Єдина теорія Всесвіту, або Теорія всього - гіпотетична об'єднана фізико-математична теорія, що описує всі відомі фундаментальні взаємодії. Спочатку даний термін використовувався в іронічному ключі для позначення різноманітних узагальнених теорій. З часом термін закріпився в популяризаціях квантової фізики для позначення теорії, яка б об'єднала всі чотири фундаментальні взаємодії в природі: гравітаційна, електромагнітна, сильна ядерна й слабке ядерна взаємодія. Крім того, вона повинна пояснювати існування всіх елементарних частинок. Пошуки Єдиної теорії називають однією з головних цілей сучасної науки. (10)
Ідея єдиної теорії виникла завдяки знанням, накопиченим не одним поколінням учених. У міру отримання знань розширювалося уявлення людства про навколишній світ і його закони. Оскільки наукова картина світу являє собою узагальнене, системне утворення, її радикальна зміна не можна звести до окремого, нехай навіть і найбільшому наукового відкриття. Останнє може, однак, породити якусь ланцюгову реакцію, здатну дати цілу серію, комплекс наукових відкриттів, які і приведуть в кінцевому рахунку до зміни наукової картини світу. У цьому процесі найбільш важливі, звичайно, відкриття у фундаментальних науках, на які вона спирається. Крім того, пам'ятаючи про те, що наука - це перш за все метод, неважко припустити, що зміна наукової картини світу має означати і радикальну перебудову методів отримання нового знання, включаючи зміни і в самих нормах та ідеали науковості. (11)
Розвиток уявлення про світ відбувалося не відразу. Таких чітко і однозначно фіксованих радикальних змін наукових картин світу, тобто наукових революцій, в історії розвитку науки взагалі і природознавства, зокрема, можна виділити три. Якщо їх персоніфікувати за іменами вчених, які відіграли у цих подіях найбільш помітну роль, то три глобальних наукових революції повинні називатися арістотелівської, ньютонівської і ейнштейнівської.
У VI - IV ст. до н.е. була здійснена перша революція в пізнанні світу, в результаті якої і з'являється на світ сама наука. Історичний сенс цієї революції полягає в отличении науки від інших форм пізнання та освоєння світу, у створенні певних норм і зразків побудови наукового знання. Звичайно, проблема виникнення Всесвіту займала розуми людей уже дуже давно.
Згідно з ряду ранніх іудейсько християнсько мусульманським міфам, наша Всесвіт виник у якийсь певний і не дуже віддалений момент часу в минулому. Однією з підстав таких вірувань була потреба знайти «першопричину» існування Всесвіту. Будь-яка подія у Всесвіті пояснюють, вказуючи його причину, тобто інша подія, що сталася раніше; подібне пояснення існування самого Всесвіту можливо лише в тому випадку, якщо у неї був початок. Інша підстава висунув Блаженний Августин (православна Церква вважає Августина блаженним, а Католицька - святим). у книзі «Град Божий». Він вказав на те, що цивілізація прогресує, а ми пам'ятаємо, хто зробив те чи інше діяння і хто що винайшов. Тому людство, а значить, ймовірно, і Всесвіт, навряд чи дуже довго існують. Блаженний Августин вважав прийнятною дату створення Всесвіту, відповідну книзі «Буття»: приблизно 5000 рік до нашої ери. (Цікаво, що ця дата не така вже й далека від кінця останнього льодовикового періоду - 10 000 років до н. Е.., Який археологи вважають початком цивілізації). (8)
Арістотелем же і більшості інших грецьких філософів не подобалася ідея створення Всесвіту, так як вона зв'язувалася з божественним втручанням. Тому вони вважали, що люди і навколишній їх світ існували і будуть існувати вічно. Довід щодо прогресу цивілізації вчені старовини розглядали і вирішили, що в світі періодично відбувалися потопи та інші катаклізми, які весь час повертали людство до вихідної точки цивілізації.
Аристотель створив формальну логіку, тобто фактично вчення про доведення, - головний інструмент виведення та систематизації знання; розробив категоріально-понятійний апарат; затвердив своєрідний канон організації наукового дослідження (історія питання, постановка проблеми, аргументи «за» і «проти», обгрунтування рішення); предметно диференціював саме наукове знання , відокремивши науки про природу від метафізики (філософії), математики і т.д. Задані Аристотелем норми науковості знання, зразки пояснення, опису та обгрунтування в науці користувалися незаперечним авторитетом більше тисячі років, а багато чого (законів формальної логіки, наприклад) дієво і понині.
Найважливішим фрагментом античної наукової картини світу стало послідовне геоцентричної вчення про світові сферах. Геоцентризм тієї епохи зовсім не був «природним» описом безпосередньо спостережуваних фактів. Це був важкий і сміливий крок у невідомість: адже для єдності і несуперечливості побудови космосу довелося доповнити видиму небесну півсферу аналогічної невидимою, допустити можливість існування антиподів, тобто мешканців протилежного боку земної кулі, і т.д. (11)
Аристотель думав, що Земля нерухома, а Сонце, Місяць, планети і зірки обертаються навколо неї по кругових орбітах. Він так вважав, бо у відповідності зі своїми містичними поглядами Землю вважав центром Всесвіту, а круговий рух - самим досконалим. Птолемей в II столітті розвинув ідею Аристотеля в повну космологічну модель. Земля стоїть в центрі, оточена вісьмома сферами, що несуть на собі Місяць, Сонце і п'ять відомих тоді планет: Меркурій, Венеру, Марс, Юпітер і Сатурн (рис. 1.1). Самі планети, вважав Птолемей, рухаються за меншими колам, скріпленим з відповідними сферами. Це пояснювало той вельми складний шлях, який, як ми бачимо, здійснюють планети. На самій останній сфері розташовуються нерухомі зірки, які, залишаючись в одному і тому ж положенні один відносно одного, рухаються по небу всі разом як єдине ціле. Що лежить за останньою сферою, не пояснювалося, але в усякому разі це вже не було частиною тієї Всесвіту, яку спостерігає людство.
