- La segunda parte -
La Teoría Unificada del Universo, o La Teoría del Todo, es una teoría física y matemática unificada hipotética que describe todas las interacciones fundamentales conocidas. Inicialmente, este término se usó de manera irónica para referirse a una variedad de teorías generalizadas. Con el tiempo, el término se afianzó en la popularización de la física cuántica para denotar una teoría que combinaría las cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza: interacciones gravitacionales, electromagnéticas, nucleares fuertes y nucleares débiles. Además, debe explicar la existencia de todas las partículas elementales. La búsqueda de una teoría unificada se considera uno de los principales objetivos de la ciencia moderna.
La idea de una teoría unificada surgió gracias al conocimiento acumulado por más de una generación de científicos. A medida que se adquirió conocimiento, la comprensión de la humanidad del mundo circundante y sus leyes se expandió. Dado que la imagen científica del mundo es una formación sistémica generalizada, su cambio radical no puede reducirse a un descubrimiento científico separado, incluso el más grande. Sin embargo, esto último puede dar lugar a una especie de reacción en cadena capaz de dar lugar a toda una serie, un complejo de descubrimientos científicos, que en última instancia conducirán a un cambio en la imagen científica del mundo. En este proceso, lo más importante, por supuesto, son los descubrimientos en las ciencias fundamentales en las que se basa. Además, teniendo en cuenta que la ciencia es principalmente un método, no es difícil suponer que un cambio en la imagen científica del mundo debería significar también una reestructuración radical de los métodos para obtener nuevos conocimientos.incluyendo cambios en las mismas normas e ideales de la ciencia.
El desarrollo de la idea del mundo no se produjo de inmediato. Cambios radicales tan claros y sin ambigüedades en las imágenes científicas del mundo, es decir, Hay tres revoluciones científicas en la historia del desarrollo de la ciencia en general y de las ciencias naturales en particular. Si están personificados por los nombres de los científicos que desempeñaron el papel más destacado en estos eventos, entonces las tres revoluciones científicas globales deberían llamarse aristotélicas, newtonianas y de Einstein.
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En los siglos VI - IV. ANTES DE CRISTO. se llevó a cabo la primera revolución en el conocimiento del mundo, como resultado de lo cual nació la ciencia misma. El significado histórico de esta revolución radica en distinguir la ciencia de otras formas de cognición y dominar el mundo, en la creación de ciertas normas y modelos para la construcción del conocimiento científico. Por supuesto, el problema del origen del Universo ha ocupado la mente de las personas durante mucho tiempo.
Según varios de los primeros mitos judeocristianos-musulmanes, nuestro universo surgió en un momento determinado y no muy distante del pasado. Uno de los fundamentos de tales creencias fue la necesidad de encontrar la "causa raíz" del universo. Cualquier evento en el Universo se explica indicando su causa, es decir, otro evento que sucedió antes; tal explicación de la existencia del Universo en sí es posible solo si tuvo un comienzo. Otra base fue presentada por el Beato Agustín (la Iglesia Ortodoxa considera que Agustín es una bendición, y la Iglesia Católica, un santo). en el libro "Ciudad de Dios". Señaló que la civilización progresa y recordamos quién cometió tal o cual hecho y quién inventó qué. Por lo tanto, es poco probable que la humanidad, y por lo tanto, probablemente, el Universo, exista durante mucho tiempo. El beato Agustín consideró aceptable la fecha de creación del Universo, correspondiente al libro del Génesis: aproximadamente 5000 aC. (Curiosamente, esta fecha no está tan lejos del final de la última edad de hielo: 10.000 a. C., que los arqueólogos consideran el comienzo de la civilización).
A Aristóteles y a la mayoría de los demás filósofos griegos no les gustó la idea de la creación del universo, ya que estaba asociada con la intervención divina. Por lo tanto, creían que las personas y el mundo que los rodeaba existían y seguirán existiendo para siempre. Los científicos antiguos consideraron el argumento sobre el progreso de la civilización y decidieron que las inundaciones y otros cataclismos ocurrían periódicamente en el mundo, lo que todo el tiempo devolvió a la humanidad al punto de partida de la civilización.
