NUEVO MODELO DEL UNIVERSO
Pregunta sobre la forma del universo. – Historia del problema. – Espacio geométrico y físico. – La duda de su identificación. – La cuarta coordenada del espacio físico. – La relación de las ciencias físicas con las matemáticas. – Física antigua y nueva. – Principios básicos de la física antigua. – Espacio tomado separadamente del tiempo. – El principio de unidad de las leyes. - El principio de Aristóteles. – Cantidades inciertas de física antigua. – Un método de división utilizado en lugar de definición. – Materia orgánica e inorgánica. – Elementos. – Movimiento molecular. - Movimiento browniano. – El principio de conservación de la materia. – Relatividad del movimiento. – Medidas de cantidades. – Unidades de medida absolutas. – La ley de la gravitación universal. – Acción a distancia. - Éter. – Hipótesis sobre la naturaleza de la luz. – Experimento de Michelson-Morley. – La velocidad de la luz como velocidad límite. – Transformaciones de Lorentz. - Teoría cuántica. - El peso de la luz. – Física matemática. – La teoría de Einstein. – Compresión de cuerpos en movimiento. – Principios especiales y generales de la relatividad. – Continuo cuatridimensional. – Geometría corregida y complementada según Einstein. – La relación de la teoría de la relatividad con la experiencia. - “La Almeja” de Einstein. – Espacio finito. – Espacio esférico bidimensional. – Eddington sobre el espacio. – Sobre el estudio de la estructura de la energía radiante. – Física antigua y física nueva.
En cualquier intento de estudiar el mundo y la naturaleza, una persona inevitablemente se encuentra cara a cara con una serie de preguntas a las que no puede dar respuestas directas. Sin embargo, todo el proceso ulterior de su pensamiento sobre el mundo y, por tanto, sobre sí mismo, depende de si reconoce o no estas preguntas, de cómo las formula y de cómo las trata.
Aquí están las más importantes de estas preguntas:
¿Qué forma tiene el mundo?
¿Qué es el mundo: caos o sistema?
¿El mundo surgió por casualidad o fue creado según algún plan?
Y aunque esto pueda parecer extraño a primera vista, una u otra solución a la primera pregunta, es decir pregunta sobre la forma del mundo, la real predetermina las posibles respuestas a otras preguntas: la segunda y la tercera.
Si las preguntas sobre si el mundo es un caos o un sistema, si surgió por casualidad o fue creado según un plan, se resuelven sin determinar primero la forma del mundo y no se derivan de tal determinación, entonces tales decisiones no son convincentes. , requieren “fe” y no son capaces de satisfacer la mente humana. Sólo cuando las respuestas a estas preguntas se derivan de la definición de la forma del mundo resultan ser suficientemente precisas y definidas.
No es difícil demostrar que la filosofía general de la vida que hoy prevalece se basa en soluciones de estas tres cuestiones fundamentales que podrían haberse considerado científicas en el siglo XIX; y los descubrimientos del siglo XX e incluso de finales del XIX todavía no han influido en el pensamiento corriente o lo han influido muy poco. Tampoco es difícil demostrar que todas las demás cuestiones sobre el mundo, cuya formulación y desarrollo constituyen el tema del pensamiento científico, filosófico y religioso, surgen de estas tres cuestiones fundamentales.
Pero, a pesar de su suma importancia, la cuestión de la forma del mundo relativamente rara vez surgió de forma independiente; por lo general, se incluía en otros problemas: cosmológicos, cosmogónicos, astronómicos, geométricos, físicos, etc. La persona promedio se sorprendería bastante si le dijeran que el mundo podría tener alguna forma. Para él mundo no tiene forma.
Sin embargo, para comprender el mundo es necesario poder construir algún modelo del universo, aunque sea imperfecto. Tal modelo del mundo, tal modelo del universo, no puede construirse sin un cierto concepto de la forma del universo. Para hacer un modelo de una casa, es necesario conocer la forma de la casa; Para hacer un modelo de una manzana, necesitas saber la forma de la manzana. Por tanto, antes de pasar a los principios sobre los que se puede construir un nuevo modelo del universo, es necesario considerar, al menos en forma de breve resumen, la historia de la cuestión de la forma del universo, la situación actual. estado de esta cuestión en la ciencia, así como los “modelos” que se han construido hasta tiempos recientes.
Los conceptos cosmogónicos y cosmológicos antiguos y medievales de los sistemas exotéricos (que son los únicos conocidos por la ciencia) nunca fueron particularmente claros o interesantes. Además, el universo que representaban era muy pequeño, mucho más pequeño que el mundo astronómico actual. Así que no hablaré de ellos.
Nuestro estudio de las diferentes visiones sobre la cuestión de la forma del mundo comenzará desde el momento en que los sistemas astronómicos y físico-mecánicos abandonaron la idea de la Tierra como centro del mundo. El período objeto de estudio abarca varios siglos. Pero, de hecho, nos ocuparemos principalmente del siglo pasado, el período comprendido entre finales del primer cuarto del siglo XIX.
En ese momento, las ciencias que estudiaban el mundo natural ya llevaban mucho tiempo divididas: su relación después de la división era la misma que ahora, al menos como lo era hasta hace poco.
La física estudió los fenómenos de la materia que nos rodea.
Astronomía: el movimiento de los “cuerpos celestes”.
La química intentó penetrar los secretos de la estructura y composición de la materia.
Estas tres ciencias físicas basaron sus conceptos sobre la forma del mundo únicamente en la geometría de Euclides. El espacio geométrico se consideraba espacio físico y no se hacía distinción entre ellos; el espacio se consideraba separado de la materia, del mismo modo que una caja y su posición pueden considerarse independientemente de su contenido.
El espacio se entendía como una “esfera infinita”. La esfera infinita estaba determinada geométricamente sólo por el centro, es decir cualquier punto y tres radios que parten de este punto, perpendiculares entre sí. Y la esfera infinita se consideraba completamente similar en todos los aspectos y propiedades físicas a la esfera finita y limitada.
