11535 (Единая теория Вселенной или теория всего), страница 2

В специальной теории относительности сохраняются все основные определения классической физики - импульса, работы, энергии. Однако появляется и новое: в первую очередь - зависимость массы от скорости движения. Поэтому нельзя использовать классическое выражение для кинетической энергии, ведь оно получено в предположении о неизменности массы объекта .(6)

Многие теоретики пытались едиными уравнениями охватить гравитацию и электромагнетизм. Под влиянием Эйнштейна, который ввел четырехмерное пространство-время, строились многомерные теории поля в попытках свести явления к геометрическим свойствам пространства.

Объединение осуществилось на основе установленной независимости скорости света для разных наблюдателей, движущихся в пустом пространстве при отсутствии внешних сил. Эйнштейн изобразил мировую линию объекта на плоскости (рис.2), где пространственная ось направлена горизонтально, а временная — вертикально. Тогда вертикальная прямая — это мировая линия объекта, который покоится в данной системе отсчета, а наклонная — объекта, движущегося с постоянной скоростью. Кривая мировая линия соответствует движению объекта с ускорением. Любая точка на этой плоскости отвечает положению в данном месте в данное время и называется событием. Гравитация при этом уже не сила, действующая на пассивном фоне пространства и времени, а представляет собой искажение самого пространства-времени. Ведь гравитационное поле — это «кривизна пространства-времени.(7)

Рис.2. Пространственно-временная диаграмма

Вскоре после создания (1905 год) специальная теория относительности перестала устраивать Эйнштейна, и он начал работать над её обобщением. То же произошло и с общей теорией относительности. В 1925 году Эйнштейн начал работать над теорией, которой ему было суждено заниматься с краткими перерывами до конца дней. Основная проблема, которая его волновала, — природа источников поля — уже имела к тому моменту, когда ей занялся Эйнштейн, определённую историю. Почему, например, частицы не разваливаются? Ведь электрон несёт отрицательный заряд, а отрицательные заряды отталкивают друг друга, т.е. электрон должен был бы взорваться изнутри из-за отталкивания соседних участков!

В каком-то смысле эта проблема сохранилась до сегодняшнего дня. Пока ещё не построена удовлетворительная теория, описывающая силы, которые действуют внутри электрона, но трудности удаётся обойти, предположив, что у электрона нет внутренней структуры — это точечный заряд, не имеющий размеров и, следовательно, не разрываемый изнутри.(4)

Тем не менее принято считать, что основные положения современной космологии — науки о строении и эволюции Вселенной — начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888—1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии — все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга, и поэтому все они находились в одном месте.

Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. Когда астрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилось нечто еще более странное: в нашей собственной Галактике оказались те же самые характерные наборы отсутствующих цветов, что и у звезд, но все они были сдвинуты на одну и ту же величину к красному концу спектра. Видимый свет – это колебания, или волны электромагнитного поля. Частота (число волн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока – от четырехсот до семисот миллионов волн в секунду. Человеческий глаз воспринимает свет разных частот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуют красному концу спектра, а самые высокие – фиолетовому. Представим себе источник света, расположенный на фиксированном расстоянии от нас (например, звезду), излучающий с постоянной частотой световые волны. Очевидно, что частота приходящих волн будет такой же, как та, с которой они излучаются (пусть гравитационное поле галактики невелико и его влияние несущественно). Предположим теперь, что источник начинает двигаться в нашу сторону. При испускании следующей волны источник окажется ближе к нам, а потому время, за которое гребень этой волны до нас дойдет, будет меньше, чем в случае неподвижной звезды. Стало быть, время между гребнями двух пришедших волн будет меньше, а число волн, принимаемых нами за одну секунду (т. е. частота), будет больше, чем когда звезда была неподвижна. При удалении же источника частота приходящих волн будет меньше. Это означает, что спектры удаляющихся звезд будут сдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихся звезд должны испытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между скоростью и частотой называется эффектом Доплера, и этот эффект обычен даже в нашей повседневной жизни. Эффектом Доплера пользуется полиция, определяя издалека скорость движения автомашин по частоте радиосигналов, отражающихся от них.

