidak sesuai dengan Alkitab, kerana model ini sangat baik kerana ia meninggalkan banyak ruang untuk neraka dan surga di luar ruang bintang tetap. Namun, pada tahun 1514, pendeta Poland Nicolaus Copernicus mengusulkan model yang lebih sederhana. (Pada mulanya, mungkin takut bahawa Gereja akan menyatakannya sebagai bidaah, Copernicus menyebarkan modelnya tanpa nama). Idea beliau adalahbahawa Matahari pegun di tengah, dan Bumi dan planet-planet lain berputar di sekelilingnya dalam orbit bulat. Hampir satu abad berlalu sebelum idea Copernicus dipandang serius. Dua ahli astronomi - Johannes Kepler Jerman dan Galileo Itali Itali - secara terbuka menyokong teori Copernicus, walaupun orbit Copernicus yang diramalkan tidak begitu bertepatan dengan yang diperhatikan. Teori Aristotle-Ptolemy berakhir pada tahun 1609, ketika Galileo mulai mengamati langit malam dengan teleskopnya yang baru diciptakan. Dengan mengarahkan teleskop di planet Musytari, Galileo menemui beberapa satelit kecil, atau bulan, yang mengorbit Musytari. Ini bermaksud bahawa tidak semua benda langit semestinya berputar secara langsung di sekitar Bumi, seperti yang dipercaya oleh Aristoteles dan Ptolemy. (Sudah tentu, seseorang masih boleh mempertimbangkanbahawa Bumi terletak di tengah-tengah alam semesta, dan bulan-bulan Musytari bergerak di sepanjang jalan yang sangat kompleks di sekitar Bumi, sehingga seolah-olah mereka berputar di sekitar Musytari. Walau bagaimanapun, teori Copernicus jauh lebih sederhana.) Pada masa yang sama, Johannes Kepler mengubah teori Copernicus, berdasarkan anggapan bahawa planet-planet tidak bergerak dalam bulatan, tetapi pada elips (elips adalah lingkaran yang memanjang). Akhirnya, kini ramalan tersebut bertepatan dengan hasil pemerhatian. Akhirnya, kini ramalan tersebut bertepatan dengan hasil pemerhatian. Akhirnya, kini ramalan tersebut bertepatan dengan pemerhatian.
Bagi Kepler, orbit elipsnya adalah hipotesis buatan, dan lebih-lebih lagi, "inelegant", kerana elips adalah sosok yang jauh lebih sempurna daripada bulatan. Apabila mendapati secara tidak sengaja bahawa orbit elips sesuai dengan pengamatan, Kepler tidak dapat mendamaikan fakta ini dengan gagasannya bahawa planet-planet berputar mengelilingi matahari di bawah pengaruh daya magnet. Penjelasannya hanya datang kemudian, pada tahun 1687, ketika Isaac Newton menerbitkan bukunya "Prinsip Matematik Falsafah Alam". Newton di dalamnya tidak hanya mengemukakan teori gerakan badan material dalam ruang dan waktu, tetapi juga mengembangkan kaedah matematik kompleks yang diperlukan untuk menganalisis gerakan benda langit.
Sebagai tambahan, Newton mendalilkan hukum gravitasi universal, yang menurutnya setiap tubuh di Alam Semesta tertarik pada tubuh lain dengan kekuatan yang lebih besar, semakin besar jisim badan-badan ini dan semakin kecil jarak di antara keduanya. Kekuatan inilah yang menjadikan badan jatuh ke tanah. (Kisah bahawa Newton diilhami oleh sebiji epal yang jatuh di kepalanya hampir pasti tidak dapat diandalkan. Newton sendiri mengatakan tentang ini hanya bahawa idea graviti datang ketika dia sedang duduk dalam "suasana kontemplatif", dan "alasannya adalah jatuhnya epal") …
Selanjutnya, Newton menunjukkan bahawa, menurut hukumnya, Bulan di bawah pengaruh gaya gravitasi bergerak di orbit elips di sekitar Bumi, dan Bumi dan planet berputar di orbit elips di sekitar Matahari. (8) Model Newton adalah satu badan yang bergerak seragam di ruang tak terbatas mutlak dan secara langsung sehingga badan ini ditindak oleh kekuatan (undang-undang mekanik pertama) atau dua badan yang bertindak satu sama lain dengan kekuatan yang sama dan berlawanan (undang-undang mekanik ketiga); gaya itu sendiri hanya dianggap sebagai penyebab pecutan badan bergerak (hukum kedua mekanik), seolah-olah ia wujud dengan sendirinya dan dari mana asalnya.