La cuestión de la discrepancia entre el espacio tridimensional geométrico, euclidiano, infinito o finito, por un lado, y el espacio físico, por el otro, surgió muy raramente y no impidió el desarrollo de la física en aquellas direcciones que le eran posibles. .
Sólo a finales del siglo XVIII y principios del XIX se hizo urgente la idea de su posible inconsistencia, la duda sobre la exactitud de identificar el espacio físico con el espacio geométrico; Además, a finales del siglo XIX era imposible ignorarlos en silencio.
Estas dudas surgieron, en primer lugar, debido a los intentos de revisar los fundamentos geométricos, es decir. o probar los axiomas de Euclides, o establecer su inconsistencia; en segundo lugar, gracias al propio desarrollo de la física, más precisamente de la mecánica, esa parte de la física que se ocupa del movimiento; porque su desarrollo llevó a la convicción de que el espacio físico no puede ubicarse en el espacio geométrico, que el espacio físico va constantemente más allá de lo geométrico. Era posible confundir el espacio geométrico con el espacio físico sólo haciendo la vista gorda ante el hecho de que el espacio geométrico es inmóvil, que no contiene tiempo, necesario para el movimiento, que el cálculo de cualquier cifra resultante del movimiento, como un tornillo, por ejemplo, ya requiere cuatro coordenadas.
Posteriormente, el estudio de los fenómenos luminosos, la electricidad, el magnetismo, así como el estudio de la estructura del átomo requirieron con urgencia una ampliación del concepto de espacio.
El resultado de especulaciones incluso puramente geométricas sobre la verdad o falsedad de los axiomas de Euclides fue doble: por un lado, surgió la convicción de que la geometría es una ciencia puramente teórica que se ocupa exclusivamente de axiomas y es completamente completa; que no se le puede añadir nada ni cambiar nada en él; que la geometría es una ciencia que no se puede aplicar a todos los hechos encontrados y que resulta verdadera sólo bajo ciertas condiciones, pero dentro de estas condiciones es confiable e irremplazable. Por otro lado, hubo decepción con la geometría de Euclides, por lo que surgió el deseo de reconstruirla sobre una nueva base, crear un nuevo modelo, ampliar la geometría y convertirla en una ciencia física que pudiera aplicarse a todos los hechos encontrados sin necesidad de disponer estos hechos en un orden artificial. La primera visión de la geometría de Euclides era correcta, la segunda era errónea; pero podemos decir que fue el segundo punto de vista el que triunfó en la ciencia, y esto ralentizó significativamente su desarrollo. Pero volveré sobre este punto más adelante.
Las ideas de Kant sobre las categorías de espacio y tiempo como categorías de percepción y pensamiento nunca fueron incluidas en lo científico, es decir. pensamiento físico, a pesar de los intentos posteriores de introducirlos en la física. El pensamiento físico científico se desarrolló independientemente de la filosofía y la psicología; Este pensamiento siempre ha creído que el espacio y el tiempo tienen una existencia objetiva fuera de nosotros, por lo que se suponía que era posible expresar matemáticamente su relación.
Sin embargo, el desarrollo de la mecánica y otras disciplinas físicas llevó a la necesidad de reconocer una cuarta coordenada del espacio además de las tres coordenadas fundamentales; largo, ancho y alto. La idea de una cuarta coordenada, o cuarta dimensión del espacio, se fue volviendo cada vez más inevitable, aunque durante mucho tiempo siguió siendo una especie de “tabú”.
El material para crear nuevas hipótesis sobre el espacio estaba escondido en los trabajos de los matemáticos: Gauss, Lobachevsky, Zaccheri, Boyle y especialmente Riemann, quienes ya en los años cincuenta del siglo pasado consideraron la posibilidad de una comprensión completamente nueva del espacio. No se ha intentado estudiar psicológicamente el problema del espacio y el tiempo. La idea de la cuarta dimensión permaneció, por así decirlo, bajo la alfombra durante mucho tiempo. Los especialistas lo veían como un problema puramente matemático, mientras que los no especialistas lo veían como un problema místico y oculto.
Pero si hacemos un breve recorrido por el desarrollo del pensamiento científico desde la aparición de esta idea a principios del siglo XIX hasta la actualidad, nos ayudará a comprender la dirección en la que este concepto es capaz de desarrollarse; al mismo tiempo veremos qué nos dice (o puede decirnos) sobre el problema fundamental de la forma del mundo.
La primera y más importante cuestión que surge aquí es la de la relación entre las ciencias físicas y las matemáticas. Desde un punto de vista generalmente aceptado, se acepta que las matemáticas estudian relaciones cuantitativas en el mismo mundo de cosas y fenómenos que estudian las ciencias físicas. De esto se siguen dos disposiciones más: primero, que toda expresión matemática debe tener un equivalente físico, aunque por el momento aún no se haya descubierto; y segundo, que cualquier fenómeno físico puede expresarse matemáticamente.
De hecho, ninguna de estas disposiciones tiene el más mínimo fundamento; aceptarlos como axiomas retrasa el progreso de la ciencia y pensar precisamente en aquellas líneas donde dicho progreso es más necesario. Pero hablaremos de esto más tarde.
En la revisión de las ciencias físicas que sigue, nos centraremos únicamente en la física. Y en física, debemos prestar especial atención a la mecánica: aproximadamente desde mediados del siglo XVIII, la mecánica ocupó una posición dominante en la física, por lo que hasta hace poco se consideraba posible e incluso probable encontrar una manera de explicar todo lo físico. fenómenos como fenómenos mecánicos, es decir fenómenos de movimiento. Algunos científicos fueron aún más lejos en esta dirección: no contentos con la suposición de que era posible explicar los fenómenos físicos como fenómenos de movimiento, aseguraron que tal explicación ya se había encontrado y que explicaba no sólo los fenómenos físicos, sino también los biológicos y procesos mentales.
