- Parte um -
O mais próximo de realizar o sonho de Einstein foi o pouco conhecido físico polonês Theodor Kaluca, que, em 1921, começou a generalizar a teoria de Einstein incluindo o eletromagnetismo na formulação geométrica da teoria do campo (semelhante a como a geometria do espaço-tempo descreve a gravidade). Isso deveria ter sido feito para que as equações da teoria do eletromagnetismo de Maxwell continuassem a valer. Kaluza entendeu que a teoria de Maxwell não poderia ser formulada na linguagem da geometria pura (no sentido que habitualmente a entendemos), mesmo pressupondo a presença do espaço curvo. Kaluza deu o próximo passo depois de Einstein, acrescentando ao espaço-tempo quadridimensional uma quinta (inobservável) mudança na qual o eletromagnetismo é uma espécie de "gravidade" (a interação fraca e forte não era conhecida então). Surge a questão:por que não sentimos esta quinta dimensão de alguma forma (ao contrário das quatro primeiras)?
Em 1926, o físico sueco Oskar Klein sugeriu que não notamos a dimensão extra porque ela foi, de certo modo, "enrolada" em dimensões muito pequenas. Um pequeno laço se estende de cada ponto no espaço até a quinta dimensão. Não notamos todos esses loops devido ao seu pequeno tamanho. Klein calculou o perímetro dos loops em torno da quinta dimensão usando o valor conhecido da carga elétrica elementar do elétron e outras partículas, bem como a magnitude da interação gravitacional entre as partículas. Acabou sendo igual a 10-32 cm, ou seja, 1020 vezes menor que o tamanho de um núcleo atômico. Portanto, não é surpreendente que não percebamos a quinta dimensão: ela é torcida em uma escala que é muito menor do que o tamanho de qualquer uma das estruturas que conhecemos, mesmo na física das partículas subnucleares. Obviamente, neste caso, a questão do movimento não se coloca, digamos,átomo na quinta dimensão. Em vez disso, essa dimensão deve ser pensada como estando dentro do átomo.
Por algum tempo, a teoria Klauz-Klein foi esquecida, mas quando as interações forte, fraca e eletromagnética foram combinadas em uma única teoria, e faltou encontrar uma teoria geral para elas e para a gravidade, a teoria Klauz-Klein foi lembrada novamente. Para realizar todas as operações de simetria necessárias, foi necessário adicionar mais 7 dimensões (todo o espaço como um todo acabou sendo 11-dimensional). E para que essas dimensões adicionais não sejam sentidas, elas devem ser enroladas em uma escala muito pequena. No entanto, agora surge a pergunta: se uma dimensão pode ser rolada apenas em um círculo, então sete dimensões podem ser roladas em uma figura de várias topologias (seja em um toro de 7 dimensões, ou em uma esfera de 7 dimensões, ou em alguma outra figura). O modelo mais simples, para o qual a maioria dos cientistas está se inclinando, é o de 7 esferas (7 esferas). Como esperadoas quatro dimensões de espaço-tempo atualmente observadas não entraram em colapso, pois esse estado corresponde à energia mais baixa (para a qual tendem todos os sistemas físicos). Existe uma hipótese segundo a qual nos primeiros estágios da vida do universo, todas essas dimensões foram implantadas.
Uma enorme variedade de sistemas e estruturas naturais, suas características e dinamismo são determinados pela interação de objetos materiais, ou seja, sua ação mútua. É a interação a principal razão para o movimento da matéria, portanto, a interação, como o movimento, é universal, ou seja, é inerente a todos os objetos materiais, independentemente de sua natureza de origem e organização sistêmica. Características de várias interações determinam as condições de existência e as especificidades das propriedades dos objetos materiais.
Objetos que interagem trocam energia e - as principais características de seu movimento. Na física clássica, a interação é determinada pela força com que um objeto material atua sobre outro.
Por muito tempo acreditou-se que a interação de objetos materiais, mesmo a grandes distâncias uns dos outros, é transmitida através do espaço vazio instantaneamente. Essa afirmação é consistente com o conceito de ação à distância. Até agora, outro conceito foi experimentalmente confirmado - o conceito de interação de curto alcance: as interações são transmitidas através de campos físicos com uma velocidade finita que não excede a velocidade da luz no vácuo. Este, em essência, o conceito de campo na teoria quântica de campos é suplementado pela afirmação: em qualquer interação, há uma troca de partículas especiais - quanta de campo.
As interações de objetos materiais e sistemas observados na natureza são muito diversas. No entanto, conforme demonstrado por estudos físicos, todas as interações podem ser atribuídas a quatro tipos de interações fundamentais: gravitacional, eletromagnética, forte e fraca.