Newton mengekalkan pertimbangan mekanik sebagai teori fizikal sejagat. Pada abad XIX. tempat ini diambil oleh gambaran mekanistik dunia, yang merangkumi mekanik, termodinamik dan teori kinetik jirim, teori elastik cahaya dan elektromagnetisme. Penemuan elektron mendorong penyemakan idea. Pada akhir abad ini, H. Lorenz membina teori elektroniknya untuk merangkumi semua fenomena semula jadi, tetapi dia tidak mencapainya. Masalah yang berkaitan dengan kebijaksanaan muatan dan kesinambungan bidang, dan masalah dalam teori radiasi ("bencana ultraviolet") menyebabkan penciptaan gambaran medan kuantum dunia dan mekanik kuantum.
Contoh klasik penggunaan konsep abstrak untuk menerangkan alam diberikan pada tahun 1915 oleh Einstein, yang menerbitkan teori relativiti umumnya yang benar-benar zaman. Karya ini adalah salah satu dari sedikit yang menjadi titik perubahan dalam persepsi manusia terhadap dunia di sekelilingnya. Keindahan teori Einstein bukan hanya disebabkan oleh kekuatan dan keanggunan persamaan medan graviti, tetapi juga pada pandangan radikalisme yang luar biasa. Relativiti umum dengan yakin telah menyatakan bahawa graviti adalah geometri ruang melengkung. Konsep pecutan di angkasa digantikan dengan konsep kelengkungan ruang. (2)
Setelah penciptaan SRT, diharapkan liputan universal dunia semula jadi dapat diberikan oleh gambaran elektromagnetik dunia, yang menggabungkan teori relativiti, teori dan mekanik Maxwell, tetapi ilusi ini segera dihapuskan.
Teori relativiti khas (SRT) (teori relativiti khas; mekanik relativistik) adalah teori yang menerangkan gerakan, hukum mekanik dan hubungan ruang-waktu pada kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya. Dalam kerangka teori relativiti khas, mekanik klasik Newton adalah penghampiran kelajuan rendah. Generalisasi SRT untuk medan graviti disebut teori relativiti umum (GRT). SRT berdasarkan dua postulat:
1. Dalam semua kerangka rujukan inersia, kelajuan cahaya tidak berubah (itu tetap) dan tidak bergantung pada pergerakan sumber, penerima atau bingkai itu sendiri. Dalam mekanik klasik Galileo - Newton, besarnya kelajuan pendekatan relatif dua badan selalu lebih besar daripada kelajuan badan-badan ini dan bergantung pada kelajuan satu objek dan pada kelajuan objek yang lain. Oleh itu, kita merasa sukar untuk mempercayai bahawa kelajuan cahaya tidak bergantung pada kelajuan sumbernya, tetapi ini adalah fakta saintifik.
2. Ruang dan masa nyata membentuk satu kontinum ruang-waktu empat dimensi tunggal sehingga semasa peralihan antara kerangka rujukan nilai selang ruang-waktu antara peristiwa tetap tidak berubah. Di SRT, tidak ada peristiwa serentak di semua kerangka rujukan. Di sini, dua peristiwa, secara serentak dalam satu kerangka rujukan, kelihatan berbeza dalam jangka masa dari sudut pandang yang lain, bergerak atau berehat, kerangka rujukan.
Teori relativiti khas mengekalkan semua definisi asas fizik klasik - dorongan, kerja, tenaga. Namun, sesuatu yang baru muncul: pertama sekali, pergantungan jisim pada kelajuan pergerakan. Oleh itu, seseorang tidak dapat menggunakan ungkapan klasik untuk tenaga kinetik, kerana ia diperoleh dengan anggapan bahawa jisim objek tetap tidak berubah.