Модель Птолемея дозволяла непогано передбачати положення небесних тіл на небосхилі, але для точного передбачення йому довелося прийняти, що траєкторія Місяця в одних місцях наближається до Землі в 2 рази ближче, ніж у інших! Це означає, що в одному положенні Місяць повинен здаватися в 2 рази більшою, ніж в іншому! Птолемей знав про цей недолік, але тим не менш його теорія була визнана, хоч і не скрізь. Християнська Церква прийняла Птолемеєва модель Всесвіту як не суперечить Біблії, бо ця модель була дуже хороша тим, що залишала за межами сфери нерухомих зірок багато місця для пекла і раю. Однак в 1514 р. польський священик Микола Коперник запропонував ще більш просту модель. (Спочатку, побоюючись, напевно, того, що Церква визнає його єретиком, Коперник пропагував свою модель анонімно). Його ідея полягала в тому, що Сонце стоїть нерухомо в центрі, а Земля та інші планети обертаються навколо нього по кругових орбітах. Минуло майже століття, перш ніж ідею Коперника сприйняли серйозно. Два астронома - німець Йоганн Кеплер і італієць Галілео Галілей - публічно виступили на підтримку теорії Коперника, незважаючи на те що передбачені Коперником орбіти не зовсім збігалися з спостерігаються. Теорії Аристотеля-Птолемея прийшов кінець в 1609 р., коли Галілей почав спостерігати нічне небо з допомогою щойно винайденого телескопа. Направивши телескоп на планету Юпітер, Галілей виявив кілька маленьких супутників, або лун, які обертаються навколо Юпітера. Це означало, що не всі небесні тіла повинні обов'язково звертатися безпосередньо навколо Землі, як вважали Аристотель і Птолемей. (Зрозуміло, можна було і раніше вважати, що Земля спочиває в центрі Всесвіту, а місяці Юпітера рухаються по дуже складному шляху навколо Землі, так що лише здається, ніби вони обертаються навколо Юпітера. Однак теорія Коперника була значно простіше.) У той же час Йоганн Кеплер модифікував теорію Коперника, виходячи з припущення, що планети рухаються не по колу, а по еліпсах (еліпс - це витягнута коло). Нарешті то тепер передбачення збіглися з результатами спостережень.
Що стосується Кеплера, то його еліптичні орбіти були штучної гіпотезою, і притому «невишукана», так як еліпс набагато менш досконала фігура, ніж коло. Майже випадково виявивши, що еліптичні орбіти добре узгоджуються зі спостереженнями, Кеплер так і не зумів примирити цей факт зі своєю ідеєю про те, що планети обертаються навколо Сонця під дією магнітних сил. Пояснення прийшло лише набагато пізніше, в 1687 р., коли Ісаак Ньютон опублікував свою книгу «Математичні начала натуральної філософії». Ньютон в ній не тільки висунув теорію руху матеріальних тіл у часі і просторі, але і розробив складні математичні методи, необхідні для аналізу руху небесних тіл.
Крім того, Ньютон постулював закон всесвітнього тяжіння, за яким всяке тіло у Всесвіті притягається до будь-якого іншого тіла з тим більшою силою, чим більше маси цих тіл і чим менша відстань між ними. Це та сама сила, яка змушує тіла падати на землю. (Розповідь про те, що Ньютона надихнуло яблуко, що впало йому на голову, майже напевно недостоверен. Сам Ньютон сказав про це лише те, що думка про тяжіння прийшла, коли він сидів у «споглядальному настрої», і «приводом було падіння яблука») .
