- Parte dois -
A Teoria Unificada do Universo, ou Teoria de Tudo, é uma teoria física e matemática unificada hipotética que descreve todas as interações fundamentais conhecidas. O termo foi originalmente usado ironicamente para se referir a uma variedade de teorias generalizadas. Com o tempo, o termo se enraizou nas popularizações da física quântica para denotar uma teoria que combinaria todas as quatro interações fundamentais da natureza: gravitacional, eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca. Além disso, deve explicar a existência de todas as partículas elementares. A busca por uma Teoria Unificada é considerada um dos principais objetivos da ciência moderna.
A ideia de uma teoria unificada surgiu graças ao conhecimento acumulado por mais de uma geração de cientistas. Conforme o conhecimento foi adquirido, a compreensão da humanidade sobre o mundo circundante e suas leis se expandiu. Visto que a imagem científica do mundo é uma formação sistêmica generalizada, sua mudança radical não pode ser reduzida a uma descoberta científica separada, mesmo a maior. Este último pode, no entanto, dar origem a uma espécie de reação em cadeia capaz de dar origem a uma série inteira, um complexo de descobertas científicas, que acabará por levar a uma mudança na imagem científica do mundo. Nesse processo, o mais importante, é claro, são as descobertas nas ciências fundamentais em que se baseia. Além disso, lembrando que a ciência é antes de mais nada um método, não é difícil supor que uma mudança no quadro científico do mundo também deva significar uma reestruturação radical dos métodos de obtenção de novos conhecimentos,incluindo mudanças nas próprias normas e ideais de cientificidade.
O desenvolvimento da ideia de mundo não ocorreu imediatamente. Mudanças radicais tão claras e inequivocamente fixadas nas imagens científicas do mundo, ou seja, Existem três revoluções científicas na história do desenvolvimento da ciência em geral e das ciências naturais em particular. Se eles são personificados pelos nomes dos cientistas que desempenharam o papel mais proeminente nesses eventos, então as três revoluções científicas globais deveriam ser chamadas de Aristotélica, Newtoniana e de Einstein.
Nos séculos VI - IV. BC. realizou-se a primeira revolução no conhecimento do mundo, como resultado da qual nasceu a própria ciência. O significado histórico desta revolução está em distinguir a ciência de outras formas de cognição e domínio do mundo, na criação de certas normas e modelos para a construção do conhecimento científico. É claro que o problema da origem do Universo ocupa a mente das pessoas há muito tempo.
De acordo com vários dos primeiros mitos judaico-cristãos-muçulmanos, nosso universo surgiu em um determinado ponto e não muito distante no passado. Um dos fundamentos de tais crenças era a necessidade de encontrar a "causa raiz" do universo. Qualquer evento no Universo é explicado pela indicação de sua causa, ou seja, outro evento que aconteceu antes; tal explicação da existência do próprio Universo só é possível se teve um começo. Outro motivo foi apresentado pelo Bem-aventurado Agostinho (a Igreja Ortodoxa considera Agostinho bem-aventurado, e a Igreja Católica - santo). no livro "Cidade de Deus". Ele ressaltou que a civilização está progredindo, e nos lembramos quem cometeu este ou aquele ato e quem inventou o quê. Portanto, é improvável que a humanidade e, portanto, provavelmente, o Universo existam por muito tempo. O beato Agostinho considerou uma data aceitável para a criação do Universo, correspondente ao livro do Gênesis: aproximadamente 5.000 aC. (Curiosamente, esta data não está muito longe do fim da última era do gelo - 10.000 aC, que os arqueólogos consideram o início da civilização).
Aristóteles e a maioria dos outros filósofos gregos não gostaram da ideia da criação do universo, uma vez que estava associada à intervenção divina. Portanto, eles acreditavam que as pessoas e o mundo ao seu redor existiam e continuarão a existir para sempre. Cientistas antigos consideraram o argumento sobre o progresso da civilização e decidiram que inundações e outros cataclismos ocorriam periodicamente no mundo, que a todo o tempo devolviam a humanidade ao ponto de partida da civilização.