Banyak ahli teori telah berusaha merangkumi graviti dan elektromagnetisme dengan persamaan yang disatukan. Di bawah pengaruh Einstein, yang memperkenalkan ruang-waktu empat dimensi, teori medan multidimensi dibangun dalam usaha untuk mengurangkan fenomena ke sifat geometri ruang.
Penyatuan dilakukan berdasarkan kebebasan laju cahaya yang ditetapkan untuk pemerhati yang berbeza bergerak di ruang kosong tanpa adanya kekuatan luar. Einstein menggambarkan garis dunia objek pada satah (Gambar 2), di mana paksi spasial diarahkan secara mendatar, dan paksi temporal diarahkan secara menegak. Kemudian garis menegak adalah garis dunia objek, yang berada dalam kerangka acuan yang diberikan, dan garis serong adalah objek yang bergerak dengan kelajuan tetap. Garis dunia melengkung sesuai dengan gerakan objek yang dipercepat. Segala titik di pesawat ini sesuai dengan posisi di tempat tertentu pada waktu tertentu dan disebut sebagai peristiwa. Dalam kes ini, graviti bukan lagi kekuatan yang bertindak pada latar belakang ruang dan waktu yang pasif, tetapi merupakan penyimpangan ruang-waktu itu sendiri. Bagaimanapun, medan graviti adalah kelengkungan ruang-waktu.
Rajah 2. Gambarajah ruang masa
Tidak lama selepas penciptaannya (1905), teori relativiti khusus tidak lagi sesuai dengan Einstein, dan dia mula mengusahakan generalisasi. Perkara yang sama berlaku dengan kerelatifan umum. Pada tahun 1925, Einstein mula menggarap teori tersebut, yang ditakdirkannya untuk dipelajari dengan gangguan pendek hingga akhir zamannya. Masalah utama yang membimbangkannya - sifat sumber lapangan - sudah mempunyai sejarah tertentu pada saat Einstein menerimanya. Mengapa zarah tidak runtuh, misalnya? Lagipun, elektron membawa cas negatif, dan cas negatif saling tolak, iaitu elektron harus meletup dari dalam kerana penolakan kawasan jiran!
Dari satu segi, masalah ini berterusan sehingga hari ini. Teori yang memuaskan belum dibina yang menerangkan daya yang bertindak di dalam elektron, tetapi kesukaran dapat dielakkan dengan menganggap bahawa elektron tidak mempunyai struktur dalaman - ini adalah muatan titik yang tidak mempunyai dimensi dan, oleh itu, tidak dapat terkoyak dari dalam.
Walaupun begitu, secara umum diterima bahawa peruntukan utama kosmologi moden - sains struktur dan evolusi Alam Semesta - mula terbentuk setelah penciptaan pada tahun 1917 oleh A. Einstein dari model relativistik pertama berdasarkan teori graviti dan mengaku menggambarkan keseluruhan Alam Semesta. Model ini menggambarkan keadaan alam semesta yang tidak bergerak dan, seperti yang ditunjukkan oleh pemerhatian astrofizik, ternyata tidak betul.
Langkah penting dalam menyelesaikan masalah kosmologi dibuat pada tahun 1922 oleh Profesor Universiti Petrograd A. A. Friedman (1888-1925). Sebagai hasil dari menyelesaikan persamaan kosmologi, dia sampai pada kesimpulan: Alam Semesta tidak dapat berada dalam keadaan pegun - semua galaksi bergerak ke arah yang saling maju satu sama lain, dan oleh itu mereka semua berada di tempat yang sama.