Далі Ньютон показав, що, згідно з її законодавством, Місяць під дією гравітаційних сил рухається по еліптичній орбіті навколо Землі, а Земля і планети обертаються по еліптичних орбітах навколо Сонця. (8) Модель Ньютона - це одне тіло, що рухається в абсолютному нескінченному просторі рівномірно і прямолінійно доти, поки на це тіло не подіє сила (перший закон механіки) або два тіла, що діють один на одного з рівними і протилежно спрямованими силами (третій закон механіки); сама ж сила вважається просто причиною прискорення рухомих тіл (другий закон механіки ), тобто, як би існує сама по собі і невідомо звідки береться. (5)
Від Ньютона збереглося розгляд механіки як універсальної фізичної теорії. У XIX ст. це місце зайняла механістична картина світу, що включає механіку, термодинаміку і кінетичну теорію матерії, пружну теорію світла і електромагнетизм. Відкриття електрона стимулювало перегляд уявлень. В кінці століття Х. Лоренц побудував свою електронну теорію для охоплення всіх явищ природи, але цього не досяг. Проблеми, пов'язані з дискретністю заряду і безперервністю поля, і проблеми в теорії випромінювання («ультрафіолетова катастрофа») призвели до створення квантово-польової картини світу і квантової механіки. (7)
Класичний приклад використання абстрактних понять для пояснення природи дав у 1915 р. Ейнштейн, опублікувавши свою воістину епохальну загальну теорію відносності. Ця робота належить до числа небагатьох, які знаменують поворотні моменти в уявленнях людини про навколишній світ. Краса теорії Ейнштейна обумовлена не тільки могутністю та елегантністю рівнянь гравітаційного поля, а й нищівного радикалізмом егo поглядів. Загальна теорія відносності впевнено проголосила, що гравітація є геометрію іскрівленнoгo простору. На зміну поданням про прискорення в просторі прийшло подання про викривлення простору. (2)
Після створення СТО очікувалося, що загальне охоплення світу природи здатна дати електромагнітна картина світу, яка з'єднувала теорію відносності, теорію Максвелла і механіку, але і ця ілюзія незабаром була розвіяна. (7)
Спеціальна теорія відносності (СТО) (приватна теорія відносності; релятивістська механіка) - теорія, що описує рух, закони механіки і просторово-часові відносини при швидкостях руху, близьких до швидкості світла. У рамках спеціальної теорії відносності класична механіка Ньютона є наближенням низьких швидкостей. Узагальнення СТО для гравітаційних полів називається загальною теорією відносності (ЗТВ). (10) В основу СТО покладені два постулати:
1. У всіх інерціальних системах відліку швидкість світла незмінна (є інваріантом) і не залежить від руху джерела, приймача або самої системи відліку. У класичній механіці Галілея - Ньютона величина швидкості відносного зближення двох тіл завжди більше швидкостей цих тіл і залежить як від швидкості одного об'єкта, так і від швидкості іншого. Тому нам важко повірити, що швидкість світла не залежить від швидкості його джерела, але це науковий факт.
2. Реальне простір і час утворюють єдиний чотиривимірний просторово-часової континуум так, що при переході між системами відліку зберігається незмінним величина просторово-часового інтервалу між подіями. У СТО не існує подій одномоментних у всіх системах відліку. Тут дві події, одночасні в одній системі відліку, виглядають різновіковими з точки зору іншої, що рухається або спочиває, системи відліку.
У спеціальній теорії відносності зберігаються всі основні визначення класичної фізики - імпульсу, роботи, енергії. Однак з'являється і нове: в першу чергу - залежність маси від швидкості руху. Тому не можна використовувати класичне вираз для кінетичної енергії, адже воно отримано в припущенні про незмінність маси об'єкта. (6)
Багато теоретиків намагалися єдиними рівняннями охопити гравітацію і електромагнетизм. Під впливом Ейнштейна, який ввів чотиривимірний простір-час, будувалися багатовимірні теорії поля в спробах звести явища до геометричних властивостей простору.
Об'єднання здійснилося на основі встановленої незалежності швидкості світла для різних спостерігачів, що рухаються в порожньому просторі при відсутності зовнішніх сил. Ейнштейн зобразив світову лінію об'єкта на площині (рис.2), де просторова вісь спрямована горизонтально, а тимчасова - вертикально. Тоді вертикальна пряма - це світова лінія об'єкта, який спочиває в даній системі відліку, а похила - об'єкта, що рухається з постійною швидкістю. Крива світова лінія відповідає руху об'єкта з прискоренням. Будь-яка точка на цій площині відповідає положенню в даному місці в даний час і називається подією. Гравітація при цьому вже не сила, діюча на пасивному тлі простору і часу, а являє собою спотворення самого простору-часу. Адже гравітаційне поле - це «кривизна простору-часу. (7)
Рис.2. Просторово-часова діаграма
Незабаром після створення (1905 рік) спеціальна теорія відносності перестала влаштовувати Ейнштейна, і він почав працювати над її узагальненням. Те ж відбулося і з загальною теорією відносності. У 1925 році Ейнштейн почав працювати над теорією, якої йому було призначено займатися з короткими перервами до кінця днів. Основна проблема, яка його хвилювала, - природа джерел поля - вже мала до того моменту, коли їй зайнявся Ейнштейн, певну історію. Чому, наприклад, частки не розвалюються? Адже електрон несе негативний заряд, а негативні заряди відштовхують один одного, тобто електрон мав би вибухнути зсередини через відштовхування сусідніх ділянок!
У якомусь сенсі ця проблема збереглася до сьогоднішнього дня. Поки ще не побудована задовільна теорія, що описує сили, які діють всередині електрона, але труднощі вдається обійти, припустивши, що в електрона немає внутрішньої структури - це точковий заряд, що не має розмірів і, отже, не розривається зсередини. (4)
Проте прийнято вважати, що основні положення сучасної космології - науки про будову і еволюцію Всесвіту - почали формуватися після створення в 1917 р. А. Ейнштейном перший релятивістської моделі, заснованої на теорії гравітації і претендувала на опис всього Всесвіту. Ця модель характеризувала стаціонарний стан Всесвіту і, як показали астрофізичні спостереження, виявилася невірною.
Важливий крок у вирішенні космологічних проблем зробив у 1922 р. професор Петроградського університету А.А. Фрідман (1888-1925). У результаті рішення космологічних рівнянь він прийшов до висновку: Всесвіт не може перебувати в стаціонарному стані - всі галактики віддаляються в прямому напрямку один від одного, і тому всі вони знаходилися в одному місці.