Aristóteles criou a lógica formal, ou seja, de fato, a doutrina da prova é a principal ferramenta para derivar e sistematizar o conhecimento; desenvolveu um aparato categórico e conceitual; aprovou uma espécie de cânone para organização da pesquisa científica (histórico do tema, formulação do problema, argumentos "a favor" e "contra", justificativa da decisão); o próprio conhecimento científico objetivamente diferenciado, separando as ciências da natureza da metafísica (filosofia), matemática, etc. As normas da natureza científica do conhecimento estabelecidas por Aristóteles, modelos de explicação, descrição e justificação na ciência têm gozado de autoridade indiscutível por mais de mil anos, e muito (as leis da lógica formal, por exemplo) ainda são eficazes.
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O fragmento mais importante da antiga imagem científica do mundo era a doutrina geocêntrica consistente das esferas mundiais. O geocentrismo daquela época não era de forma alguma uma descrição "natural" de fatos diretamente observáveis. Foi um passo difícil e corajoso para o desconhecido: afinal, para a unidade e consistência da estrutura do cosmos, era necessário complementar o hemisfério celeste visível com um invisível análogo, para admitir a possibilidade da existência de antípodas, ou seja, habitantes do lado oposto do globo, etc.
Aristóteles pensava que a Terra está imóvel e que o Sol, a Lua, os planetas e as estrelas giram em torno dela em órbitas circulares. Ele acreditava que sim, porque de acordo com suas visões místicas, ele considerava a Terra o centro do Universo, e o movimento circular - o mais perfeito. Ptolomeu desenvolveu a ideia de Aristóteles em um modelo cosmológico completo no segundo século. A Terra fica no centro, rodeada por oito esferas contendo a Lua, o Sol e cinco planetas então conhecidos: Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno (Fig. 1.1). Os próprios planetas, acreditava Ptolomeu, movem-se em círculos menores anexados às esferas correspondentes. Isso explica o caminho muito difícil que, como vemos, os planetas percorrem. Na última esfera existem estrelas fixas que, permanecendo na mesma posição umas em relação às outras, se movem pelo céu todas juntas como um todo. O que está por trás da última esfera não foi explicado, mas em qualquer caso, não fazia mais parte do Universo que a humanidade observa.
O modelo de Ptolomeu tornou possível prever bem a posição dos corpos celestes no céu, mas para uma previsão precisa ele teve que aceitar que a trajetória da Lua em alguns lugares se aproxima da Terra 2 vezes mais do que em outros! Isso significa que em uma posição a Lua deve parecer 2 vezes maior do que em outra! Ptolomeu estava ciente dessa falha, mas mesmo assim sua teoria foi aceita, embora não em todos os lugares. A Igreja Cristã aceitava o modelo ptolomaico do universo como não inconsistente com a Bíblia, pois esse modelo era muito bom porque deixava muito espaço para o inferno e o céu fora da esfera das estrelas fixas. No entanto, em 1514, o padre polonês Nicolaus Copernicus propôs um modelo ainda mais simples. (A princípio, temendo, talvez, que a Igreja o declarasse herege, Copérnico propagou seu modelo anonimamente). A ideia dele eraque o Sol está estacionário no centro, e a Terra e outros planetas giram em torno dele em órbitas circulares. Quase um século se passou antes que a ideia de Copérnico fosse levada a sério. Dois astrônomos - o alemão Johannes Kepler e o italiano Galileo Galilei - apoiaram publicamente a teoria de Copérnico, embora as órbitas previstas por Copérnico não coincidissem exatamente com as observadas. A teoria de Aristóteles-Ptolomeu chegou ao fim em 1609, quando Galileu começou a observar o céu noturno com seu telescópio recém-inventado. Ao apontar um telescópio para o planeta Júpiter, Galileu descobriu vários pequenos satélites, ou luas, orbitando Júpiter. Isso significava que nem todos os corpos celestes devem necessariamente girar diretamente em torno da Terra, como acreditavam Aristóteles e Ptolomeu. (Claro, ainda se pode considerarque a Terra repousa no centro do universo, e as luas de Júpiter se movem ao longo de um caminho muito complexo ao redor da Terra, de modo que parece que elas giram em torno de Júpiter. No entanto, a teoria de Copérnico era muito mais simples.) Ao mesmo tempo, Johannes Kepler modificou a teoria de Copérnico, com base na suposição de que os planetas não se movem em círculos, mas em elipses (uma elipse é um círculo alongado). Finalmente, agora as previsões coincidiram com os resultados das observações. Finalmente, agora as previsões coincidiram com os resultados das observações. Finalmente, agora as previsões coincidiram com as observações.