Aristóteles creó la lógica formal, es decir, de hecho, la doctrina de la prueba es la principal herramienta para derivar y sistematizar el conocimiento; desarrolló un aparato categórico y conceptual; aprobó una especie de canon para la organización de la investigación científica (historia del problema, planteamiento del problema, argumentos "a favor" y "en contra", justificación de la decisión); el propio conocimiento científico objetivamente diferenciado, separando las ciencias de la naturaleza de la metafísica (filosofía), matemáticas, etc. Las normas de naturaleza científica del conocimiento establecidas por Aristóteles, los modelos de explicación, descripción y justificación en la ciencia han gozado de una autoridad indiscutible durante más de mil años, y mucho (las leyes de la lógica formal, por ejemplo) es efectivo hasta el día de hoy.
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El fragmento más importante de la imagen científica antigua del mundo fue la doctrina geocéntrica consistente de las esferas del mundo. El geocentrismo de esa época no fue en absoluto una descripción "natural" de hechos directamente observables. Fue un paso difícil y valiente hacia lo desconocido: después de todo, para la unidad y consistencia de la estructura del cosmos, era necesario complementar el hemisferio celeste visible con uno invisible análogo, admitir la posibilidad de la existencia de antípodas, es decir. habitantes del lado opuesto del globo, etc.
Aristóteles pensó que la Tierra está inmóvil y que el Sol, la Luna, los planetas y las estrellas giran a su alrededor en órbitas circulares. Él lo creía, porque de acuerdo con sus puntos de vista místicos, consideraba a la Tierra como el centro del Universo y el movimiento circular, el más perfecto. Ptolomeo desarrolló la idea de Aristóteles en un modelo cosmológico completo en el siglo II. La Tierra se encuentra en el centro, rodeada por ocho esferas con la Luna, el Sol y cinco planetas conocidos entonces: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno (Fig. 1.1). Los planetas mismos, creía Ptolomeo, se mueven en círculos más pequeños unidos a las esferas correspondientes. Esto explicaba el camino muy difícil que, como vemos, toman los planetas. En la última esfera hay estrellas fijas que, permaneciendo en la misma posición entre sí, se mueven por el cielo todas juntas como un todo. Lo que hay detrás de la última esfera no fue explicado, pero en cualquier caso ya no era parte del Universo que la humanidad observa.
El modelo de Ptolomeo hizo posible predecir bien la posición de los cuerpos celestes en el firmamento, pero para una predicción precisa, tuvo que aceptar que la trayectoria de la Luna en algunos lugares se acerca a la Tierra 2 veces más cerca que en otros. ¡Esto significa que en una posición la Luna debería parecer 2 veces más grande que en otra! Ptolomeo era consciente de este defecto, pero no obstante su teoría fue aceptada, aunque no en todas partes. La Iglesia cristiana aceptó el modelo ptolemaico del universo como no incompatible con la Biblia, porque este modelo era muy bueno porque dejaba mucho espacio para el infierno y el cielo fuera de la esfera de las estrellas fijas. Sin embargo, en 1514, el sacerdote polaco Nicolaus Copernicus propuso un modelo aún más simple. (Al principio, temiendo, quizás, que la Iglesia lo declarara hereje, Copérnico propagó su modelo de forma anónima). Su idea fueque el Sol está estacionario en el centro, y la Tierra y otros planetas giran a su alrededor en órbitas circulares. Pasó casi un siglo antes de que se tomara en serio la idea de Copérnico. Dos astrónomos, el alemán Johannes Kepler y el italiano Galileo Galilei, apoyaron públicamente la teoría de Copérnico, a pesar de que las órbitas predichas por Copérnico no coincidían del todo con las observadas. La teoría de Aristóteles-Ptolomeo llegó a su fin en 1609, cuando Galileo comenzó a observar el cielo nocturno con su telescopio recién inventado. Al apuntar un telescopio al planeta Júpiter, Galileo descubrió varios satélites pequeños, o lunas, orbitando a Júpiter. Esto significó que no todos los cuerpos celestes necesariamente deben girar directamente alrededor de la Tierra, como creían Aristóteles y Ptolomeo. (Por supuesto, todavía se podría considerarque la Tierra descansa en el centro del universo, y las lunas de Júpiter se mueven a lo largo de un camino muy complejo alrededor de la Tierra, de modo que solo parece como si giraran alrededor de Júpiter. Sin embargo, la teoría de Copérnico era mucho más simple). Al mismo tiempo, Johannes Kepler modificó la teoría de Copérnico, basándose en el supuesto de que los planetas no se mueven en círculos, sino en elipses (una elipse es un círculo alargado). Finalmente, ahora las predicciones coincidieron con las observaciones. Finalmente, ahora las predicciones han coincidido con los resultados de las observaciones. Finalmente, ahora las predicciones coincidieron con las observaciones.
