- Deel twee -
De Unified Theory of the Universe, of The Theory of Everything, is een hypothetische verenigde fysische en wiskundige theorie die alle bekende fundamentele interacties beschrijft. De term werd oorspronkelijk ironisch gebruikt om te verwijzen naar een verscheidenheid aan algemene theorieën. Na verloop van tijd raakte de term verankerd in de popularisering van de kwantumfysica om een theorie aan te duiden die alle vier de fundamentele interacties in de natuur zou combineren: gravitationele, elektromagnetische, sterke nucleaire en zwakke nucleaire interacties. Bovendien moet het het bestaan van alle elementaire deeltjes verklaren. De zoektocht naar een verenigde theorie wordt een van de belangrijkste doelen van de moderne wetenschap genoemd.
Het idee van een verenigde theorie is ontstaan dankzij de kennis die is verzameld door meer dan één generatie wetenschappers. Naarmate kennis werd opgedaan, breidde het begrip van de mensheid van de omringende wereld en haar wetten zich uit. Aangezien het wetenschappelijke beeld van de wereld een gegeneraliseerde, systemische formatie is, kan de radicale verandering ervan niet worden teruggebracht tot een afzonderlijke, zelfs niet de grootste wetenschappelijke ontdekking. Dit laatste kan echter aanleiding geven tot een soort kettingreactie die een hele reeks, een complex van wetenschappelijke ontdekkingen kan opleveren, wat uiteindelijk zal leiden tot een verandering van het wetenschappelijke wereldbeeld. In dit proces zijn de belangrijkste natuurlijk ontdekkingen in de fundamentele wetenschappen waarop het berust. Als we bedenken dat wetenschap in de eerste plaats een methode is, is het niet moeilijk om aan te nemen dat een verandering in het wetenschappelijke wereldbeeld ook een radicale herstructurering van de methoden voor het verkrijgen van nieuwe kennis zou moeten betekenen,inclusief veranderingen in de normen en idealen van wetenschap.
De ontwikkeling van het idee van de wereld vond niet onmiddellijk plaats. Dergelijke duidelijk en ondubbelzinnig vastgelegde radicale veranderingen in wetenschappelijke afbeeldingen van de wereld, d.w.z. Er zijn drie wetenschappelijke revoluties in de geschiedenis van de ontwikkeling van de wetenschap in het algemeen en de natuurwetenschappen in het bijzonder. Als ze worden gepersonifieerd door de namen van de wetenschappers die de meest opvallende rol speelden in deze gebeurtenissen, dan zouden de drie wereldwijde wetenschappelijke revoluties Aristotelisch, Newtoniaans en Einsteins moeten worden genoemd.
In de VI - IV eeuwen. BC. de eerste revolutie in de kennis van de wereld vond plaats, waardoor de wetenschap zelf werd geboren. De historische betekenis van deze revolutie ligt in het onderscheiden van wetenschap van andere vormen van cognitie en het beheersen van de wereld, in het creëren van bepaalde normen en modellen voor de constructie van wetenschappelijke kennis. Natuurlijk houdt het probleem van de oorsprong van het heelal de hoofden van mensen al heel lang bezig.
Volgens een aantal vroege joods-christelijk-moslimmythen is ons universum op een bepaald en niet erg ver punt in de tijd in het verleden ontstaan. Een van de fundamenten van dergelijke overtuigingen was de noodzaak om de "grondoorzaak" van het universum te vinden. Elke gebeurtenis in het heelal wordt verklaard door de oorzaak aan te geven, dat wil zeggen een andere gebeurtenis die eerder plaatsvond; een dergelijke verklaring voor het bestaan van het heelal zelf is alleen mogelijk als het een begin had. Een andere reden werd aangevoerd door de zalige Augustinus (de orthodoxe kerk beschouwt Augustinus als gezegend, en de katholieke kerk als heilige). in het boek "City of God". Hij wees erop dat de beschaving vordert, en we herinneren ons wie deze of gene daad heeft begaan en wie wat heeft uitgevonden. Daarom is het onwaarschijnlijk dat de mensheid, en daarom waarschijnlijk het universum, nog heel lang zal bestaan. De zalige Augustinus beschouwde een aanvaardbare datum voor de schepping van het heelal, overeenkomend met het boek Genesis: ongeveer 5000 v. Chr. (Interessant genoeg is deze datum niet zo ver van het einde van de laatste ijstijd - 10.000 v. Chr., Die archeologen beschouwen als het begin van de beschaving).