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A interação gravitacional se manifesta na atração mútua de quaisquer objetos materiais com massa. É transmitida por meio de um campo gravitacional e é determinada por uma lei fundamental da natureza - a lei da gravitação universal. A lei da gravitação universal descreve a queda dos corpos materiais no campo terrestre, o movimento dos planetas do sistema solar, estrelas, etc.
De acordo com a teoria quântica de campos, os portadores da interação gravitacional são os grávitons - partículas com massa zero, quanta do campo gravitacional. A interação eletromagnética é causada por cargas elétricas e é transmitida por meio de campos elétricos e magnéticos. Um campo elétrico surge quando há cargas elétricas e um campo magnético quando elas se movem. Um campo magnético variável gera um campo elétrico alternado que, por sua vez, é uma fonte de um campo magnético alternado.
Devido à interação eletromagnética, átomos e moléculas existem e ocorrem transformações químicas da matéria. Vários estados de agregação, fricção, elasticidade, etc. são determinados pelas forças de interação intermolecular, de natureza eletromagnética. A interação eletromagnética é descrita pelas leis fundamentais da eletrostática e eletrodinâmica: lei de Coulomb, lei de Ampère, etc., e de forma generalizada - pela teoria eletromagnética de Maxwell, que relaciona os campos elétrico e magnético. A recepção, transformação e aplicação de campos elétricos e magnéticos, bem como de corrente elétrica, servem de base para a criação de uma variedade de meios técnicos modernos: aparelhos elétricos, rádios, televisores, dispositivos de iluminação e aquecimento, computadores, etc.
De acordo com a eletrodinâmica quântica, os portadores da interação eletromagnética são os fótons - quanta do campo eletromagnético com massa zero. Em muitos casos, eles são registrados por instrumentos na forma de ondas eletromagnéticas de diferentes comprimentos. Por exemplo, a luz visível percebida a olho nu, através da qual a maior parte (cerca de 90%) da informação sobre o mundo é refletida, é uma onda eletromagnética em uma faixa de comprimento de onda bastante estreita (cerca de 0,4-0,8 mícrons), correspondendo à radiação solar máxima.
A forte interação garante a ligação dos núcleons no núcleo. É determinado por forças nucleares que possuem independência de carga, ação de curto alcance, saturação e outras propriedades. Interações fortes são responsáveis pela estabilidade dos núcleos atômicos. Quanto mais forte for a interação dos núcleos no núcleo, quanto mais estável for o núcleo, maior será a sua energia de ligação específica. Com o aumento do número de núcleos no núcleo e, consequentemente, do tamanho do núcleo, a energia de ligação específica diminui e o núcleo pode se deteriorar, o que é o que acontece com os núcleos dos elementos do final da tabela periódica.
Supõe-se que a forte interação é transmitida pelos glúons - partículas que "grudam" nos quarks que fazem parte dos prótons, nêutrons e outras partículas.
Todas as partículas elementares, exceto o fóton, participam da interação fraca. Ele determina a maioria dos decaimentos de partículas elementares, a interação dos neutrinos com a matéria e outros processos. A interação fraca se manifesta principalmente nos processos de decaimento beta de núcleos atômicos de muitos isótopos, nêutrons livres, etc. É geralmente aceito que os portadores da interação fraca são vions - partículas com massa aproximadamente 100 vezes a massa dos prótons e nêutrons.