En cuanto a Kepler, sus órbitas elípticas eran una hipótesis artificial y, además, "poco elegante", ya que una elipse es una figura mucho menos perfecta que un círculo. Al encontrar casi por accidente que las órbitas elípticas coincidían bien con las observaciones, Kepler nunca pudo conciliar este hecho con su idea de que los planetas giran alrededor del Sol bajo la influencia de fuerzas magnéticas. La explicación llegó mucho más tarde, en 1687, cuando Isaac Newton publicó su libro "Principios matemáticos de la filosofía natural". En él, Newton no solo propuso una teoría del movimiento de los cuerpos materiales en el tiempo y el espacio, sino que también desarrolló complejos métodos matemáticos necesarios para analizar el movimiento de los cuerpos celestes.
Además, Newton postuló la ley de la gravitación universal, según la cual todo cuerpo del Universo es atraído por cualquier otro cuerpo con mayor fuerza, cuanto mayor es la masa de estos cuerpos y menor la distancia entre ellos. Esta es la fuerza que hace que los cuerpos caigan al suelo. (La historia de que Newton se inspiró en una manzana que cayó sobre su cabeza es casi seguro que no es confiable. El propio Newton dijo sobre esto solo que la idea de la gravedad surgió cuando estaba sentado en un "estado de ánimo contemplativo" y "la razón fue la caída de la manzana") …
Además, Newton demostró que, de acuerdo con su ley, la Luna bajo la influencia de fuerzas gravitacionales se mueve en una órbita elíptica alrededor de la Tierra, y la Tierra y los planetas giran en órbitas elípticas alrededor del Sol. (8) El modelo de Newton es un cuerpo que se mueve uniformemente en el espacio infinito absoluto y directamente hasta que este cuerpo sea actuado por una fuerza (la primera ley de la mecánica) o dos cuerpos que actúen entre sí con fuerzas iguales y opuestas (la tercera ley de la mecánica); se considera que la fuerza en sí misma es simplemente la causa de la aceleración de los cuerpos en movimiento (segunda ley de la mecánica), es decir, como si existiera por sí misma y no viniera de ninguna parte.
Newton retuvo la consideración de la mecánica como una teoría física universal. En el siglo XIX. este lugar fue tomado por una imagen mecanicista del mundo, que incluye la mecánica, la termodinámica y la teoría cinética de la materia, la teoría elástica de la luz y el electromagnetismo. El descubrimiento del electrón estimuló una revisión de ideas. A finales de siglo, H. Lorenz construyó su teoría electrónica para cubrir todos los fenómenos naturales, pero no lo logró. Los problemas asociados con la discreción de la carga y la continuidad del campo, y los problemas en la teoría de la radiación ("catástrofe ultravioleta") llevaron a la creación de una imagen de campo cuántico del mundo y la mecánica cuántica.
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Einstein dio un ejemplo clásico del uso de conceptos abstractos para explicar la naturaleza en 1915, publicando su teoría general de la relatividad verdaderamente histórica. Esta obra es una de las pocas que marcan puntos de inflexión en la percepción que el hombre tiene del mundo que lo rodea. La belleza de la teoría de Einstein se debe no solo al poder y la elegancia de las ecuaciones del campo gravitacional, sino también al radicalismo abrumador de sus puntos de vista. La relatividad general ha proclamado con seguridad que la gravedad es la geometría del espacio curvo. El concepto de aceleración en el espacio fue reemplazado por el concepto de curvatura del espacio. (2)
Después de la creación de SRT, se esperaba que la cobertura universal del mundo natural pudiera ser proporcionada por una imagen electromagnética del mundo, que combinaba la teoría de la relatividad, la teoría de Maxwell y la mecánica, pero esta ilusión pronto se disipó.