Aristoteles en de meeste andere Griekse filosofen hielden niet van het idee van de schepping van het universum, omdat het werd geassocieerd met goddelijke tussenkomst. Daarom geloofden ze dat mensen en de wereld om hen heen bestonden en voor altijd zullen blijven bestaan. Oude wetenschappers overwogen het argument met betrekking tot de voortgang van de beschaving en besloten dat er periodiek overstromingen en andere rampen plaatsvonden in de wereld, die de mensheid steeds terugbrachten naar het beginpunt van de beschaving.
Aristoteles creëerde formele logica, d.w.z. in feite is de bewijsleer het belangrijkste instrument voor het verkrijgen en systematiseren van kennis; een categorisch en conceptueel apparaat ontwikkeld; keurde een soort canon goed voor de organisatie van wetenschappelijk onderzoek (geschiedenis van de kwestie, probleemstelling, argumenten "voor" en "tegen", rechtvaardiging van de beslissing); objectief gedifferentieerde wetenschappelijke kennis zelf, waarbij de natuurwetenschappen worden gescheiden van metafysica (filosofie), wiskunde, enz. De normen van de wetenschappelijke aard van kennis die door Aristoteles zijn vastgesteld, de modellen van uitleg, beschrijving en rechtvaardiging in de wetenschap hebben al meer dan duizend jaar onbetwistbare autoriteit genoten, en veel (de wetten van de formele logica bijvoorbeeld) zijn tot op de dag van vandaag van kracht.
Promotie video:
Het belangrijkste fragment van het oude wetenschappelijke wereldbeeld was de consistente geocentrische doctrine van de werelden. Het geocentrisme van die tijd was helemaal geen 'natuurlijke' beschrijving van direct waarneembare feiten. Het was een moeilijke en moedige stap in het onbekende: voor de eenheid en consistentie van de structuur van de kosmos was het tenslotte noodzakelijk om het zichtbare hemels halfrond aan te vullen met een analoog onzichtbaar halfrond, om de mogelijkheid van het bestaan van antipoden, d.w.z. inwoners van de andere kant van de wereld, enz.
Aristoteles dacht dat de aarde onbeweeglijk is en dat de zon, de maan, de planeten en de sterren er in cirkelvormige banen omheen draaien. Hij geloofde van wel, omdat in overeenstemming met zijn mystieke opvattingen de aarde werd beschouwd als het centrum van het universum, en cirkelvormige beweging was het meest perfect. Ptolemaeus ontwikkelde in de 2e eeuw het idee van Aristoteles tot een compleet kosmologisch model. De aarde staat in het midden, omgeven door acht bollen met daarop de maan, de zon en vijf toen bekende planeten: Mercurius, Venus, Mars, Jupiter en Saturnus (Fig. 1.1). De planeten zelf, zo meende Ptolemaeus, bewegen in kleinere cirkels die aan de corresponderende bollen zijn bevestigd. Dit verklaarde het zeer moeilijke pad dat, zoals we zien, de planeten volgen. Op de allerlaatste bol bevinden zich vaste sterren, die, terwijl ze in dezelfde positie ten opzichte van elkaar blijven, als een geheel door de lucht bewegen. Wat er achter de laatste sfeer ligt, werd niet uitgelegd, maar het was in ieder geval geen deel meer van het heelal dat de mensheid observeert.