Quanto a Kepler, suas órbitas elípticas eram uma hipótese artificial e, além disso, "deselegantes", já que uma elipse é uma figura muito menos perfeita do que um círculo. Descobrindo quase por acidente que as órbitas elípticas estavam de acordo com as observações, Kepler nunca foi capaz de conciliar esse fato com sua ideia de que os planetas giram em torno do Sol sob a influência de forças magnéticas. A explicação veio apenas muito mais tarde, em 1687, quando Isaac Newton publicou seu livro "Princípios Matemáticos da Filosofia Natural". Nele, Newton não apenas apresentou uma teoria do movimento dos corpos materiais no tempo e no espaço, mas também desenvolveu métodos matemáticos complexos necessários para analisar o movimento dos corpos celestes.
Além disso, Newton postulou a lei da gravitação universal, segundo a qual todo corpo no Universo é atraído por qualquer outro corpo com maior força, quanto maior a massa desses corpos e menor a distância entre eles. Essa é a própria força que faz os corpos caírem no chão. (A história de que Newton foi inspirado por uma maçã que caiu em sua cabeça quase certamente não é confiável. O próprio Newton disse sobre isso apenas que a ideia da gravidade surgiu quando ele estava sentado em um "humor contemplativo" e "a razão foi a queda da maçã") …
Além disso, Newton mostrou que, de acordo com sua lei, a Lua sob a ação de forças gravitacionais se move em uma órbita elíptica ao redor da Terra, e a Terra e os planetas giram em órbitas elípticas ao redor do Sol. (8) O modelo de Newton é um corpo movendo-se uniformemente no espaço infinito absoluto e diretamente até que este corpo seja influenciado por uma força (a primeira lei da mecânica) ou dois corpos agindo um sobre o outro com forças iguais e opostas (a terceira lei da mecânica); a própria força é considerada simplesmente a causa da aceleração dos corpos em movimento (a segunda lei da mecânica), isto é, como se existisse por si mesma e de lugar nenhum.
Newton manteve a consideração da mecânica como uma teoria física universal. No século XIX. este lugar foi ocupado por uma imagem mecanicista do mundo, que inclui a mecânica, a termodinâmica e a teoria cinética da matéria, a teoria elástica da luz e o eletromagnetismo. A descoberta do elétron estimulou uma revisão de ideias. No final do século, H. Lorenz construiu sua teoria eletrônica para abranger todos os fenômenos naturais, mas não conseguiu. Problemas associados com a discrição da carga e a continuidade do campo, e problemas na teoria da radiação ("catástrofe ultravioleta") levaram à criação de uma imagem de campo quântica do mundo e da mecânica quântica.
Um exemplo clássico do uso de conceitos abstratos para explicar a natureza foi dado em 1915 por Einstein, que publicou sua teoria da relatividade geral verdadeiramente epocal. Esta obra é uma das poucas que marcam momentos decisivos na percepção do homem sobre o mundo ao seu redor. A beleza da teoria de Einstein se deve não apenas ao poder e elegância das equações do campo gravitacional, mas também ao radicalismo avassalador de suas visões. A relatividade geral proclamou com segurança que a gravidade é a geometria do espaço curvo. O conceito de aceleração no espaço foi substituído pelo conceito de curvatura do espaço. (2)
Após a criação do SRT, esperava-se que a cobertura universal do mundo natural pudesse ser fornecida por uma imagem eletromagnética do mundo, que combinava a teoria da relatividade, a teoria de Maxwell e a mecânica, mas essa ilusão logo foi dissipada.