Наступний крок був зроблений в 1924 р., коли в обсерваторії Маунт Вілсон в Каліфорнії американський астроном Е. Хаббл (1889-1953) виміряв відстань до найближчих галактик (у той час званих туманностями) і тим самим відкрив світ галактик. Коли астрономи почали дослідження спектрів зірок інших галактик, виявилося щось ще більш дивне: у нашій власній Галактиці виявилися ті ж самі характерні набори відсутніх квітів, що й у зірок, але всі вони були зрушені на одну і ту ж величину до червоного кінця спектра. Видиме світло - це коливання, або хвилі електромагнітного поля. Частота (кількість хвиль в одну секунду) світлових коливань надзвичайно висока - від чотирьохсот до семисот мільйонів хвиль в секунду. Людське око сприймає світло різних частот як різні кольори, причому найнижчі частоти відповідають червоного кінця спектра, а найвищі - фіолетового. Уявімо собі джерело світла, розташоване на фіксованій відстані від нас (наприклад, зірку), що випромінює з постійною частотою світлові хвилі. Очевидно, що частота хвиль, що приходять буде такою ж, як та, з якою вони випромінюються (нехай гравітаційне поле галактики невелике і його вплив несуттєво). Припустимо тепер, що джерело починає рухатися в нашу сторону. При випущенні наступної хвилі джерело виявиться ближче до нас, а тому час, за який гребінь цієї хвилі до нас дійде, буде менше, ніж у випадку нерухомої зірки. Стало бути, час між гребенями двох прийшли хвиль буде менше, а кількість хвиль, що приймаються нами за одну секунду (тобто частота), буде більше, ніж коли зірка була нерухома. При видаленні ж джерела частота хвиль, що приходять буде менше. Це означає, що спектри віддаляються зірок будуть зрушені до червоного кінця (червоне зміщення), а спектри наближаються зірок повинні відчувати фіолетове зсув. Таке співвідношення між швидкістю і частотою називається ефектом Доплера, і цей ефект звичайний навіть у нашому повсякденному житті. Ефектом Доплера користується поліція, визначаючи здалеку швидкість руху автомашин по частоті радіосигналів, що відбиваються від них.
Довівши, що існують інші галактики, Хаббл всі наступні роки присвятив складання каталогів відстаней до цих галактик і спостереженню їх спектрів. У той час більшість учених вважали, що рух галактик відбувається випадковим чином і тому спектрів, зміщених в червону сторону, має спостерігатися стільки ж, скільки і зміщених у фіолетову. Яке ж було здивування, коли у більшій частині галактик виявилося червоне зміщення спектрів, тобто виявилося, що майже всі галактики віддаляються від нас! Ще більш дивним було відкриття, опубліковане Хабблом в 1929 р.: Хаббл виявив, що навіть величина червоного зсуву не випадкова, а прямо пропорційна відстані від нас до галактики. Іншими словами, чим далі знаходиться галактика, тим швидше вона видаляється! А це означало, що Всесвіт не може бути статичним, як думали раніше, що насправді вона безперервно розширюється і відстані між галактиками весь час зростають. (8)
Розширення Всесвіту означає, що в минулому її обсяг був меншим, ніж нині. Якщо в моделі Всесвіту, розробленої Ейнштейном і Фрідманом, час повернути назад, події підуть у зворотному порядку, як у кінофільмі, запущеному з кінця. Тоді вийде, що приблизно 13 млрд. років тому радіус Всесвіту був дуже малий, тобто вага галактики, міжзоряне середовище і випромінювання - словом, все, що нині становить Всесвіт, було зосереджено в мізерно малому обсязі, близькому до нуля. Це первинне надщільного і надгаряча стан Всесвіту не має аналогів в сучасній нам дійсності. (2) Передбачається, що в той час щільність речовини Всесвіту була порівнянна із щільністю атомного ядра і весь Всесвіт представляла собою величезну ядерну краплю. З якихось причин ядерна крапля опинилася в нестійкому стані і вибухнула. Це припущення лежить в основі концепції великого вибуху. (12)
Ближче всіх до реалізації мрії Ейнштейна підійшов маловідомий польський фізик Теодор Калуци, який ще в 1921 році задався метою узагальнити теорію Ейнштейна, включивши електромагнетизм в геометричну формулювання теорії поля (подібно до того, як геометрія простору-часу описує гравітацію). Це слід було зробити так, щоб рівняння теорії електромагнетизму Максвелла продовжували виконуватися. Калуци розумів, що теорію Максвелла неможливо сформулювати мовою чистої геометрії (у тому сенсі, як ми її зазвичай розуміємо), навіть допускаючи наявність викривленого простору. Калуци зробив наступний крок за Ейнштейном, додав до чотиривимірним простору-часу п'ятий (не спостерігається) зміна в якій електромагнетизм є свого роду "гравітацією" (про слабкий і сильній взаємодії тоді було не відомо). Постає питання: чому ж ми ніяк не відчуваємо цього п'ятого виміру (на відміну від перших чотирьох)?