Actualmente, la física a menudo se divide en viejo y nuevo; Esta división puede aceptarse en términos generales, pero no debe tomarse demasiado literalmente.
Ahora intentaré hacer un breve repaso de las ideas fundamentales de la física antigua, que llevaron a la necesidad de construir una “nueva física”, que inesperadamente destruyó la antigua; y luego pasaré a las ideas de la nueva física, que conducen a la posibilidad de construir un “nuevo modelo del universo” que destruya la nueva física de la misma manera que la nueva física destruyó la vieja.
La vieja física duró hasta el descubrimiento del electrón. Pero ella entendía que incluso el electrón existía en el mismo mundo artificial, regido por las leyes aristotélicas y newtonianas, en el que estudiaba los fenómenos visibles; en otras palabras, el electrón era percibido como algo que existe en el mismo mundo donde existen nuestros cuerpos y otros objetos proporcionales a ellos. Los físicos no entendieron que el electrón pertenece a otro al mundo.
La antigua física se basaba en unos cimientos inquebrantables. El tiempo y el espacio de la física antigua tenían propiedades muy definidas. En primer lugar, podrían considerarse y calcularse. por separado, es decir. como si la posición de cualquier cosa en el espacio de ninguna manera afectara o afectara su posición en el tiempo. Además, para todo lo que existe había un espacio en el que tenían lugar todos los fenómenos. El tiempo también era el mismo para todo lo que existe en el mundo; siempre se midió en la misma escala para todo. En otras palabras, se consideraba aceptable que todos los movimientos posibles en el universo se midieran con una sola medida.
La piedra angular para comprender las leyes del universo en su conjunto fue el principio de Aristóteles, que afirmaba la unidad de las leyes del universo.
Este principio, en su comprensión moderna, se puede formular de la siguiente manera: en todo el universo y en todas las condiciones posibles, las leyes de la naturaleza deben ser las mismas; en otras palabras, una ley establecida en un lugar del universo también debe ser válida en cualquier otro lugar. Sobre esta base, la ciencia, al estudiar los fenómenos en la Tierra y en el sistema solar, supone la existencia de fenómenos idénticos en otros planetas y en otros sistemas estelares.
Este principio, atribuido a Aristóteles, nunca fue entendido por él en el sentido que ha adquirido en nuestro tiempo. El universo de Aristóteles era muy diferente a como lo imaginamos ahora. El pensamiento humano en la época de Aristóteles no era como el pensamiento humano en nuestro tiempo. Muchos de los principios fundamentales y puntos de partida del pensamiento que consideramos firmemente establecidos, Aristóteles todavía tenía que probarlos y establecerlos.
Aristóteles buscó establecer el principio de la unidad de las leyes, oponiéndose a la superstición, la magia ingenua, la fe en los milagros, etc. Para entender el “principio de Aristóteles”, es necesario entender que también tuvo que demostrar que si todos los perros son generalmente incapaces de hablar el lenguaje humano, entonces un perro individual, digamos, en algún lugar de la isla de Creta, También no puede hablar; o si los árboles no pueden moverse de forma independiente, entonces un árbol individual También no puede moverse – etc.
Todo esto, por supuesto, hace tiempo que se olvidó; Ahora la idea de la constancia de todos los conceptos físicos, como movimiento, velocidad, fuerza, energía, etc., se reduce al principio de Aristóteles. Esto significa: lo que alguna vez fue considerado un movimiento siempre sigue siendo un movimiento; lo que antes se consideraba velocidad es siempre velocidad y puede convertirse en “velocidad infinita”.
Razonable y necesario en su sentido original, el principio de Aristóteles no es más que la ley de consistencia general de los fenómenos relacionados con la lógica. Pero en su interpretación moderna, el principio de Aristóteles es completamente erróneo.
Incluso para la nueva física, el concepto de velocidad infinita, que surge únicamente del "principio aristotélico", se volvió imposible; es necesario descartar este principio antes de construir un nuevo modelo del universo. Volveré sobre esta cuestión más adelante.
Si hablamos de física, primero tendremos que analizar la definición misma de esta materia. Según las definiciones escolares, la física estudia “la materia en el espacio y los fenómenos que ocurren en ella”. Aquí nos encontramos inmediatamente con el hecho de que la física opera con cantidades inciertas y desconocidas, que por conveniencia (o por dificultad de definición) toma como conocidas, incluso como conceptos que no requieren definición.
En física existen diferencias formales: en primer lugar, cantidades "primarias", cuya idea se considera inherente a todas las personas. Así es como Khvolson enumera estas “magnitudes primarias” en su “Curso de Física”:
Longitud– lineal, espacial y volumétrico, es decir la longitud de un segmento, el área de una parte de la superficie y el volumen de una parte del espacio limitado por superficies; La extensión es, pues, una medida de magnitud y distancia.
Tiempo.
Velocidad movimiento rectilíneo uniforme.
Naturalmente, estos son sólo ejemplos y Khvolson no insiste en que la lista sea completa. De hecho, esa lista es muy larga: incluye los conceptos de espacio, infinito, materia, movimiento, masa, etc. En una palabra, casi todos los conceptos que utiliza la física son vagos y no pueden definirse. Por supuesto, muy a menudo no es posible evitar trabajar con cantidades desconocidas. Pero el método "científico" tradicional consiste en no reconocer nada desconocido, y también en considerar "cantidades" que no pueden definirse como "primarias", cuya idea es inherente a cada persona. El resultado natural de este enfoque es que todo el enorme edificio de la ciencia, erigido con enormes dificultades, se ha vuelto artificial e irreal.
En la definición de física dada anteriormente, encontramos dos conceptos vagos: espacio Y asunto.
Ya he mencionado el espacio en páginas anteriores. En cuanto al asunto, Khvolson escribe:
"El uso del término 'materia' se ha limitado exclusivamente a la materia que es capaz de actuar más o menos directamente sobre nuestros sentidos."