Het model van Ptolemaeus maakte het mogelijk om de positie van hemellichamen aan het firmament goed te voorspellen, maar voor een nauwkeurige voorspelling moest hij accepteren dat de baan van de maan op sommige plaatsen de aarde 2 keer dichterbij komt dan op andere! Dit betekent dat de maan in de ene positie 2 keer groter moet lijken dan in de andere! Ptolemaeus was zich bewust van deze fout, maar niettemin werd zijn theorie aanvaard, hoewel niet overal. De christelijke kerk accepteerde het Ptolemeïsche model van het universum als niet in strijd met de Bijbel, want dit model was erg goed omdat het veel ruimte liet voor hel en hemel buiten de sfeer van vaste sterren. In 1514 stelde de Poolse priester Nicolaus Copernicus echter een nog eenvoudiger model voor. (In het begin, misschien bang dat de kerk hem tot ketter zou verklaren, propageerde Copernicus zijn model anoniem). Zijn idee wasdat de zon stationair is in het midden en dat de aarde en andere planeten er in cirkelvormige banen omheen draaien. Bijna een eeuw ging voorbij voordat het idee van Copernicus serieus werd genomen. Twee astronomen - de Duitse Johannes Kepler en de Italiaan Galileo Galilei - steunden de theorie van Copernicus publiekelijk, ook al vielen de door Copernicus voorspelde banen niet helemaal samen met de waargenomen banen. Aan de theorie van Aristoteles-Ptolemaeus kwam een einde in 1609, toen Galileo de nachtelijke hemel begon te observeren met zijn nieuw uitgevonden telescoop. Door een telescoop op de planeet Jupiter te richten, ontdekte Galileo verschillende kleine satellieten, of manen, in een baan om Jupiter. Dit betekende dat niet alle hemellichamen noodzakelijkerwijs direct rond de aarde moesten draaien, zoals Aristoteles en Ptolemaeus geloofden. (Natuurlijk zou je nog kunnen overwegendat de aarde in het centrum van het universum rust en dat de manen van Jupiter langs een zeer complex pad rond de aarde bewegen, zodat het alleen lijkt alsof ze om Jupiter heen draaien. De theorie van Copernicus was echter veel eenvoudiger.) Tegelijkertijd wijzigde Johannes Kepler de theorie van Copernicus, gebaseerd op de aanname dat de planeten niet in cirkels maar in ellipsen bewegen (een ellips is een langwerpige cirkel). Eindelijk vallen de voorspellingen nu samen met de resultaten van waarnemingen. Eindelijk, nu vielen de voorspellingen samen met de waarnemingen. Eindelijk, nu vielen de voorspellingen samen met de waarnemingen.
Wat Kepler betreft, zijn elliptische banen waren een kunstmatige hypothese, en bovendien "onelegant", aangezien een ellips een veel minder volmaakte figuur is dan een cirkel. Toen hij bijna per ongeluk ontdekte dat elliptische banen goed overeenkwamen met waarnemingen, kon Kepler dit feit nooit verzoenen met zijn idee dat de planeten onder invloed van magnetische krachten om de zon draaien. De verklaring kwam pas veel later, in 1687, toen Isaac Newton zijn boek "Mathematical Principles of Natural Philosophy" publiceerde. Daarin presenteerde Newton niet alleen een theorie over de beweging van materiële lichamen in tijd en ruimte, maar ontwikkelde hij ook complexe wiskundige methoden die nodig zijn om de beweging van hemellichamen te analyseren.
Bovendien postuleerde Newton de wet van universele gravitatie, volgens welke elk lichaam in het heelal wordt aangetrokken door elk ander lichaam met de grotere kracht, hoe groter de massa van deze lichamen en hoe kleiner de afstand tussen hen. Dit is juist de kracht waardoor lichamen op de grond vallen. (Het verhaal dat Newton werd geïnspireerd door een appel die op zijn hoofd viel, is vrijwel zeker onbetrouwbaar. Newton zelf zei hierover alleen dat het idee van de zwaartekracht ontstond toen hij in een 'contemplatieve bui' zat, en 'de reden was de val van de appel') …
Verder toonde Newton aan dat, volgens zijn wet, de maan onder invloed van zwaartekrachten in een elliptische baan rond de aarde beweegt, en dat de aarde en de planeten in elliptische banen rond de zon draaien. (8) Newton's model is één lichaam dat uniform beweegt in een absoluut oneindige ruimte en rechttoe rechtaan totdat dit lichaam wordt beïnvloed door een kracht (de eerste wet van de mechanica) of twee lichamen die op elkaar inwerken met gelijke en tegengestelde krachten (de derde wet van de mechanica); de kracht zelf wordt beschouwd als eenvoudig de oorzaak van de versnelling van bewegende lichamen (de tweede wet van de mechanica), dat wil zeggen alsof ze op zichzelf bestaat en uit het niets vandaan komt.