A teoria da relatividade especial (SRT) (teoria da relatividade especial; mecânica relativística) é uma teoria que descreve o movimento, as leis da mecânica e as relações espaço-temporais a velocidades próximas da velocidade da luz. Dentro da estrutura da teoria da relatividade especial, a mecânica clássica de Newton é uma aproximação de baixa velocidade. A generalização de SRT para campos gravitacionais é chamada de teoria geral da relatividade (GRT). SRT é baseada em dois postulados:
1. Em todos os referenciais inerciais, a velocidade da luz permanece inalterada (é invariante) e não depende do movimento da fonte, do receptor ou do próprio referencial. Na mecânica clássica de Galileo-Newton, a velocidade da aproximação relativa de dois corpos é sempre maior do que as velocidades desses corpos e depende tanto da velocidade de um objeto quanto da velocidade de outro. Portanto, achamos difícil acreditar que a velocidade da luz não depende da velocidade de sua fonte, mas isso é um fato científico.
2. O espaço e o tempo reais formam um único continuum espaço-tempo quadridimensional, de modo que, durante a transição entre os referenciais, o valor do intervalo espaço-tempo entre os eventos permanece inalterado. No SRT, não há eventos simultâneos em todos os referenciais. Aqui, dois eventos, simultâneos em um quadro de referência, parecem diferentes no tempo do ponto de vista de outro, em movimento ou em repouso, quadro de referência.
A teoria da relatividade especial retém todas as definições básicas da física clássica - impulso, trabalho, energia. Porém, algo novo também aparece: em primeiro lugar, a dependência da massa com a velocidade do movimento. Portanto, não se pode usar a expressão clássica para energia cinética, pois foi obtida sob a suposição de que a massa do objeto permanece inalterada.
Muitos teóricos tentaram abraçar a gravidade e o eletromagnetismo com equações unificadas. Sob a influência de Einstein, que introduziu o espaço-tempo quadridimensional, teorias de campo multidimensionais foram construídas na tentativa de reduzir os fenômenos às propriedades geométricas do espaço.
A unificação foi realizada com base na independência estabelecida da velocidade da luz para diferentes observadores movendo-se no espaço vazio na ausência de forças externas. Einstein descreveu a linha de mundo do objeto em um plano (Fig. 2), onde o eixo espacial é direcionado horizontalmente e o eixo temporal é direcionado verticalmente. Então, a linha vertical é a linha de mundo do objeto, que está em repouso no referencial dado, e a linha oblíqua é o objeto que se move a uma velocidade constante. A linha curva do mundo corresponde ao movimento acelerado do objeto. Qualquer ponto neste plano corresponde a uma posição em um determinado lugar em um determinado momento e é chamado de evento. Nesse caso, a gravidade não é mais uma força agindo sobre um fundo passivo de espaço e tempo, mas é uma distorção do próprio espaço-tempo. Afinal, o campo gravitacional é “a curvatura do espaço-tempo.
Figura 2. Diagrama de espaço-tempo
Logo após sua criação (1905), a teoria da relatividade especial deixou de ser adequada a Einstein, e ele começou a trabalhar em sua generalização. A mesma coisa aconteceu com a relatividade geral. Em 1925, Einstein começou a trabalhar na teoria, que estava destinado a estudar com breves interrupções até o fim de seus dias. O principal problema que o preocupava - a natureza das fontes de campo - já tinha uma certa história na época em que Einstein a abordou. Por que as partículas não se separam, por exemplo? Afinal, um elétron carrega uma carga negativa e as cargas negativas se repelem, ou seja, o elétron teria que explodir por dentro devido à repulsão das áreas vizinhas!
Em certo sentido, esse problema persiste até hoje. Ainda não foi construída uma teoria satisfatória que descreva as forças que agem dentro do elétron, mas as dificuldades podem ser contornadas assumindo que o elétron não tem estrutura interna - é uma carga pontual que não tem dimensões e, portanto, não pode ser rasgada por dentro.
No entanto, é geralmente aceito que as principais disposições da cosmologia moderna - a ciência da estrutura e evolução do Universo - começaram a se formar após a criação em 1917 por A. Einstein do primeiro modelo relativístico baseado na teoria da gravidade e que afirmava descrever todo o Universo. Este modelo caracterizou o estado estacionário do Universo e, conforme mostrado por observações astrofísicas, revelou-se incorreto.
Um passo importante na resolução de problemas cosmológicos foi dado em 1922 pelo Professor da Universidade de Petrogrado A. A. Friedman (1888-1925). Como resultado da resolução de equações cosmológicas, ele chegou à conclusão: o Universo não pode estar em um estado estacionário - todas as galáxias estão se afastando na direção para frente umas das outras e, portanto, elas estavam todas no mesmo lugar.