У 1926 р. шведський фізик Оскар Клейн припустив, що ми не помічаємо додаткового виміру тому, що воно в деякому сенсі "згорнулося" до дуже малих розмірів. З кожної точки простору в п'ятий вимір виходить невелика петелька. Ми не помічаємо всіх цих петель через малість їх розмірів. Клейн обчислив периметр петель навколо п'ятого виміру, використовуючи відоме значення елементарного електричного заряду електрона і інших частинок, а також величину гравітаційної взаємодії між частинками. Він виявився рівним 10-32 см, тобто в 1020 разів менше розміру атомного ядра. Тому не дивно, що ми не помічаємо п'ятого виміру: воно скручено в масштабах, які значно менше розмірів будь-який з відомих нам структур, навіть у фізиці суб'ядерних частинок. Очевидно, в такому випадку не виникає питання про рух, скажімо, атома в п'ятому вимірі. Скоріше це вимірювання слід уявляти собі як щось яка була всередині атома. (7)
На деякий час теорія Клауца-Клейна була забута, але коли сильна, слабка і електромагнітна взаємодія були об'єднані в єдину теорію, і залишалося знайти загальну теорію для них і для гравітації, теорію Клауца-Клейна знову згадали. Для того, щоб виконувалися всі необхідні операції симетрій, довелося приєднати ще 7 вимірювань (весь простір в цілому вийшло 11-мірним). А щоб ці додаткові вимірювання не відчувалися, вони повинні бути згорнуті в дуже малих масштабах. Однак, тепер постає питання: якщо один вимір можна згорнути тільки в коло, то сім вимірів можна скрутити в фігуру різних топологій (або в 7-мірний тор, або в 7-мірну сферу, або в будь-яку іншу фігуру). Найбільш простою моделлю, до якої схиляються більшість учених може служити 7-мірна сфера (7-сфера). Як передбачається, чотири спостерігаються зараз вимірів простору-часу не згорнулися, оскільки такий стан відповідає найменшої енергії (до якого прагнуть усі фізичні системи). Існує гіпотеза, згідно з якою на ранніх стадіях життя Всесвіту всі ці виміри були розгорнуті. (2)
Величезна різноманітність природних систем і структур, їх особливості та динамізм обумовлюються взаємодією матеріальних об'єктів, тобто їх взаємним дією один на одного. Саме взаємодія - основна причина руху матерії, тому взаємодія, як і рух, універсально, тобто притаманне всім матеріальним об'єктам незалежно від їх приро-ди походження та системної організації. Особливості різних взаємодій визначають умови існування та специфіку властивостей матеріальних об'єктів.
Взаємодіючі об'єкти обмінюються енергією і - основними характеристиками їх руху. У класичній фізиці взаємодія визначається силою, з якою один матеріальний об'єкт діє на інший.
Довгий час вважалося, що взаємодія матеріальних об'єктів, що знаходяться навіть на великій відстані один від одного, передається через порожній простір миттєво. Таке твердження відповідає концепції дальнодії. До теперішнього часу експериментально підтверджена інша концепція - концепція блізкодействія: взаємодії передаються за допомогою фізичних полів з кінцевою швидкістю, що не перевищує швидкості світла у вакуумі. Ця, по суті, польова концепція в квантовій теорії поля доповнюється твердженням: при будь-якій взаємодії відбувається обмін особливими частками - квантами поля.
Спостережувані в природі взаємодії матеріальних об'єктів і систем дуже різноманітні. Однак, як показали фізичні дослідження, всі взаємодії можна віднести до чотирьох видів фундаментальних взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильному і слабкому.
Гравітаційна взаємодія проявляється у взаємному тяжінні будь-яких матеріальних об'єктів, що мають масу. Воно передається за допомогою гравітаційного поля і визначається фундаментальним законом природи - закону всесвітнього тяжіння. Законом всесвітнього тяжіння описуються падіння матеріальних тіл у полі Землі, рух планет Сонячної системи, зірок і т.п.
Відповідно до квантової теорії поля переносниками гравітаційної взаємодії є Гравітон - частинки з нульовою масою, кванти гравітаційного поля. Електромагнітна взаємодія обумовлено електричними зарядами і передається за допомогою електричного і магнітного полів. Електричне поле виникає при наявності електричних зарядів, а магнітне - при їх русі. Змінюється магнітне поле породжує змінне електричне поле, яке, у свою чергу, є джерелом змінного магнітного поля.
Завдяки електромагнітного взаємодії існують атоми і молекули, відбуваються хімічні перетворення речовини. Різні агрегатні стани речовини, тертя, пружність і т.п. визначаються силами міжмолекулярної взаємодії, електромагнітними за своєю природою. Електромагнітна взаємодія описується фундаментальними законами електростатики і електродинаміки: законом Кулона, законом Ампера і ін, і в узагальненому вигляді - електромагнітної теорією Максвелла, що зв'язує електричне і магнітне поля. Отримання, перетворення і застосування електричного і магнітного полів, а також електричного струму служать основою для створення різноманітних сучасних технічних засобів: електроприладів, радіоприймачів, телевізорів, освітлювальних і нагрівальних приладів, комп'ютерів і т.д.
Відповідно до квантової електродинаміки, переносниками електромагнітного взаємодії є фотони - кванти електромагнітного поля з нульовою масою. У багатьох випадках вони реєструються приладами у вигляді електромагнітної хвилі різної довжини. Наприклад, сприймається неозброєним оком видиме світло, за допомогою якого відображається основна частка (близько 90%) інформації про навколишній світ, являє собою електромагнітну хвилю в досить вузькому діапазоні довжин хвиль (приблизно 0,4-0,8 мкм), що відповідає максимуму сонячного випромінювання.
Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Воно визначається ядерними силами, що володіють зарядовим незалежністю, короткодіючі, насиченням та іншими властивостями. Сильна взаємодія відповідає за стабільність атомних ядер. Чим сильніше взаємодія нуклонів у ядрі, тим стабільніше ядро, тим більше його питома енергія зв'язку. Зі збільшенням числа нуклонів у ядрі і, отже, розміру ядра питома енергія зв'язку зменшується і ядро може розпадатися, що і відбувається з ядрами елементів, що знаходяться в кінці таблиці Менделєєва.
Передбачається, що сильна взаємодія передається глюонами - частинками, «склеюють» кварки, що входять до складу протонів, нейтронів та інших частинок.
У слабкій взаємодії беруть участь всі елементарні частинки, крім фотона. Воно обумовлює більшість розпадів елементарних частинок, взаємодія нейтрино з речовиною та інші процеси. Слабка взаємодія проявляється головним чином у процесах бета-розпаду атомних ядер багатьох ізотопів, вільних нейтронів і т.д. Прийнято вважати, що переносниками слабкої взаємодії є Віона - частинки з масою, приблизно в 100 разів більшої маси протонів і нейтронів. (9)
До справжнього моменту єдина теорія опису взаємодій ще не розроблена до кінця, але більшість вчених схиляються до утворення Всесвіту в результаті Великого вибуху: в нульовий момент часу Всесвіт виник з сингулярності, тобто з точки з нульовим обсягом і нескінченно високими щільністю і температурою. Саме «початок» Всесвіту, тобто її стан, що відповідає, за теоретичними розрахунками, радіусу, близьким до нуля, вислизає поки навіть від теоретичного уявлення. Справа в тому, що рівняння релятивістської астрофізики зберігають силу до щільності порядку 1093 г/см3. Стисла до такої щільності Всесвіт колись мала радіус порядку однієї десятібілліонной частки сантиметра, тобто за розмірами була порівнянна з протоном! Температура цієї мікровсесвіту, до речі сказати, що важила не менше 1051 тонн, була неймовірно велика і, мабуть, близька до 1032 градусів. Такий Всесвіт був через мізерну частку секунди після початку «вибуху». У самому ж «початок» і щільність і температура звертаються в нескінченність, тобто це «початок», застосовуючи математичну термінологію, є тією особливою «сингулярної» точкою, для якої рівняння сучасної теоретичної фізики втрачають фізичний зміст. Але це не означає, що до «початку» нічого не було: просто ми не можемо уявити собі, що було до умовного «початку» Всесвіту. (3)
Коли вік Всесвіту досяг однієї сотої частки секунди, її температура впала приблизно до 1011 К, ставши нижче порогового значення, при якому можуть народжуватися протони і нейтрони, деякі з цих частинок уникли анігіляції - інакше в сучасній нам Всесвіту не було б речовини. Через 1 секунду після Великого вибуху температура знизилася до 10 10 До, і нейтрино перестали взаємодіяти з речовиною. Всесвіт стала практично «прозорою» для нейтрино. Електрони й позитрони ще продовжували анігілювати і виникати знову, але приблизно через 10 секунд рівень густини енергії випромінювання впав нижче і їх порогу, і величезне число електронів і позитронів перетворилося у випромінювання катастрофічного процесу взаємної анігіляції. По закінченню цього процесу, проте, залишилося певну кількість електронів, достатню, щоб, об'єднавшись з протонами і нейтронами, дати початок тій кількості речовини, яке ми спостерігаємо сьогодні у Всесвіті.
Подальша історія Всесвіту більш спокійна, ніж її бурхливий початок. Темп розширення поступово сповільнилося, температура, як і середня щільність, поступово знижувалася, і коли Всесвіту виповнився мільйон років, її температура стала настільки низькою (3500 градусів за Кельвіном), що протони і ядра атомів гелію вже могли захоплювати вільні електрони і перетворюватися при цьому в нейтральні атоми. З цього моменту, по суті, починається сучасний етап еволюції Всесвіту. Виникають галактики, зірки, планети. Врешті-решт через багато мільярдів років Всесвіт стала такою, якою ми її бачимо. (3)
Але це не єдина гіпотеза. Згідно з однією з гіпотез, Всесвіт почала розширюватися хаотично і безладно, а потім, під дією деякого механізму дисипації (загасання) виникла певна впорядкованість. Таке припущення про повну первинному хаосі на противагу повної первинної симетрії привабливе тим, що тут не потрібно "творити" Всесвіт у якому-небудь суворо певному стані. Якщо вченим вдасться підшукати підходящий механізм затухання, то це дозволить узгодити з піднаглядним тепер виглядом Всесвіту дуже велике коло початкових умов.
Одна з найбільш поширених гіпотез про механізм дисипації - це гіпотеза народження частинок і античастинок з енергії, яку дають приливні ефекти в гравітаційному полі. Частинки і античастинки народжуються викривленим «порожнім» простором (аналогічно нагоди простору, викривленого чорною дірою), і простір реагує на таке народження зменшенням кривизни. Чим сильніше викривлене простір-час, тим інтенсивніше відбувається народження частинок і античастинок. У неоднорідній Всесвіту такі ефекти повинні були всі вирівнювати, створюючи стан однорідності. Можливо, навіть, що вся матерія у Всесвіті виникла саме таким шляхом, а не з сингулярності. Такий процес не вимагає народження матерії без антиматерії, як в первинній сингулярності. Труднощі цієї гіпотези, однак, полягає в тому, що поки не вдалося знайти механізму розподілу матерії і антиматерії, який не дозволяв би більшої їх частини знову анігілювати.