Até o momento, uma teoria unificada de descrição de interações ainda não foi totalmente desenvolvida, mas a maioria dos cientistas está inclinada para a formação do Universo como resultado do Big Bang: no momento zero no tempo, o Universo surgiu de uma singularidade, isto é, de um ponto com volume zero e densidade e temperatura infinitamente altas. O próprio "começo" do Universo, ou seja, seu estado correspondendo, segundo cálculos teóricos, a um raio próximo de zero, foge até mesmo de um conceito teórico. A questão é que as equações da astrofísica relativística permanecem válidas até uma densidade de cerca de 1093 g / cm3. O Universo, comprimido a essa densidade, já teve um raio da ordem de um décimo bilionésimo de centímetro, ou seja, era comparável em tamanho a um próton! A temperatura desse micro-revestimento, aliás, que pesava pelo menos 1.051 toneladas, estava incrivelmente alta e, aparentemente,perto de 1032 graus. O Universo ficou em uma pequena fração de segundo após o início da "explosão". Bem no "começo" tanto a densidade quanto a temperatura se transformam em infinito, isto é, esse "começo", usando a terminologia matemática, é aquele ponto "singular" especial para o qual as equações da física teórica moderna perdem seu significado físico. Mas isso não significa que não havia nada antes do "início": simplesmente não podemos imaginar o que havia antes do "início" condicional do Universo. (3)que não havia nada antes do "início": simplesmente não podemos imaginar o que havia antes do "início" condicional do Universo. (3)que não havia nada antes do "começo": simplesmente não podemos imaginar o que havia antes do "começo" condicional do Universo. (3)
Quando a idade do Universo atingiu um centésimo de segundo, sua temperatura caiu para cerca de 1011 K, caindo abaixo do valor limite no qual prótons e nêutrons podem ser produzidos, algumas dessas partículas escaparam da aniquilação - caso contrário, não haveria matéria em nosso Universo moderno. Um segundo após o Big Bang, a temperatura caiu para 10 10 K e os neutrinos pararam de interagir com a matéria. O universo se tornou praticamente "transparente" para os neutrinos. Elétrons e pósitrons ainda continuaram a se aniquilar e emergir novamente, mas depois de cerca de 10 segundos o nível de densidade de energia da radiação caiu abaixo de seu limite, e um grande número de elétrons e pósitrons se transformou em radiação de um processo catastrófico de aniquilação mútua. No final deste processo, no entanto, resta um certo número de elétrons, suficiente paraunindo-se com prótons e nêutrons, dá origem à quantidade de matéria que observamos hoje no Universo.
A história posterior do Universo é mais calma do que seu início turbulento. A taxa de expansão diminuiu gradualmente, a temperatura, assim como a densidade média, diminuiu gradualmente, e quando o Universo tinha um milhão de anos, sua temperatura tornou-se tão baixa (3.500 graus Kelvin) que prótons e núcleos de átomos de hélio já podiam capturar elétrons livres e se transformar em átomos neutros. A partir deste momento, em essência, começa a fase moderna de evolução do Universo. Galáxias, estrelas, planetas aparecem. Eventualmente, muitos bilhões de anos depois, o universo se tornou o que o vemos.
Mas esta não é a única hipótese. Segundo uma das hipóteses, o Universo começou a se expandir de forma caótica e aleatória e, então, sob a ação de algum mecanismo de dissipação (amortecimento), surgiu uma certa ordem. Esta suposição de caos primário completo, em oposição à simetria primária completa, é atraente porque não requer a “criação” do Universo em qualquer estado estritamente definido. Se os cientistas conseguirem encontrar um mecanismo de amortecimento adequado, isso tornará possível combinar uma gama muito ampla de condições iniciais com a forma agora observada do Universo.
Uma das hipóteses mais difundidas sobre o mecanismo de dissipação é a hipótese da criação de partículas e antipartículas a partir da energia produzida por efeitos de maré em um campo gravitacional. Partículas e antipartículas nascem em um espaço "vazio" curvo (semelhante ao caso do espaço curvo por um buraco negro), e o espaço reage a tal nascimento diminuindo a curvatura. Quanto mais o espaço-tempo é curvo, mais intensa ocorre a criação de partículas e antipartículas. Em um universo não homogêneo, tais efeitos deveriam ter igualado tudo, criando um estado de homogeneidade. É até possível que toda a matéria do Universo tenha surgido dessa forma, e não de uma singularidade. Tal processo não requer o nascimento de matéria sem antimatéria, como na singularidade original. A dificuldade com esta hipótese, no entanto, é queque até agora não foi possível encontrar um mecanismo para separar matéria e antimatéria que não permitiria que a maioria delas se aniquilassem novamente.
Por um lado, a existência de inomogeneidades poderia nos salvar da singularidade, mas George Ellis e Stephen Hawking usando modelos matemáticos mostraram que, levando em consideração algumas proposições bastante plausíveis sobre o comportamento da matéria, em altas pressões, a existência de pelo menos uma singularidade não pode ser descartada, mesmo que desvios da uniformidade. O comportamento de um universo anisotrópico e não homogêneo no passado próximo a uma singularidade pode ser muito complexo e é muito difícil construir qualquer modelo aqui. É mais fácil usar os modelos de Friedman, que prevêem o comportamento do universo desde o nascimento até a morte (no caso de uma topologia esférica). Embora desvios da uniformidade não livrem nosso universo de uma singularidade no espaço-tempo, no entanto, é possívelque a maior parte da matéria atualmente disponível no Universo não caiu nesta singularidade. Explosões desse tipo, quando matéria de superalta, mas não de densidade infinita, aparece na vizinhança de uma singularidade, eram chamadas de "gemidos". No entanto, o teorema de Hawkin-Ellis requer que a energia e a pressão permaneçam positivas. Não há garantia de que essas condições sejam encontradas em densidades de matéria ultra-altas.