O próximo passo foi dado em 1924, quando o astrônomo americano E. Hubble (1889-1953) mediu a distância às galáxias próximas (chamadas nebulosas naquela época) no Observatório Mount Wilson na Califórnia, e assim descobriu o mundo das galáxias. Quando os astrônomos começaram a estudar os espectros de estrelas em outras galáxias, algo ainda mais estranho foi descoberto: nossa própria galáxia tinha os mesmos conjuntos característicos de cores ausentes que as estrelas, mas todas foram deslocadas na mesma proporção em direção à extremidade vermelha do espectro. A luz visível são vibrações ou ondas do campo eletromagnético. A frequência (número de ondas por segundo) das vibrações de luz é extremamente alta - de quatrocentos a setecentos milhões de ondas por segundo. O olho humano percebe a luz de diferentes frequências como cores diferentes, com as frequências mais baixas correspondendo à extremidade vermelha do espectro,e o mais alto para roxo. Imagine uma fonte de luz localizada a uma distância fixa de nós (por exemplo, uma estrela), emitindo ondas de luz em uma frequência constante. Obviamente, a frequência das ondas que chegam será a mesma com que são emitidas (mesmo que o campo gravitacional da galáxia seja pequeno e sua influência seja insignificante). Suponha agora que a fonte comece a se mover em nossa direção. Quando a próxima onda for emitida, a fonte estará mais perto de nós e, portanto, o tempo que leva para a crista dessa onda nos alcançar será menor do que no caso de uma estrela fixa. Consequentemente, o tempo entre as cristas das duas ondas que chegam será menor e o número de ondas que recebemos em um segundo (ou seja, a frequência) será maior do que quando a estrela estava estacionária. Quando a fonte é removida, a frequência das ondas de entrada será menor. Isso significa,que os espectros das estrelas que se afastam serão desviados para o vermelho (desvio para o vermelho) e que os espectros das estrelas que se aproximam devem sofrer uma mudança para violeta. Essa relação entre velocidade e frequência é chamada de efeito Doppler, e esse efeito é comum até em nosso dia a dia. O efeito Doppler é usado pela polícia, que determina a velocidade dos veículos à distância pela freqüência dos sinais de rádio refletidos deles.
Tendo provado que outras galáxias existem, Hubble dedicou todos os anos subsequentes a compilar catálogos de distâncias a essas galáxias e observar seus espectros. Naquela época, a maioria dos cientistas acreditava que o movimento das galáxias era aleatório e, portanto, os espectros deslocados para o lado vermelho deveriam ser observados tanto quanto aqueles deslocados para o violeta. Que surpresa foi quando o desvio para o vermelho dos espectros foi encontrado na maioria das galáxias, ou seja, descobriu-se que quase todas as galáxias estavam se afastando de nós! Ainda mais surpreendente foi a descoberta publicada por Hubble em 1929: Hubble descobriu que mesmo a magnitude do desvio para o vermelho não é aleatório, mas é diretamente proporcional à distância de nós à galáxia. Em outras palavras, quanto mais longe uma galáxia está, mais rápido ela se afasta! E isso significava que o universo não poderia ser estático, como se pensava anteriormente,que na verdade ele está se expandindo continuamente e as distâncias entre as galáxias estão crescendo o tempo todo.
A expansão do universo significa que no passado seu volume era menor do que é agora. Se o tempo for retrocedido no modelo de universo desenvolvido por Einstein e Friedman, os acontecimentos se inverterão, como em um filme reproduzido desde o fim. Acontece então que há cerca de 13 bilhões de anos o raio do Universo era muito pequeno, ou seja, o peso da galáxia, o meio interestelar e a radiação - em suma, tudo que hoje compõe o Universo estava concentrado em um volume desprezível, próximo a zero. Este estado primário superdenso e superaquecido do Universo não tem análogos em nossa realidade contemporânea. Supõe-se que naquela época a densidade da substância do Universo era comparável à densidade do núcleo atômico e todo o Universo era uma grande gota nuclear. Por algum motivo, a gota nuclear estava em um estado instável e explodiu. Essa suposição está no cerne do conceito do big bang.
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