Newton behield de overweging van mechanica als een universele fysische theorie. In de 19e eeuw. deze plaats werd ingenomen door een mechanistisch beeld van de wereld, inclusief mechanica, thermodynamica en de kinetische theorie van materie, de elastische theorie van licht en elektromagnetisme. De ontdekking van het elektron stimuleerde een herziening van ideeën. Aan het einde van de eeuw bouwde H. Lorenz zijn elektronische theorie om alle natuurlijke fenomenen te dekken, maar hij bereikte dit niet. Problemen die verband houden met de discretie van de lading en de continuïteit van het veld, en problemen in de theorie van straling ("ultraviolette catastrofe") leidden tot het creëren van een kwantumveldbeeld van de wereld en de kwantummechanica.
Een klassiek voorbeeld van het gebruik van abstracte concepten om de natuur uit te leggen werd in 1915 gegeven door Einstein, die zijn werkelijk baanbrekende algemene relativiteitstheorie publiceerde. Dit werk is een van de weinige die keerpunten markeren in de perceptie van de mens van de wereld om hem heen. De schoonheid van Einsteins theorie is niet alleen te danken aan de kracht en elegantie van de vergelijkingen van het zwaartekrachtveld, maar ook aan het overweldigende radicalisme van zijn opvattingen. De algemene relativiteitstheorie heeft vol vertrouwen verkondigd dat zwaartekracht de geometrie is van een gekromde ruimte. Het concept van versnelling in de ruimte werd vervangen door het concept van kromming van de ruimte. (2)
Na de oprichting van SRT werd verwacht dat de universele dekking van de natuurlijke wereld zou kunnen worden geleverd door een elektromagnetisch beeld van de wereld, dat de relativiteitstheorie, de theorie van Maxwell en de mechanica combineerde, maar deze illusie werd snel verdreven.
Speciale relativiteitstheorie (SRT) (speciale relativiteitstheorie; relativistische mechanica) is een theorie die beweging, de wetten van de mechanica en ruimte-tijdrelaties beschrijft bij snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. Binnen het kader van de speciale relativiteitstheorie is de klassieke mechanica van Newton de benadering van lage snelheden. Generalisatie van SRT voor zwaartekrachtvelden wordt algemene relativiteitstheorie (GRT) genoemd. SRT is gebaseerd op twee postulaten:
1. In alle traagheidsreferentieframes is de lichtsnelheid ongewijzigd (het is een invariant) en is niet afhankelijk van de beweging van de bron, ontvanger of het frame zelf. In de klassieke mechanica van Galileo - Newton is de snelheid van de relatieve nadering van twee lichamen altijd groter dan de snelheden van deze lichamen en hangt zowel af van de snelheid van het ene object als van de snelheid van een ander. Daarom vinden we het moeilijk te geloven dat de snelheid van het licht niet afhankelijk is van de snelheid van de bron, maar dit is een wetenschappelijk feit.
2. Reële ruimte en tijd vormen een enkel vierdimensionaal ruimte-tijd continuüm zodat tijdens de overgang tussen referentieframes de waarde van het ruimte-tijd interval tussen gebeurtenissen ongewijzigd blijft. In SRT zijn er geen gelijktijdige gebeurtenissen in alle referentieframes. Hier zien twee gebeurtenissen, gelijktijdig in één referentiekader, er anders uit in de tijd vanuit het oogpunt van een ander, bewegend of in rust, referentiekader.
De speciale relativiteitstheorie bevat alle basisdefinities van de klassieke fysica - impuls, werk, energie. Er verschijnt echter ook iets nieuws: allereerst de afhankelijkheid van massa van de bewegingssnelheid. Daarom kan men de klassieke uitdrukking voor kinetische energie niet gebruiken, omdat deze werd verkregen in de veronderstelling dat de massa van het object ongewijzigd blijft.