Supõe-se que efeitos quânticos, mas não na matéria, mas no espaço-tempo (gravidade quântica), que se tornam muito significativos em altos valores de curvatura espaço-temporal, poderiam impedir o desaparecimento do Universo em uma singularidade, causando, por exemplo, um "salto" matéria em uma densidade suficientemente alta. No entanto, devido à falta de uma teoria satisfatória da gravidade quântica, o raciocínio não dá conclusões claras. Se aceitarmos a hipótese de "gemido" ou "salto" quântico, significa que o espaço e o tempo existiam antes desses eventos.
Após a descoberta da expansão do Universo, em 1946, os astrofísicos britânicos Herman Bondi e Thomas Gold sugeriram que, no entanto, como o Universo é homogêneo no espaço, deve ser homogêneo no tempo. Nesse caso, ela deve se expandir a uma taxa constante e, para evitar uma diminuição na densidade da matéria, novas galáxias devem se formar continuamente, o que preencherá as lacunas formadas a partir da dispersão das galáxias existentes. A substância para a construção de novas galáxias aparece continuamente à medida que o universo se expande. Esse universo não é estático, mas sim estacionário: estrelas e galáxias individuais passam por seus ciclos de vida, mas no todo o universo não tem começo nem fim. Para explicar como a matéria aparece sem violar a lei de conservação de energia,Fred Hoyle inventou um novo tipo de campo - criando um campo com energia negativa. Com a formação da matéria, a energia negativa deste campo é ampliada e a energia total é conservada.
A frequência de produção atômica neste modelo é tão baixa que não pode ser detectada experimentalmente. Em meados dos anos 60, descobertas foram feitas indicando que o universo estava evoluindo. Então, a radiação térmica de fundo foi descoberta, indicando que o Universo estava em um estado quente e denso há vários bilhões de anos e, portanto, não pode ser estacionário.
No entanto, do ponto de vista filosófico, o conceito de um universo não nascido e não moribundo é muito atraente. É possível combinar os méritos filosóficos do universo estacionário com a teoria do big bang em modelos de um universo oscilante. Este modelo cosmológico é baseado no modelo de Friedmann com contração, complementado pelo pressuposto de que o universo não perece quando as singularidades ocorrem em ambos os tempos “termina”, mas passa por um estado superdenso e dá um “salto” para o próximo ciclo de expansão e contração. Este processo pode continuar indefinidamente. No entanto, para não acumular entropia e radiação de fundo de ciclos anteriores de expansão-contração, será necessário aceitar que no estágio de alta densidade todas as leis termodinâmicas são violadas (portanto, a entropia não se acumula),no entanto, a preservação das leis da teoria da relatividade é assumida. Em sua expressão extrema, tal ponto de vista pressupõe que todas as leis e constantes mundiais em cada ciclo serão novas e, uma vez que nada é preservado de um ciclo para outro, podemos falar sobre universos fisicamente não conectados uns aos outros. Com o mesmo sucesso, pode-se supor a existência simultânea de um conjunto infinito de universos, alguns deles podem ser semelhantes ao nosso. Essas conclusões são de natureza puramente filosófica e não podem ser refutadas por experimento ou observação. (13)Com o mesmo sucesso, pode-se supor a existência simultânea de um conjunto infinito de universos, alguns deles podem ser semelhantes ao nosso. Essas conclusões são de natureza puramente filosófica e não podem ser refutadas por experimento ou observação. (13)Com o mesmo sucesso, pode-se supor a existência simultânea de um conjunto infinito de universos, alguns deles podem ser semelhantes ao nosso. Essas conclusões são puramente filosóficas por natureza e não podem ser refutadas por experimento ou observação. (13)
Como existem muitas hipóteses para a criação do Universo, a busca por uma teoria de tudo é tão variada - o modelo padrão, teoria das cordas, teoria M, teoria extremamente simples de tudo, teorias da Grande Unificação, etc.
O Modelo Padrão é uma construção teórica em física de partículas elementares que descreve as interações eletromagnéticas, fracas e fortes de todas as partículas elementares. O modelo padrão não inclui gravidade. Até agora, todas as previsões do Modelo Padrão foram confirmadas por experimentos, às vezes com uma precisão fantástica de um milionésimo de um por cento. Só nos últimos anos é que começaram a aparecer resultados em que as previsões do Modelo Padrão diferem ligeiramente do experimento, e mesmo fenômenos que são extremamente difíceis de interpretar dentro de sua estrutura. Por outro lado, é óbvio que o Modelo Padrão não pode ser a última palavra em física de partículas, pois contém muitos parâmetros externos e também não inclui a gravidade. Portanto, a busca por desvios do modelo padrão tem sido uma das áreas de pesquisa mais ativas nos últimos anos.