З одного боку, існування неоднорідностей могло б нас позбавити від сингулярності, але Джордж Елліс і Стівен Хоукінг за допомогою математичних моделей показали, що при обліку деяких вельми правдоподібних положень про поведінку матерії, при великих тисках не можна виключити існування хоча б однієї сингулярності, навіть якщо допустити відхилення від однорідності. Поведінка анізотропної і неоднорідною Всесвіту в минулому поблизу сингулярності могло бути дуже складним, і тут дуже важко будувати будь-які моделі. Простіше скористатися моделями Фрідмана, які передбачають поведінку Всесвіту від народження до загибелі (у разі сферичної топології). Хоча відхилення від однорідності і не позбавляють нашу Всесвіт від сингулярності в просторі-часу, тим не менш, можливо, що велика частина наявної на сьогоднішній день матерії Всесвіту не потрапляла в цю сингулярність. Такого роду вибухи, коли матерія, що має надвисоку, але не нескінченну щільність, з'являється по сусідству з сингулярностью, були названі "скиглення". Проте для виконання теореми Хоукіна-Елліса потрібно, щоб енергія і тиск залишалися позитивними. Немає ніякої гарантії, що при надвисоких густинах матерії ці умови виконуються.
Є припущення, що квантові ефекти, але вже не в матерії, а в просторі-часу (квантова гравітація), які стають дуже істотними при високих значеннях кривизни простору-часу, могли б запобігти зникненню Всесвіту в сингулярності, викликаючи, наприклад, "відскок" матерії при досить великій щільності. Однак, через відсутність задовільною теорії квантової гравітації, міркування не дають чітких висновків. Якщо прийняти гіпотезу "скиглення" або квантового "відскоку", то це означає, що простір і час існували і до цих подій. (13)
Вже після відкриття розширення Всесвіту, в 1946 році британські астрофізики Герман Бонді і Томас Голд припустили що все ж таки, раз Всесвіт однорідний в просторі, вона повинна бути однорідна і в часі. У такому випадку, розширюватися вона повинна з постійною швидкістю, а щоб не відбувалося зменшення щільності речовини, повинні безперервно утворюватися нові галактики, які заповнять проміжки, що утворилися від розбігання вже існуючих галактик. Речовина для побудови нових галактик безперервно з'являється у міру розширення Всесвіту. Така всесвіт не статична, а стационарна: окремі зірки й галактики проходять свої життєві цикли, але в цілому Всесвіт не має ні початку, ні кінця. Для пояснення, як з'являється речовина без порушення закону збереження енергії, Фред Хойл придумав поле нового типу - створює поле з негативною енергією. При утворенні речовини, негативна енергія цього поля посилюється, і загальна енергія зберігається.
Частота народження атомів при такій моделі настільки мала, що не може бути виявлена експериментально. До середини 60-х років були зроблені відкриття, що свідчать про те, що Всесвіт еволюціонує. Потім було відкрито фонове теплове випромінювання, що свідчить про те, що Всесвіт кілька мільярдів років тому перебувала в гарячому щільному стані, і тому не може бути стаціонарним.
Тим не менш, з філософської точки зору концепція не народжується і не вмирає всесвіту дуже приваблива. З'єднати філософські гідності стаціонарної всесвіту з теорією великого вибуху можна в моделях осцилюючою всесвіту. Така космологічна модель виходить з фрідмановской моделі зі стисненням, доповненої припущенням про те, що всесвіт не гине при виникненні сингулярностей на обох тимчасових "кінці", а проходить надщільного стан та здійснює "стрибок" в наступний цикл розширення і стиснення. Такий процес може тривати нескінченно. Однак, для того, щоб не накопичувалися ентропія і фонове випромінювання від попередніх циклів розширення-стиснення, доведеться прийняти, що на стадії великої щільності порушуються всі термодинамічні закони (тому й ентропія не накопичується), однак передбачається збереження законів теорії відносності. У своєму крайньому вираженні така точка зору припускає, що всі закони і світові константи в кожному циклі будуть новими, а оскільки від циклу до циклу нічого не зберігається, то можна говорити про фізично не пов'язаних один з одним всесвітів. З таким же успіхом можна припустити одночасне існування нескінченного ансамблю всесвітів, деякі з них можуть бути схожі і на нашу. Ці умовиводи мають суто філософський характер і не можуть бути спростовані ані експериментом, ні спостереженням. (13)
Наскільки багато гіпотез створення Всесвіту, настільки ж різноманітний пошук теорії всього - стандартна модель, теорія струн, М-теорія, виключно проста теорія всього, теорії Великого об'єднання і т. д.
Стандартна модель - теоретична конструкція у фізиці елементарних частинок, що описує електромагнітну, слабку і сильну взаємодію всіх елементарних частинок. Стандартна модель не включає в себе гравітацію. До цих пір всі прогнози стандартної моделі підтверджувалися експериментами, іноді з фантастичною точністю в мільйонні частки відсотка. Тільки в останні роки стали з'являтися результати, в яких передбачення стандартної моделі злегка розходяться з експериментом і навіть явища, вкрай важко піддаються інтерпретації в її рамках. З іншого боку, очевидно, що стандартна модель не може бути останнім словом у фізиці елементарних частинок, бо вона містить дуже багато зовнішніх параметрів, а також не включає гравітацію. Тому пошук відхилень від стандартної моделі - один з найактивніших напрямків дослідження в останні роки.