Este método de separación, en lugar de la definición, se utiliza en física siempre que la definición resulta imposible o difícil, es decir, en relación con todos los conceptos fundamentales. Veremos esto mucho más tarde.
La diferencia entre materia orgánica e inorgánica se debe únicamente a signos externos. El origen de la materia orgánica se considera desconocido. El paso de materia inorgánica a orgánica se puede observar en los procesos de nutrición y crecimiento; Se cree que dicha transición se produce sólo en presencia de materia orgánica ya existente y se logra gracias a su influencia. El secreto de la primera transición permanece oculto (Khvolson).
Por otro lado, vemos que la materia orgánica pasa fácilmente a materia inorgánica, perdiendo esas propiedades indefinidas que llamamos vida.
Se han hecho muchos intentos de considerar la materia orgánica como un caso especial de la materia inorgánica y de explicar todos los fenómenos que ocurren en la materia orgánica (es decir, los fenómenos de la vida) como una combinación de fenómenos físicos. Pero todos estos intentos, así como los intentos de crear artificialmente materia orgánica a partir de materia inorgánica, no llevaron a ninguna parte. Sin embargo, dejaron una huella notable en la comprensión filosófica “científica” general de la vida, desde el punto de vista del cual la “creación artificial de vida” se reconoce no sólo como posible, sino también como parcialmente lograda. Los seguidores de esta filosofía creen que el nombre "química Orgánica", es decir. la química, que estudia la materia orgánica, sólo tiene importancia histórica; la definen como “la química de los compuestos de carbono”, aunque no pueden dejar de reconocer la posición especial de la química de los compuestos de carbono y su diferencia con la química inorgánica.
La materia inorgánica, a su vez, se divide en simple y compleja (y pertenece al campo de la química). La materia compleja está formada por los llamados compuestos químicos de varios tipos simples de materia. Cada tipo de materia se puede dividir en pedazos muy pequeños llamados “partículas”. Partícula- esta es la cantidad más pequeña de un determinado tipo de materia que es capaz de exhibir al menos las principales propiedades de este tipo. Otras subdivisiones de la materia (la molécula, el átomo, el electrón) son tan pequeñas que, tomadas individualmente, ya no poseen ninguna propiedad material, aunque nunca se ha prestado suficiente atención a este último hecho.
Según las ideas científicas modernas, la materia inorgánica se compone de 92 elementos o unidades de materia simple, aunque aún no todos han sido descubiertos. Existe la hipótesis de que los átomos de diferentes elementos no son más que combinaciones de un cierto número de átomos de hidrógeno, que en este caso se considera la materia primaria fundamental. Existen varias teorías sobre la posibilidad o imposibilidad de la transición de un elemento a otro; en algunos casos se ha establecido tal transición, lo que nuevamente contradice el "principio aristotélico".
La materia orgánica, o "compuestos carbonosos", en realidad está compuesta de cuatro elementos: hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno, así como pequeñas trazas de otros elementos.
La materia tiene muchas propiedades, como masa, volumen, densidad, etc., que en la mayoría de los casos sólo pueden determinarse en su interrelación.
Se reconoce que la temperatura corporal depende del movimiento de las moléculas. Se cree que las moléculas están en constante movimiento; Como se define en la física, chocan continuamente entre sí y se separan en todas direcciones, para luego regresar. Cuanto más intenso es su movimiento, más fuertes son los golpes durante las colisiones y mayor es la temperatura corporal; tal movimiento se llama browniano.
Si tal fenómeno realmente ocurriera, significaría algo como esto: varios cientos de automóviles que se mueven en diferentes direcciones a lo largo de una gran ciudad chocan cada minuto entre sí y se separan en diferentes direcciones, sin sufrir daños.
Es interesante que movimiento rápido la película evoca una ilusión similar. Los objetos en movimiento pierden su individualidad; parecen chocar entre sí y volar en diferentes direcciones o atravesarse entre sí. El autor vio una vez una película en la que se filmaba la Plaza de la Concordia de París con coches volando desde todas partes y en todas direcciones. La impresión es como si los coches chocaran con fuerza entre sí a cada momento y se separaran, permaneciendo todo el tiempo dentro de la zona y sin salir de ella.
La física no explica cómo puede ser que cuerpos materiales con masa, peso y una estructura muy compleja choquen a enorme velocidad y se separen sin romperse ni colapsar.
Uno de los logros más importantes de la física fue el establecimiento del principio de conservación de la materia. Este principio consiste en el reconocimiento de que la materia nunca, bajo ninguna condición física o química, se crea de nuevo ni desaparece: su cantidad total permanece inalterada. Los principios de conservación de energía y conservación de masa establecidos posteriormente están asociados con el principio de conservación de la materia.
La mecánica es la ciencia del movimiento de los cuerpos físicos y de las razones de las que puede depender la naturaleza de este movimiento en determinados casos particulares (Khvolson).
Sin embargo, al igual que en el caso de otros conceptos físicos, el movimiento no tiene definición en física. La física sólo establece las propiedades del movimiento: duración, velocidad, dirección, sin las cuales ningún fenómeno puede llamarse movimiento.
La separación (y en ocasiones definición) de las propiedades antes mencionadas reemplaza las definiciones de movimiento, y las características establecidas están relacionadas con el movimiento mismo. Así, el movimiento se divide en rectilíneo y curvilíneo, continuo e intermitente, acelerado y lento, uniforme y desigual.