La teoría especial de la relatividad (SRT) (teoría especial de la relatividad; mecánica relativista) es una teoría que describe el movimiento, las leyes de la mecánica y las relaciones espacio-tiempo a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. En el marco de la teoría especial de la relatividad, la mecánica clásica de Newton es la aproximación de velocidades bajas. La generalización de SRT para campos gravitacionales se llama teoría de la relatividad general (GTR). SRT se basa en dos postulados:
1. En todos los marcos de referencia inerciales, la velocidad de la luz no cambia (es una invariante) y no depende del movimiento de la fuente, el receptor o el marco en sí. En la mecánica clásica de Galileo-Newton, la velocidad de aproximación relativa de dos cuerpos es siempre mayor que las velocidades de estos cuerpos y depende tanto de la velocidad de un objeto como de la velocidad de otro. Por tanto, nos cuesta creer que la velocidad de la luz no dependa de la velocidad de su fuente, pero este es un hecho científico.
2. El espacio y el tiempo reales forman un continuo espacio-tiempo de cuatro dimensiones, de modo que durante la transición entre marcos de referencia, el valor del intervalo espacio-temporal entre eventos permanece sin cambios. En SRT no hay eventos simultáneos en todos los marcos de referencia. Aquí, dos eventos, simultáneos en un marco de referencia, se ven diferentes en el tiempo desde el punto de vista de otro, en movimiento o en reposo, marco de referencia.
La teoría especial de la relatividad conserva todas las definiciones básicas de la física clásica: impulso, trabajo, energía. Sin embargo, también hay algo nuevo: en primer lugar, la dependencia de la masa de la velocidad de movimiento. Por lo tanto, no se puede usar la expresión clásica para la energía cinética, porque se obtuvo bajo el supuesto de que la masa del objeto permanece sin cambios.
Muchos teóricos han intentado abrazar la gravedad y el electromagnetismo con ecuaciones unificadas. Bajo la influencia de Einstein, quien introdujo el espacio-tiempo tetradimensional, se construyeron teorías de campos multidimensionales en un intento de reducir los fenómenos a las propiedades geométricas del espacio.
La unificación se llevó a cabo sobre la base de la independencia establecida de la velocidad de la luz para diferentes observadores que se mueven en el espacio vacío en ausencia de fuerzas externas. Einstein representó la línea del mundo del objeto en un plano (Fig. 2), donde el eje espacial se dirige horizontalmente y el eje temporal se dirige verticalmente. Entonces, la línea vertical es la línea del mundo del objeto, que está en reposo en el marco de referencia dado, y la línea oblicua es el objeto que se mueve a velocidad constante. La línea del mundo curva corresponde al movimiento acelerado del objeto. Cualquier punto de este plano corresponde a una posición en un lugar dado en un momento dado y se llama evento. En este caso, la gravedad ya no es una fuerza que actúa sobre el fondo pasivo del espacio y el tiempo, sino una distorsión del propio espacio-tiempo. Después de todo, el campo gravitacional es “la curvatura del espacio-tiempo.
Figura 2. Diagrama de espacio-tiempo
Poco después de su creación (1905), la teoría de la relatividad especial dejó de adaptarse a Einstein y comenzó a trabajar en su generalización. Lo mismo sucedió con la relatividad general. En 1925, Einstein comenzó a trabajar en la teoría, que estaba destinado a estudiar con breves interrupciones hasta el final de sus días. El principal problema que le preocupaba, la naturaleza de las fuentes de campo, ya tenía cierta historia cuando Einstein lo abordó. ¿Por qué las partículas no se deshacen, por ejemplo? Después de todo, un electrón tiene una carga negativa y las cargas negativas se repelen entre sí, es decir, ¡el electrón tendría que explotar desde el interior debido a la repulsión de las áreas vecinas!
En cierto sentido, este problema ha persistido hasta el día de hoy. Aún no se ha construido una teoría satisfactoria que describa las fuerzas que actúan dentro del electrón, pero las dificultades se pueden eludir asumiendo que el electrón no tiene estructura interna: es una carga puntual que no tiene dimensiones y, por lo tanto, no se puede separar desde el interior.
Sin embargo, generalmente se acepta que las principales disposiciones de la cosmología moderna, la ciencia de la estructura y evolución del Universo, comenzaron a formarse después de la creación en 1917 por A. Einstein del primer modelo relativista basado en la teoría de la gravedad y que pretendía describir todo el Universo. Este modelo caracterizó el estado estacionario del Universo y, como lo muestran las observaciones astrofísicas, resultó ser incorrecto.
En 1922, el profesor de la Universidad de Petrogrado A. A. dio un paso importante en la resolución de problemas cosmológicos. Friedman (1888-1925). Como resultado de la resolución de ecuaciones cosmológicas, llegó a la conclusión: el Universo no puede estar en un estado estacionario; todas las galaxias se están alejando en una dirección hacia adelante entre sí y, por lo tanto, todas estaban en el mismo lugar.