A teoria das cordas é um ramo da física matemática que estuda a dinâmica e as interações não de partículas pontuais, mas de objetos estendidos unidimensionais, as chamadas cordas quânticas. A teoria das cordas combina as idéias da mecânica quântica e da teoria da relatividade, portanto, uma futura teoria da gravidade quântica provavelmente será construída com base nela. A teoria das cordas é baseada na hipótese de que todas as partículas elementares e suas interações fundamentais surgem como resultado de vibrações e interações de cordas quânticas ultramicroscópicas em escalas da ordem do comprimento de Planck de 10-35 m. Esta abordagem, por um lado, evita dificuldades da teoria quântica de campos como a renormalização, por outro lado, leva a um olhar mais profundo sobre a estrutura da matéria e do espaço-tempo.
A teoria quântica das cordas surgiu no início da década de 1970 como resultado da compreensão das fórmulas de Gabriele Veneziano relacionadas aos modelos de cordas da estrutura dos hadrões. Em meados da década de 1980 e meados da década de 1990, ocorreu o rápido desenvolvimento da teoria das cordas e esperava-se que, em um futuro próximo, uma "teoria de tudo" fosse formulada com base na teoria das cordas. Mas, apesar do rigor matemático e da integridade da teoria, nenhuma opção foi encontrada para a confirmação experimental da teoria das cordas. A teoria que surgiu para descrever a física hadrônica, mas não se ajustou bem a ela, encontrou-se em uma espécie de vácuo experimental de descrição de todas as interações.
A teoria M (teoria da membrana) é uma teoria física moderna criada com o objetivo de combinar interações fundamentais. A chamada "brana" (membrana multidimensional) é usada como o objeto básico - um objeto bidimensional estendido ou com um grande número de dimensões. Em meados da década de 1990, Edward Witten e outros físicos teóricos encontraram fortes evidências de que várias teorias de supercordas representam diferentes casos limites de uma teoria M 11-dimensional ainda não desenvolvida. Em meados da década de 1980, os teóricos concluíram que a supersimetria, que é a peça central da teoria das cordas, poderia ser incorporada a ela não de uma, mas de cinco maneiras diferentes, levando a cinco teorias diferentes: tipo I, tipos IIA e IIB, e duas heteróticas teorias de cordas. Apenas um deles poderia afirmar ser uma "teoria de tudo", e o únicoque em baixas energias e compactadas seis dimensões extras concordariam com as observações reais. Permaneciam questões sobre qual teoria era mais adequada e o que fazer com as outras quatro teorias.
Uma teoria excepcionalmente simples de tudo - uma teoria de campo unificado que reúne todas as interações físicas conhecidas que existem na natureza, proposta pelo físico americano Garrett Lisi em 6 de novembro de 2007. A teoria é interessante por sua elegância, mas requer um sério aprimoramento. Alguns físicos conhecidos já expressaram seu apoio a ela, mas uma série de imprecisões e problemas foram descobertos na teoria.
Teorias da Grande Unificação - na física de partículas elementares, um grupo de modelos teóricos que descrevem de forma unificada as interações fortes, fracas e eletromagnéticas. Supõe-se que em energias extremamente altas, essas interações se combinam. (10)
Pode-se dizer com total confiança que futuras descobertas e teorias irão enriquecer, e não rejeitar, o Universo que Pitágoras, Aristarco, Kepler, Newton e Einstein descobriram para nós - um Universo tão harmonioso quanto o Universo de Platão e Pitágoras, mas construído sobre a harmonia contida em leis matemáticas; O Universo não é menos perfeito do que o Universo de Aristóteles, mas desenha sua perfeição nas leis abstratas da simetria; O Universo, em que o vazio ilimitado dos espaços intergalácticos é inundado de luz suave, levando mensagens das profundezas do tempo que ainda são incompreensíveis para nós; Um universo que tem um começo no tempo, mas não tem começo ou fim no espaço, que, talvez, se expandirá para sempre, e talvez um belo momento, tendo parado de se expandir, comece a se contrair. Este universo não é nada parecido com aqueleque foi retratado nas mentes corajosas daqueles que foram os primeiros a ousar fazer a pergunta: "Como é realmente o nosso mundo?" Mas acho que ao saber disso, eles não ficaram chateados.
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