El establecimiento del principio de relatividad del movimiento llevó a toda una serie de conclusiones; Surgió la pregunta: si el movimiento de un punto material sólo puede determinarse por su posición con respecto a otros cuerpos y puntos, ¿cómo determinar este movimiento en el caso de que otros cuerpos y puntos también se estén moviendo? Esta cuestión se volvió especialmente compleja cuando se estableció (no sólo filosóficamente, en el sentido del panta ret de Heráclito, sino bastante científicamente, con cálculos y diagramas) que no hay nada inmóvil en el universo, que todo, sin excepción, se mueve de una forma u otra. , que un movimiento sólo puede establecerse en relación con otro. Al mismo tiempo, también se establecieron casos de aparente inmovilidad. Por lo tanto, resultó que los componentes individuales de un sistema de cuerpos en movimiento uniforme mantienen la misma posición entre sí, como si todo el sistema estuviera inmóvil. Por lo tanto, los objetos dentro de un carro que se mueve rápidamente se comportan exactamente de la misma manera que si el carro estuviera estacionario. En el caso de dos o más sistemas en movimiento, por ejemplo, en el caso de dos trenes que circulan por vías diferentes en direcciones iguales o opuestas, resulta que su velocidad relativa es igual a la diferencia entre las velocidades o su suma dependiendo sobre la dirección del movimiento. Por tanto, dos trenes que se acercan se acercarán a una velocidad igual a la suma de sus velocidades. Para que un tren alcance a otro, el segundo tren se moverá en dirección opuesta al suyo, a una velocidad igual a la diferencia entre las velocidades de los trenes. Lo que se suele llamar velocidad de un tren es la velocidad que se le atribuye al tren cuando se desplaza entre dos objetos que se encuentran estacionarios en él, por ejemplo, entre dos estaciones, etc.
El estudio del movimiento en general, y del movimiento oscilatorio y ondulatorio en particular, tuvo un enorme impacto en el desarrollo de la física. En el movimiento ondulatorio vieron un principio universal; Se intentó reducir todos los fenómenos físicos a un movimiento oscilatorio.
Uno de los métodos fundamentales de la física es el método de medir cantidades.
La medición de cantidades se basa en ciertos principios; el más importante de ellos es el principio de homogeneidad, a saber: las cantidades que pertenecen al mismo orden y que difieren entre sí sólo en términos cuantitativos se denominan cantidades homogéneas; se considera posible compararlos y medir uno en relación con el otro. En cuanto a cantidades de diferentes pedidos, se considera imposible medir uno de ellos en relación con el otro.
Desafortunadamente, como se mencionó anteriormente, en física solo unas pocas cantidades están determinadas; Generalmente las definiciones se reemplazan por nombres.
Pero como siempre pueden ocurrir errores en la denominación y cantidades cualitativamente diferentes reciben los mismos nombres, y viceversa, cantidades cualitativamente idénticas recibirán nombres diferentes, las cantidades físicas resultan poco confiables. Esto es especialmente cierto porque aquí se siente la influencia del principio de Aristóteles, es decir, una cantidad una vez reconocida como cantidad de un determinado pedido siempre siguió siendo una cantidad de ese pedido. Diferentes formas de energía fluían unas sobre otras, la materia pasaba de un estado a otro; pero el espacio (o parte del espacio) siempre siguió siendo espacio, el tiempo - tiempo, el movimiento siempre siguió siendo movimiento, la velocidad - velocidad, etc.
Siguiendo considerando la medición de cantidades, es necesario señalar que las unidades de medida utilizadas en física son bastante aleatorias y no están relacionadas con las cantidades que se miden. Las unidades de medida tienen una sola propiedad común: todas son desde algún lugar prestado. Nunca antes se había tomado como medida la propiedad más característica de una cantidad determinada.
La artificialidad de las medidas en física, por supuesto, no es un secreto para nadie, y la comprensión de esta artificialidad está asociada, por ejemplo, con los intentos de establecer una unidad de longitud. parte del meridiano. Naturalmente, estos intentos no cambian nada; Ya sea que se tome como unidad de medida alguna parte del cuerpo humano, el “pie”, o una parte del meridiano, el “metro”, ambas son igualmente arbitrarias. Pero en realidad las cosas contienen sus propias medidas; y encontrarlos significa comprender el mundo. La física sólo lo adivina vagamente, pero hasta ahora ni siquiera se ha acercado a tales medidas.
En 1900, el prof. Planck creó un sistema de "unidades absolutas", que se basaba en "constantes universales", a saber: la primera, la velocidad de la luz en el vacío; la segunda es la constante gravitacional; el tercero es un valor constante que juega un papel importante en termodinámica (energía dividida por temperatura); la cuarta es una cantidad constante llamada “acción” (energía multiplicada por tiempo), que representa la menor cantidad posible de trabajo, su “átomo”.
Utilizando estas cantidades, Planck recibió un sistema de unidades, que considera absoluto y completamente independiente de las decisiones arbitrarias del hombre; toma su sistema por natural. Planck sostiene que estas cantidades conservan su significado natural mientras la ley de la gravitación universal, la velocidad de la luz en el vacío y los dos principios básicos de la termodinámica permanezcan sin cambios; serán los mismos para cualquier ser inteligente bajo cualquier método de determinación.
Sin embargo, la ley de la gravitación universal y la ley de la propagación de la luz en el vacío son dos de los puntos más débiles de la física, ya que en realidad no son en absoluto lo que se supone que son. Por tanto, todo el sistema de medidas propuesto por Planck es muy poco fiable. Lo interesante aquí no es tanto el resultado como el principio mismo, es decir. reconocimiento de la necesidad de encontrar medidas naturales de las cosas.
La ley de la gravitación universal fue formulada por Newton en su libro "Principios matemáticos de la filosofía natural", publicado en Londres en 1687. Esta ley ha sido conocida desde el principio en dos formulaciones: científica y popular.
La formulación científica es:
Se observan fenómenos entre dos cuerpos en el espacio, que se puede describir, suponiendo que dos cuerpos se atraen con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.
He aquí una formulación popular:
dos cuerpos atraer entre sí con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.
En la segunda formulación, se olvida por completo que la fuerza de atracción es una cantidad ficticia, adoptada sólo por la conveniencia de describir fenómenos. Y fuerza de gravedad Se considera que existe realmente, tanto entre el Sol y la Tierra, como entre la Tierra y una piedra arrojada.