Доказав, что существуют другие галактики, Хаббл все последующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению их спектров. В то время большинство ученых считали, что движение галактик происходит случайным образом и поэтому спектров, смещенных в красную сторону, должно наблюдаться столько же, сколько и смещенных в фиолетовую. Каково же было удивление, когда у большей части галактик обнаружилось красное смещение спектров, т. е. оказалось, что почти все галактики удаляются от нас! Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г.: Хаббл обнаружил, что даже величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется! А это означало, что Вселенная не может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяется и расстояния между галактиками все время растут.(8)

Расширение Вселенной означает, что в прошлом ее объем был меньше, чем ныне. Если в модели Вселенной, разработанной Эйнштейном и Фридманом, время повернуть вспять, события пойдут в обратном порядке, как в кинофильме, запущенном с конца. Тогда получится, что примерно 13 млрд. лет назад радиус Вселенной был очень мал, т. е. вес галактики, межзвездная среда и излучение - словом, все, что ныне составляет Вселенную, было сосредоточено в ничтожно малом объеме, близком к нулю. Это первичное сверхплотное и сверхгорячее состояние Вселенной не имеет аналогов в современной нам действительности.(2) Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была сравнима с плотностью атомного ядра и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.(12)

Ближе всех к реализации мечты Эйнштейна подошел малоизвестный польский физик Теодор Калуца, который еще в 1921 году задался целью обобщить теорию Эйнштейна, включив электромагнетизм в геометрическую формулировку теории поля (подобно тому, как геометрия пространства-времени описывает гравитацию). Это следовало сделать так, чтобы уравнения теории электромагнетизма Максвелла продолжали выполняться. Калуца понимал, что теорию Максвелла невозможно сформулировать на языке чистой геометрии (в том смысле, как мы ее обычно понимаем), даже допуская наличие искривленного пространства. Калуца сделал следующий шаг за Эйнштейном, добавил к четырёхмерному пространству-времени пятое (не наблюдаемое) изменение в которой электромагнетизм является своего рода "гравитацией" (о слабом и сильном взаимодействии тогда было не известно). Встаёт вопрос: почему же мы никак не ощущаем этого пятого измерения (в отличии от первых четырёх)?

В 1926 г. шведский физик Оскар Клейн предположил, что мы не замечаем дополнительного измерения потому, что оно в некотором смысле "свернулось" до очень малых размеров. Из каждой точки пространства в пятое измерение выходит небольшая петелька. Мы не замечаем всех этих петель из-за малости их размеров. Клейн вычислил периметр петель вокруг пятого измерения, используя известное значение элементарного электрического заряда электрона и других частиц, а также величину гравитационного взаимодействия между частицами. Он оказался равным 10-32 см, т.е. в 1020 раз меньше размера атомного ядра. Поэтому неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оно скручено в масштабах, которые значительно меньше размеров любой из известных нам структур, даже в физике субъядерных частиц. Очевидно, в таком случае не возникает вопроса о движении, скажем, атома в пятом измерении. Скорее это измерение следует представлять себе как нечто находящееся внутри атома.(7)

На некоторое время теория Клауца-Клейна была забыта, но когда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие были объединены в единую теорию, и оставалось найти общую теорию для них и для гравитации, теорию Клауца-Клейна снова вспомнили. Для того, чтобы выполнялись все необходимые операции симметрий, пришлось присоединить ещё 7 измерений (всё пространство в целом получилось 11-мерным). А чтобы эти дополнительные измерения не ощущались, они должны быть свёрнуты в очень малых масштабах. Однако, теперь встаёт вопрос: если одно измерение можно свернуть только в окружность, то семь измерений можно свернуть в фигуру различных топологий (либо в 7-мерный тор, либо в 7-мерную сферу, либо в какую-либо другую фигуру). Наиболее простой моделью, к которой склоняются большинство учёных может служить 7-мерная сфера (7-сфера). Как предполагается, четыре наблюдаемых сейчас измерений пространства-времени не свернулись, поскольку такое состояние соответствует наименьшей энергии (к которому стремятся все физические системы). Существует гипотеза, согласно которой на ранних стадиях жизни Вселенной все эти измерения были развёрнуты. (2)

Огромное разнообразие природных систем и структур, их особенности и динамизм обусловливаются взаимодействием материальных объектов, т.е. их взаимным действием друг на друга. Именно взаимодействие — основная причина движения материи, поэтому взаимодействие, как и движение, универсально, т.е. присуще всем материальным объектам вне зависимости от их приро- ды происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов.

Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и — основными характеристиками их движения. В классической физике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой.

Долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов, находящихся даже на большом расстоянии друг от друга, передается через пустое пространство мгновенно. Такое утверждение соответствует концепции дальнодействия. К настоящему времени экспериментально подтверждена другая концепция — концепция близкодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами — квантами поля.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.

Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы — законом всемирного тяготения. Законом всемирного тяготения описываются падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т.п.

В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны — частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное — при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля.

Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др., и в обобщенном виде — электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей, а также электрического тока служат основой для создания разнообразных современных технических средств: электроприборов, радиоприемников, телевизоров, осветительных и нагревательных приборов, компьютеров и т.д.

Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны — кванты электромагнитного поля с нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Например, воспринимаемый невооруженным глазом видимый свет, посредством которого отражается основная доля (около 90%) информации об окружающем мире, представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазоне длин волн (примерно 0,4—0,8 мкм), соответствующем максимуму солнечного излучения.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами — частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т.д. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы — частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.(9)