El siguiente paso se dio en 1924, cuando el astrónomo estadounidense E. Hubble (1889-1953) midió la distancia a las galaxias más cercanas (en ese momento llamadas nebulosas) en el Observatorio Mount Wilson en California, y así descubrió el mundo de las galaxias. Cuando los astrónomos comenzaron a estudiar los espectros de estrellas en otras galaxias, se descubrió algo aún más extraño: nuestra propia galaxia tenía los mismos conjuntos característicos de colores faltantes que las estrellas, pero todos se desplazaron en la misma proporción hacia el extremo rojo del espectro. La luz visible son vibraciones u ondas del campo electromagnético. La frecuencia (número de ondas por segundo) de las vibraciones de la luz es extremadamente alta, de cuatrocientos a setecientos millones de ondas por segundo. El ojo humano percibe la luz de diferentes frecuencias como diferentes colores, con las frecuencias más bajas correspondientes al extremo rojo del espectro,y el más alto al morado. Imagine una fuente de luz ubicada a una distancia fija de nosotros (por ejemplo, una estrella), que emite ondas de luz a una frecuencia constante. Evidentemente, la frecuencia de las ondas entrantes será la misma con la que se emiten (aunque el campo gravitacional de la galaxia sea pequeño y su influencia insignificante). Supongamos ahora que la fuente comienza a moverse en nuestra dirección. Cuando se emita la siguiente onda, la fuente estará más cerca de nosotros, y por tanto el tiempo que tarda la cresta de esta onda en llegar hasta nosotros será menor que en el caso de una estrella fija. En consecuencia, el tiempo entre las crestas de las dos ondas que llegan será menor y la cantidad de ondas que recibamos en un segundo (es decir, la frecuencia) será mayor que cuando la estrella estaba estacionaria. Cuando se elimina la fuente, la frecuencia de las ondas entrantes será menor. Significa,que los espectros de las estrellas que se alejan se desplazarán hacia el extremo rojo (desplazamiento al rojo), y que los espectros de las estrellas que se acercan deberían experimentar un desplazamiento violeta. Esta relación entre velocidad y frecuencia se denomina efecto Doppler, y este efecto es común incluso en nuestra vida diaria. El efecto Doppler es utilizado por la policía, que determina la velocidad de los vehículos desde lejos por la frecuencia de las señales de radio que reflejan.
Habiendo demostrado que existen otras galaxias, Hubble dedicó todos los años siguientes a compilar catálogos de distancias a estas galaxias y observar sus espectros. En ese momento, la mayoría de los científicos creían que el movimiento de las galaxias se produce al azar y, por tanto, los espectros desplazados hacia el lado rojo deberían observarse tanto como los desplazados hacia el violeta. ¡Qué sorpresa fue cuando se encontró el corrimiento al rojo de los espectros en la mayoría de las galaxias, es decir, resultó que casi todas las galaxias se estaban alejando de nosotros! Aún más sorprendente fue el descubrimiento publicado por Hubble en 1929: Hubble descubrió que incluso la magnitud del corrimiento al rojo no es aleatoria, sino directamente proporcional a la distancia entre nosotros y la galaxia. En otras palabras, cuanto más lejos está una galaxia, ¡más rápido se aleja! Y esto significaba que el universo no podía ser estático, como se pensaba anteriormente,que de hecho se está expandiendo continuamente y las distancias entre las galaxias aumentan todo el tiempo.
La expansión del universo significa que en el pasado su volumen era menor que ahora. Si el tiempo retrocede en el modelo del universo desarrollado por Einstein y Friedman, los eventos irán al revés, como en una película que se reproduce desde el final. Luego resulta que hace unos 13 mil millones de años el radio del Universo era muy pequeño, es decir, el peso de la galaxia, el medio interestelar y la radiación; en resumen, todo lo que ahora compone el Universo estaba concentrado en un volumen insignificante, cercano a cero. Este estado primario superdenso y supercaliente del Universo no tiene análogos en nuestra realidad contemporánea. Se supone que en ese momento la densidad de la sustancia del Universo era comparable a la densidad del núcleo atómico y el Universo entero era una enorme gota nuclear. Por alguna razón, la gota nuclear estaba en un estado inestable y explotó. Esta suposición está en el corazón del concepto del Big Bang.
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