(La última teoría electromagnética de los campos gravitacionales dogmatiza segundo Punto de vista.)
Profe. Khvolson escribe en su “Curso de Física”:
El colosal desarrollo de la mecánica celeste, basada enteramente en la ley de la gravitación universal, reconocida como un hecho, hizo que los científicos olvidaran el carácter puramente descriptivo de esta ley y vieran en ella la formulación final de un fenómeno físico verdaderamente existente.
Lo que es especialmente importante de la ley de Newton es que proporciona una fórmula matemática muy simple que se puede aplicar en todo el universo y a partir de la cual se puede calcular cualquier movimiento, incluido el movimiento de planetas y cuerpos celestes, con una precisión asombrosa. Por supuesto, Newton nunca afirmó que estuviera expresando el hecho de la atracción real de los cuerpos entre sí; Tampoco determinó Por qué se atraen entre sí y por lo cual.
¿Cómo puede el Sol influir en el movimiento de la Tierra a través del espacio vacío? ¿Cómo entendemos generalmente la posibilidad de acción a través del espacio vacío? La ley de la gravitación no responde a esta pregunta, y el propio Newton lo entendió plenamente. Tanto él como sus contemporáneos Huygens y Leibniz advirtieron contra los intentos de ver en la ley de Newton una solución al problema de la acción a través del espacio vacío; para ellos esta ley era simple fórmula para cálculos. Sin embargo, los enormes avances en física y astronomía posibles gracias al uso de la ley de Newton han hecho que los científicos olviden estas advertencias; y gradualmente se hizo más fuerte la opinión de que Newton descubrió la fuerza de gravedad.
Khvolson escribe en su “Curso de Física”:
El término "acción a distancia" denota una de las doctrinas más dañinas que jamás haya surgido en la física y haya retardado su progreso; esta doctrina permite la posibilidad de un impacto instantáneo de un objeto sobre otro, ubicado a tal distancia de él que su contacto directo es imposible.
En la primera mitad del siglo XIX, la idea de acción a distancia reinaba en la ciencia. Faraday fue el primero en señalar la inadmisibilidad de la influencia de un cuerpo sobre un determinado punto en el que ese cuerpo no se encuentra, sin ambiente intermedio. Dejando de lado la cuestión de la gravitación universal, prestó especial atención a los fenómenos de la electricidad y el magnetismo y señaló el papel extremadamente importante en estos fenómenos del "medio intermedio", que llena el espacio entre los cuerpos, como si actuaran directamente uno sobre el otro. .
Actualmente, la creencia de que la acción a distancia es inadmisible en cualquier esfera de los fenómenos físicos ha recibido un reconocimiento universal.
Sin embargo, la antigua física sólo pudo descartar la acción a distancia después de aceptar la hipótesis entorno universal, o éter. Esta hipótesis resultó ser necesaria para la teoría de la luz y los fenómenos eléctricos, tal como los entendía la física antigua.
En el siglo XVIII, los fenómenos luminosos se explicaban mediante la hipótesis de la radiación propuesta en 1704 por Newton. Esta hipótesis suponía que los cuerpos luminosos emiten en todas direcciones diminutas partículas de una sustancia luminosa especial, que se propagan por el espacio a enorme velocidad y, al entrar en el ojo, provocan en él una sensación de luz. Según esta hipótesis, Newton desarrolló las ideas de los antiguos; Platón, por ejemplo, suele utilizar la expresión: “la luz llenó mis ojos”.
Más tarde, principalmente en el siglo XIX, cuando la atención de los investigadores se centró en las consecuencias de los fenómenos luminosos que no pueden explicarse mediante la hipótesis de la radiación, se generalizó otra hipótesis, a saber, la hipótesis de las oscilaciones de las ondas del éter. Fue propuesto por primera vez por el físico holandés Huygens en 1690, pero la ciencia no lo aceptó durante mucho tiempo. Posteriormente, la investigación sobre la difracción inclinó la balanza a favor de la hipótesis de las ondas luminosas y en contra de la hipótesis de la radiación; y los trabajos posteriores de los físicos en el campo de la polarización de la luz consiguieron el reconocimiento universal de esta hipótesis.
En la hipótesis ondulatoria, los fenómenos luminosos se explican por analogía con los fenómenos sonoros. Así como el sonido es el resultado de las vibraciones de las partículas de un cuerpo sonoro y se propaga debido a las vibraciones de las partículas de aire u otro medio elástico, así, según esta hipótesis, la luz es el resultado de las vibraciones de las moléculas de un cuerpo luminoso, y su distribución se produce debido a las vibraciones del éter extremadamente elástico, que llena los espacios interestelares e intermoleculares.
En el siglo XIX, la teoría de las oscilaciones se convirtió gradualmente en la base de toda la física. Electricidad, magnetismo, calor, luz, incluso pensamiento Y vida(aunque puramente dialéctica) se explicó desde el punto de vista de la teoría de las oscilaciones. No se puede negar que para los fenómenos de la luz y el electromagnetismo, la teoría de las oscilaciones proporcionó fórmulas de cálculo muy convenientes y simples. Se han realizado varios descubrimientos e invenciones brillantes basados en la teoría de las oscilaciones.
Pero la teoría de las oscilaciones requería éter. La hipótesis del éter surgió para explicar los fenómenos más diversos y, por tanto, el éter adquirió propiedades bastante extrañas y contradictorias. Él es omnipresente; Llena todo el universo, impregna todos sus puntos, todos los átomos y espacios interatómicos. Es continuo y tiene elasticidad absoluta; sin embargo, es tan enrarecido, delgado y permeable que todos los cuerpos terrestres y celestes lo atraviesan sin experimentar una oposición notable a su movimiento. Su rarefacción es tan grande que si el éter se condensara en líquido, toda su masa dentro de la Vía Láctea cabría en un centímetro cúbico.