Veel theoretici hebben geprobeerd zwaartekracht en elektromagnetisme te omarmen met uniforme vergelijkingen. Onder invloed van Einstein, die vierdimensionale ruimte-tijd introduceerde, werden multidimensionale veldentheorieën gebouwd in een poging om verschijnselen terug te brengen tot de geometrische eigenschappen van de ruimte.
De eenwording werd tot stand gebracht op basis van de gevestigde onafhankelijkheid van de lichtsnelheid voor verschillende waarnemers die zich in de lege ruimte bewogen zonder externe krachten. Einstein beeldde de wereldlijn van het object af op een vlak (figuur 2), waar de ruimtelijke as horizontaal is gericht en de temporale as verticaal. De verticale lijn is dan de wereldlijn van het object, dat in rust is in het gegeven referentiekader, en de schuine lijn is het object dat met een constante snelheid beweegt. De gebogen wereldlijn komt overeen met de versnelde beweging van het object. Elk punt op dit vlak komt overeen met een positie op een bepaalde plaats op een bepaald moment en wordt een gebeurtenis genoemd. In dit geval is zwaartekracht niet langer een kracht die inwerkt op de passieve achtergrond van ruimte en tijd, maar is het een vervorming van ruimte-tijd zelf. Het zwaartekrachtveld is tenslotte 'de kromming van ruimte-tijd'.
Fig. 2. Ruimte-tijd diagram
Kort na de oprichting ervan (1905) paste de speciale relativiteitstheorie Einstein niet meer en begon hij te werken aan de generalisatie ervan. Hetzelfde gebeurde met de algemene relativiteitstheorie. In 1925 begon Einstein aan de theorie te werken, die hij met korte onderbrekingen tot het einde van zijn dagen zou bestuderen. Het grootste probleem dat hem zorgen baarde - de aard van de veldbronnen - had al een zekere geschiedenis tegen de tijd dat Einstein het opnam. Waarom vallen bijvoorbeeld deeltjes niet uit elkaar? Een elektron draagt immers een negatieve lading en negatieve ladingen stoten elkaar af, d.w.z. het elektron zou van binnenuit moeten exploderen vanwege de afstoting van aangrenzende gebieden!
In zekere zin bestaat dit probleem tot op de dag van vandaag. Er is nog geen bevredigende theorie ontwikkeld die de krachten beschrijft die in het elektron werken, maar de moeilijkheden kunnen worden omzeild door aan te nemen dat het elektron geen interne structuur heeft - het is een puntlading die geen afmetingen heeft en daarom niet van binnenuit kan worden losgerukt.
Desalniettemin wordt algemeen aanvaard dat de belangrijkste bepalingen van de moderne kosmologie - de wetenschap van de structuur en evolutie van het heelal - zich begonnen te vormen na de creatie in 1917 door A. Einstein van het eerste relativistische model gebaseerd op de zwaartekrachttheorie en beweerde het hele universum te beschrijven. Dit model kenmerkte de stationaire toestand van het heelal en bleek, zoals blijkt uit astrofysische waarnemingen, onjuist te zijn.
Een belangrijke stap bij het oplossen van kosmologische problemen werd in 1922 gezet door professor van Petrograd University A. A. Friedman (1888-1925). Als resultaat van het oplossen van kosmologische vergelijkingen, kwam hij tot de conclusie: het universum kan niet in een stationaire toestand zijn - alle sterrenstelsels bewegen zich in voorwaartse richting van elkaar weg en daarom bevonden ze zich allemaal op dezelfde plek.