Langkah seterusnya diambil pada tahun 1924, ketika ahli astronomi Amerika E. Hubble (1889-1953) mengukur jarak ke galaksi berdekatan (disebut nebula pada masa itu) di Observatorium Mount Wilson di California, dan dengan demikian menjumpai dunia galaksi. Ketika ahli astronomi mula mengkaji spektrum bintang di galaksi lain, sesuatu yang lebih asing ditemui: galaksi kita sendiri mempunyai set ciri warna yang sama dengan bintang, tetapi semuanya beralih dengan jumlah yang sama menuju hujung merah spektrum. Cahaya yang dapat dilihat adalah getaran atau gelombang medan elektromagnetik. Kekerapan (bilangan gelombang sesaat) getaran cahaya sangat tinggi - dari empat ratus hingga tujuh ratus juta gelombang sesaat. Mata manusia melihat cahaya frekuensi yang berbeza sebagai warna yang berbeza, dengan frekuensi terendah yang sesuai dengan hujung merah spektrum,dan paling tinggi hingga ungu. Bayangkan sumber cahaya terletak pada jarak tetap dari kita (contohnya bintang), memancarkan gelombang cahaya pada frekuensi tetap. Jelas, frekuensi gelombang masuk akan sama dengan gelombang yang dipancarkannya (walaupun medan graviti galaksi kecil dan pengaruhnya tidak signifikan). Anggaplah sekarang bahawa sumber mula bergerak ke arah kita. Apabila gelombang berikutnya dipancarkan, sumbernya akan lebih dekat dengan kita, dan oleh itu masa yang diperlukan untuk puncak gelombang ini sampai ke kita akan lebih sedikit daripada pada bintang tetap. Akibatnya, waktu antara puncak dua gelombang yang tiba akan kurang, dan jumlah gelombang yang kita terima dalam satu saat (iaitu, frekuensi) akan lebih besar daripada ketika bintang itu tidak bergerak. Apabila sumber dikeluarkan, frekuensi gelombang masuk akan menjadi kurang. Ia bermaksud,bahawa spektrum bintang yang surut akan dipindahkan ke arah hujung merah (pergeseran merah), dan spektrum bintang yang menghampiri harus mengalami pergeseran ungu. Hubungan antara kelajuan dan frekuensi ini disebut kesan Doppler, dan kesan ini biasa berlaku walaupun dalam kehidupan seharian kita. Kesan Doppler digunakan oleh polis, yang menentukan kelajuan kenderaan dari jauh oleh frekuensi isyarat radio yang dipantulkan dari mereka.
Setelah membuktikan bahawa galaksi lain wujud, Hubble menumpukan sepanjang tahun-tahun berikutnya untuk menyusun katalog jarak ke galaksi-galaksi ini dan memerhatikan spektrum mereka. Pada masa itu, kebanyakan saintis percaya bahawa pergerakan galaksi berlaku secara rawak dan oleh itu spektrum yang beralih ke arah merah harus diperhatikan sama seperti yang bergerak ke arah ungu. Sungguh mengejutkan apabila kebanyakan galaksi menunjukkan pergeseran spektrum merah, iaitu, hampir semua galaksi menjauh dari kita! Lebih mengejutkan adalah penemuan yang diterbitkan oleh Hubble pada tahun 1929: Hubble mendapati bahawa walaupun besarnya pergeseran merah tidak rawak, tetapi berbanding lurus dengan jarak dari kita ke galaksi. Dengan kata lain, semakin jauh galaksi, semakin cepat ia bergerak! Dan ini bermaksud bahawa alam semesta tidak boleh statis, seperti yang difikirkan sebelumnya,bahawa sebenarnya ia terus berkembang dan jarak antara galaksi semakin bertambah sepanjang masa.
Pengembangan alam semesta bermaksud bahawa pada masa lalu jumlahnya lebih rendah daripada sekarang. Sekiranya masa dibalikkan dalam model alam semesta yang dikembangkan oleh Einstein dan Friedman, peristiwa akan terbalik, seperti dalam filem yang dimainkan dari akhir. Kemudian ternyata sekitar 13 bilion tahun yang lalu radius Alam Semesta sangat kecil, iaitu berat galaksi, medium antarbintang dan radiasi - dengan kata lain, semua yang kini membentuk Alam Semesta tertumpu dalam jumlah yang tidak dapat diabaikan, hampir dengan sifar. Keadaan alam semesta superdense dan super panas ini tidak mempunyai analog dalam realiti kontemporari kita. Diandaikan bahawa pada masa itu ketumpatan zat Alam Semesta setanding dengan ketumpatan inti atom dan seluruh Alam Semesta adalah penurunan nuklear yang besar. Kerana beberapa sebab, kejatuhan nuklear berada dalam keadaan tidak stabil dan meletup. Andaian ini adalah inti dari konsep big bang.
- Bahagian kedua -