Al mismo tiempo, Sir Oliver Lodge cree que la densidad del éter es mil millones veces la densidad del agua. Desde este punto de vista, el mundo parece estar formado por una sustancia sólida, el "éter", que es millones de veces más densa que el diamante; y la materia que conocemos, incluso la más densa, es sólo espacio vacio, burbujas en la masa de éter.
Se han hecho muchos intentos para probar la existencia del éter o descubrir hechos que confirmen su existencia.
Así, se suponía que se podría establecer la existencia del éter si se pudiera demostrar que algún rayo de luz, moviéndose más rápido que otro rayo de luz, cambia sus características de cierta manera.
Se sabe lo siguiente: el tono de un sonido aumenta o disminuye según si el oyente se acerca o se aleja de su fuente. Éste es el llamado principio Doppler; teóricamente se consideraba aplicable a la luz. Esto significa que un objeto que se acerca o se aleja rápidamente debe cambiar de color, del mismo modo que el silbido de una locomotora que se acerca o se aleja cambia su tono. Pero debido a la estructura especial del ojo y la velocidad de su percepción, es imposible esperar que el ojo note un cambio de color, incluso si realmente ocurre.
Para establecer el hecho del cambio de color, fue necesario utilizar un espectroscopio, es decir. Extiende el haz de luz y observa cada color por separado. Pero estos experimentos no dieron resultados positivos, por lo que con su ayuda no fue posible probar la existencia del éter.
Y así, para resolver de una vez por todas la cuestión de si el éter existe o no, los científicos estadounidenses Michelson y Morley emprendieron a mediados de los años 80 del siglo pasado una serie de experimentos con un dispositivo de su propia invención.
El dispositivo se colocó sobre una losa de piedra montada sobre un flotador de madera, que giraba en un recipiente con mercurio y hacía una revolución en seis minutos. Un rayo de luz de una lámpara especial incidía sobre espejos sujetos a un flotador giratorio; esta luz en parte los atravesaba y en parte era reflejada por ellos, con la mitad de los rayos yendo en la dirección del movimiento de la Tierra y la otra en ángulo recto con respecto a ella. Esto significa que, de acuerdo con el diseño experimental, la mitad del haz se movía a la velocidad normal de la luz y la otra mitad a la velocidad de la luz. más velocidad de rotación de la Tierra. De nuevo, según el diseño del experimento, al combinar el haz dividido se debían detectar ciertos fenómenos luminosos que surgían de diferencias de velocidad y que mostraban un movimiento relativo entre la Tierra y el éter. Así, sería posible probar indirectamente la existencia del éter.
Las observaciones se realizaron durante un largo período de tiempo, tanto de día como de noche; pero no fue posible detectar ningún fenómeno que confirmara la existencia del éter.
Desde el punto de vista de la tarea original, era necesario admitir que el experimento terminó en un fracaso. Sin embargo, descubrió otro fenómeno (mucho más importante que el que intentaba establecer), a saber: es imposible aumentar la velocidad de la luz. Un rayo de luz que se movía con la Tierra no era diferente de un rayo de luz que se movía en ángulo recto con respecto al movimiento orbital de la Tierra.
tuve que admitir como ley que la velocidad de la luz es un valor constante y máximo, que no puede aumentarse. Esto, a su vez, explica por qué el principio Doppler no se aplica a los fenómenos luminosos. Además, se descubrió que la ley general de suma de velocidades, que es la base de la mecánica, no es aplicable a la velocidad de la luz.
En su libro sobre la relatividad, el Prof. Einstein explica que si imaginamos un tren viajando a una velocidad de 30 km por segundo, es decir con la velocidad del movimiento de la Tierra, y el rayo de luz lo alcanzará o lo encontrará, entonces en este caso no se producirá la suma de velocidades. La velocidad de la luz no aumentará al sumarle la velocidad del tren, ni disminuirá al restarle la velocidad del tren.
Al mismo tiempo, se determinó que ningún instrumento o medio de vigilancia existente podría interceptar un rayo en movimiento. En otras palabras, es imposible atrapar el extremo de una viga que aún no ha llegado a su destino. Teóricamente podemos hablar de rayos que aún no han llegado a cierto punto; pero en la práctica no somos capaces de observarlos. En consecuencia, para nosotros con nuestros medios de observación, la propagación de la luz es instantánea.
Al mismo tiempo, los físicos que analizaron los resultados del experimento de Michelson-Morley explicaron su fracaso por la presencia de fenómenos nuevos y desconocidos generados por las altas velocidades.
Los primeros intentos de resolver este problema los hicieron Lorenz y Fitzgerald. La experiencia no pudo haber salido bien., - así formuló Lorentz sus disposiciones, - para cada cuerpo que se mueve en el éter, sí mismo sufre deformación, a saber: se contrae en la dirección del movimiento (para un observador en reposo). Basando su razonamiento en las leyes fundamentales de la mecánica y la física, Lorentz, utilizando una serie de construcciones matemáticas, demostró que la instalación de Michelson y Morley estaba sujeta a contracción y que el tamaño de esta contracción era tal que equilibraba el desplazamiento de las ondas de luz. , que correspondía a su dirección en el espacio, y que esto anulaba las diferencias en la velocidad de los dos haces.
Las conclusiones de Lorentz sobre el supuesto desplazamiento y contracción de un cuerpo en movimiento, a su vez, dieron lugar a muchas explicaciones; uno de ellos fue propuesto en términos del principio especial de relatividad de Einstein. Pero ésta ya es el área de la nueva física.
La antigua física estaba indisolublemente ligada a la teoría de las oscilaciones.
La nueva teoría que surgió en sustitución de la antigua teoría de las oscilaciones fue la teoría de la estructura corpuscular de la luz y la electricidad, consideradas como materia existente independientemente y formada por cuantos.
Esta nueva enseñanza, dice Khvolson, significa un retorno a la teoría de la radiación de Newton, aunque en una versión significativamente modificada. Todavía está lejos de estar completo, y su parte más importante, el concepto cuántico, aún permanece indeterminado. Qué es un cuanto, la nueva física no puede determinarlo.