Теорія струн - напрямок математичної фізики, що вивчає динаміку та взаємодії не точкових частинок, а одновимірних протяжних об'єктів, так званих квантових струн. Теорія струн поєднує в собі ідеї квантової механіки і теорії відносності, тому на її основі, можливо, буде побудована майбутня теорія квантової гравітації. Теорія струн заснована на гіпотезі, що всі елементарні частинки і їх фундаментальні взаємодії виникають в результаті коливань і взаємодії ультрамікроскопічних квантових струн на масштабах порядку планковской довжини 10-35 м. Даний підхід, з одного боку, дозволяє уникнути таких труднощів квантової теорії поля, як перенормування , а з іншого боку, призводить до більш глибокого погляду вглиб структури матерії і простору-часу.
Квантова теорія струн виникла на початку 1970-х років в результаті осмислення формул Габріеле Венециано, пов'язаних зі струнними моделями будови адронів. Середина 1980-х і середина 1990-х ознаменувалися бурхливим розвитком теорії струн, очікувалося, що найближчим часом на основі теорії струн буде сформульована «теорія всього». Але, незважаючи на математичну строгість і цілісність теорії, поки не знайдені варіанти експериментального підтвердження теорії струн. Виникла для опису адронний фізики, але не цілком підійшла для цього, теорія виявилася в свого роду експериментальному вакуумі опису всіх взаємодій.
M-теорія (мембранна теорія) - сучасна фізична теорія, створена з метою об'єднання фундаментальних взаємодій. В якості базового об'єкта використовується так звана «брану» (багатовимірна мембрана) - протяжний двомірний або з ве льшим числом вимірів об'єкт. У середині 1990-х Едвард Віттен та інші фізики-теоретики виявили вагомі докази того, що різні суперструн теорії являють собою різні граничні випадки неопрацьованою поки 11-мірної М-теорії. У середині 1980-х теоретики прийшли до висновку, що суперсиметрія, що є центральною ланкою теорії струн, може бути включена до неї не одним, а п'ятьма різними способами, що призводить до п'яти різних теорій: типу I, типів IIA і IIB, і дві гетеритична струнні теорії. Тільки одна з них могла претендувати на роль «теорії всього», причому та, яка при низьких енергіях і компактифицированное шести додаткових вимірах узгоджувалася б з реальними спостереженнями. Залишалися відкритими питання про те, яка саме теорія більш адекватна і що робити з іншими чотирма теоріями.
Виключно проста теорія всього-єдина теорія поля, яка об'єднує всі відомі фізичні взаємодії, що існують у природі, запропонована американським фізиком Гарретом Лісі 6 листопада 2007. Теорія цікава своєю елегантністю, але вимагає серйозного доопрацювання. Деякі відомі фізики вже висловилися на її підтримку, проте в теорії виявлено низку неточностей і проблем.
Теорії Великого об'єднання - у фізиці елементарних частинок група теоретичних моделей, що описують єдиним чином сильна, слабка і електромагнітне взаємодії. Передбачається, що при надзвичайно високих енергіях ці взаємодії об'єднуються. (10)
Можна з повною упевненістю сказати, що майбутні відкриття і теорії збагатять, а не відкинутий Всесвіт, яку відкрили нам Піфагор, Аристарх, Кеплер, Ньютон і Ейнштейн, - Всесвіт настільки ж гармонійну, як Всесвіт Платона і Піфагора, але побудовану на гармонії, укладеної в математичних законах; Всесвіт не менш досконалу, ніж Всесвіт Аристотеля, але черпає свою досконалість в абстрактних законах симетрії; Всесвіт, у якому безмежна порожнеча міжгалактичних просторів залита м'яким світлом, що несе з глибин часу ще до кінця незрозумілі нам повідомлення; Всесвіт, у якої є початок в часі, але немає ні початку, ні кінця в просторі, яка, можливо, буде розширюватися вічно, а можливо, в один прекрасний момент, припинивши розширення, почне стискатися. Цей Всесвіт зовсім не схожа на ту, яка малювалася в сміливих умах тих, хто першим наважився поставити запитання: «А який наш світ насправді?». Але, я думаю, що дізнавшись про це, вони не засмутилися. (1)
Список літератури
Лейзер Д., Створюючи картину Всесвіту, М. 1999.
Девіс П., Суперсила, М. 1989.
Зігель Ф.Ю., Речовина Всесвіту, М. 1982.
Паркер Б., Мрія Ейнштейна. У пошуках єдиної теорії будови Всесвіту, М. 1991.
Аруцев А.А., Єрмолаєв Б.В., Кутателадзе І.О., Слуцький М.С., Концепції сучасного природознавства, М. 1993.
Стародубцев В.А., Концепції сучасного природознавства, Томськ, 2002.
Дубніщева Т.Я., Концепції сучасного природознавства, М. 2006.
Хокінг С., Коротка історія часу: від великого вибуху до чорних дір, С.-П., 2001
Садохін А.П., Концепції сучасного природознавства, М. 2006.
http://ru.wikipedia.org/
Лавриненко В.М, Ратніков В.П., Концепції сучасного природознавства, М. 2006.
Карпенків C.Х., Концепції сучасного природознавства, М. 2003.
Девіс П., Простір і час у сучасній картині Всесвіту, М. 1979.