De volgende stap werd gezet in 1924, toen de Amerikaanse astronoom E. Hubble (1889-1953) de afstand tot de dichtstbijzijnde melkwegstelsels (in die tijd nevels genoemd) bij het Mount Wilson Observatorium in Californië mat en daarbij de wereld van melkwegstelsels ontdekte. Toen astronomen de spectra van sterren in andere sterrenstelsels begonnen te bestuderen, werd er iets nog vreemder ontdekt: ons eigen melkwegstelsel had dezelfde karakteristieke sets van ontbrekende kleuren als sterren, maar ze waren allemaal met dezelfde hoeveelheid verschoven naar het rode uiteinde van het spectrum. Zichtbaar licht zijn trillingen of golven van het elektromagnetische veld. De frequentie (aantal golven per seconde) van lichttrillingen is extreem hoog - van vierhonderd tot zevenhonderd miljoen golven per seconde. Het menselijk oog neemt licht van verschillende frequenties waar als verschillende kleuren, waarbij de laagste frequenties overeenkomen met het rode uiteinde van het spectrum,en de hoogste naar paars. Stel je een lichtbron voor die zich op een vaste afstand van ons bevindt (bijvoorbeeld een ster), die lichtgolven uitzendt met een constante frequentie. Het is duidelijk dat de frequentie van de inkomende golven dezelfde zal zijn als die waarmee ze worden uitgezonden (zelfs als het zwaartekrachtveld van de melkweg klein is en de invloed ervan onbeduidend). Stel nu dat de bron in onze richting begint te bewegen. Wanneer de volgende golf wordt uitgezonden, zal de bron dichter bij ons zijn, en daarom zal de tijd die de top van deze golf nodig heeft om ons te bereiken korter zijn dan in het geval van een vaste ster. Dientengevolge zal de tijd tussen de toppen van de twee aankomende golven korter zijn, en het aantal golven dat we in één seconde ontvangen (d.w.z. de frequentie) zal groter zijn dan wanneer de ster stationair was. Wanneer de bron wordt verwijderd, zal de frequentie van de inkomende golven minder zijn. Het betekent,dat de spectra van terugtrekkende sterren zullen verschuiven naar het rode uiteinde (roodverschuiving), en dat de spectra van naderende sterren een violette verschuiving zouden moeten ondergaan. Deze relatie tussen snelheid en frequentie wordt het Doppler-effect genoemd en dit effect komt zelfs in ons dagelijks leven voor. Het Doppler-effect wordt gebruikt door de politie, die de snelheid van voertuigen van veraf bepaalt door de frequentie van de radiosignalen die ze weerkaatsen.
Nadat hij had bewezen dat er andere sterrenstelsels bestaan, wijdde Hubble alle daaropvolgende jaren aan het samenstellen van catalogi van afstanden tot deze sterrenstelsels en het observeren van hun spectra. Op dat moment geloofden de meeste wetenschappers dat de beweging van sterrenstelsels willekeurig is en dat daarom de spectra die naar de rode kant zijn verschoven evenveel moeten worden waargenomen als de spectra die naar de violette kant zijn verschoven. Wat een verrassing was het toen de meeste sterrenstelsels een roodverschuiving van de spectra vertoonden, dat wil zeggen, het bleek dat bijna alle sterrenstelsels van ons af bewegen! Nog verrassender was de ontdekking die Hubble in 1929 publiceerde: Hubble ontdekte dat zelfs de grootte van de roodverschuiving niet willekeurig is, maar recht evenredig is met de afstand van ons tot de melkweg. Met andere woorden, hoe verder weg een melkwegstelsel is, hoe sneller het weg beweegt! En dit betekende dat het universum niet statisch kon zijn, zoals eerder werd gedacht,dat het in feite voortdurend uitdijt en de afstanden tussen sterrenstelsels steeds groter worden.
Door de uitbreiding van het universum was het volume in het verleden kleiner dan nu. Als de tijd wordt teruggedraaid in het model van het universum dat is ontwikkeld door Einstein en Friedman, zullen de gebeurtenissen omgekeerd verlopen, zoals in een film die vanaf het einde wordt afgespeeld. Dan blijkt dat ongeveer 13 miljard jaar geleden de straal van het heelal erg klein was, dat wil zeggen het gewicht van de melkweg, het interstellaire medium en straling - kortom, alles wat nu het heelal vormt, was geconcentreerd in een verwaarloosbaar volume, bijna nul. Deze primaire superdense en super hete toestand van het heelal heeft geen analogen in onze huidige realiteit. Aangenomen wordt dat op dat moment de dichtheid van de substantie van het heelal vergelijkbaar was met de dichtheid van de atoomkern en dat het hele heelal een enorme nucleaire druppel was. Om de een of andere reden was de nucleaire druppel in een onstabiele staat en explodeerde. Deze aanname vormt de kern van het oerknalconcept.
- Deel twee -