La teoría de la estructura corpuscular de la luz y la electricidad cambió por completo las opiniones sobre la electricidad y los fenómenos luminosos. La ciencia ha dejado de ver la causa principal de los fenómenos eléctricos en los estados especiales del éter y ha vuelto a la antigua teoría según la cual la electricidad es una sustancia especial con existencia real.
Lo mismo sucedió con la luz. Según las teorías modernas, la luz es una corriente de partículas diminutas que viajan por el espacio a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo. Estos no son corpúsculos newtonianos, sino un tipo especial. materia-energia, creado por vórtices electromagnéticos.
La materialidad del flujo luminoso se estableció en los experimentos del profesor moscovita Lebedev. Lebedev demostró que la luz tiene peso, es decir Al caer sobre los cuerpos, ejerce sobre ellos una presión mecánica. Es característico que, al comenzar sus experimentos para determinar la presión de la luz, Lebedev partiera de la teoría de las vibraciones del éter. Este caso muestra cómo la antigua física se ha refutado a sí misma.
El descubrimiento de Lebedev resultó ser muy importante para la astronomía; explicó, por ejemplo, algunos fenómenos observados durante el paso de la cola de un cometa cerca del Sol. Pero adquirió especial importancia para la física, ya que proporcionó nuevos argumentos a favor de la unidad de la estructura de la energía radiante.
La incapacidad de demostrar la existencia del éter, el establecimiento de la velocidad absoluta y constante de la luz, nuevas teorías sobre la luz y la electricidad y, sobre todo, el estudio de la estructura del átomo, todo esto apuntó a las líneas más interesantes de desarrollo de nueva física.
A partir de esta dirección de la física se desarrolló otra disciplina de la nueva física, llamada física matemática. Según la definición que se le da, la física matemática comienza con algún hecho, confirmado por la experiencia y que expresa alguna conexión ordenada entre los fenómenos. Ella pone esta conexión en forma matemática, después de lo cual, por así decirlo, pasa a las matemáticas puras y comienza a explorar, con la ayuda del análisis matemático, las consecuencias que se derivan de las disposiciones principales (Khvolson).
Así, parece que el éxito o fracaso de las conclusiones de la física matemática depende de tres factores: primero, de la corrección o incorrección de la definición del hecho inicial; en segundo lugar, sobre la exactitud de su expresión matemática; y en tercer lugar, de la precisión del análisis matemático posterior.
Hubo un tiempo en que se exageraba mucho la importancia de la física matemática, escribe Khvolson. – Se esperaba que fuera la física matemática la que determinara el rumbo fundamental en el desarrollo de la física, pero esto no sucedió. Hay muchos errores importantes en las conclusiones de la física matemática. En primer lugar, coinciden con los resultados de la observación directa, normalmente sólo en una primera aproximación aproximada. La razón de esto es que las premisas de la física matemática sólo pueden considerarse suficientemente precisas dentro de los límites más estrechos; Además, estas premisas no tienen en cuenta toda una serie de circunstancias concomitantes cuya influencia, fuera de estas estrechas premisas, no puede pasarse por alto. Por lo tanto, las conclusiones de la física matemática se refieren únicamente a casos ideales que no pueden realizarse en la práctica y que a menudo están muy lejos de la realidad.
A esto hay que añadir que los métodos de la física matemática permiten resolver problemas especiales sólo en los casos más simples. Pero la física práctica no puede limitarse a tales casos; De vez en cuando tiene que afrontar problemas que la física matemática no puede resolver. Además, los resultados de las conclusiones de la física matemática pueden ser tan complejos que su aplicación práctica resulta imposible.
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Del libro del autor¿Estamos solos en el universo? ¿Estamos solos en el universo? La pregunta es legítima independientemente del funcionamiento del sistema de creencias, y en este momento la ciencia nos ofrece una respuesta claramente ambivalente: no lo sabemos. La respuesta todavía se nos escapa porque todavía no se ha producido ningún contacto.
Los científicos cosmogonistas aún no conocen la respuesta exacta a la pregunta sobre la forma del Universo. Como, de hecho, a las preguntas sobre su finitud-infinito o su cierre-apertura. Muchos cosmogonistas están unidos por la hipótesis del Big Bang, que en una presentación simplificada se ve así. El Big Bang: cómo empezó todo... Antes del Big Bang no existían los conceptos de “aquí” y “allá”, “antes” y “después”. Toda la materia del mundo estaba concentrada en un punto con un tamaño prácticamente nulo y, en consecuencia, una densidad casi infinita. El tiempo tampoco existió, porque nada sucedió en el punto mismo, y nada existió fuera de él y, por lo tanto, no pudo suceder. Entonces, por alguna razón, el punto (también llamado “huevo cósmico”) explotó. La materia recién nacida rápidamente, a la velocidad de la luz, se vertió en la “nada” circundante. Aparecieron energía y fuerzas: nucleares, electromagnéticas, gravitacionales. El tiempo apareció y empezó a fluir. La materia empezó a girar en espirales de nebulosas. Aparecieron las estrellas y luego los planetas. Miles de millones de años después, en el tercer planeta, una enana amarilla ordinaria y corriente, ubicada en la periferia de una galaxia espiral ordinaria y corriente, la primera protobacteria salió del océano primordial hacia la tierra y, después de otros mil millones de años, los descendientes de. Esta protobacteria comenzó a reflexionar sobre varias cuestiones cosmogónicas. El universo es grande pero finito. La hipótesis del Big Bang sitúa la edad del Universo en 15 (¡aproximadamente!) mil millones de años. Si la hipótesis es incorrecta, entonces la estimación de la edad es incorrecta. ¿Quizás no hubo explosión y el Universo siempre existió? Pero si la hipótesis es correcta, entonces la respuesta a la pregunta sobre el tamaño del Universo queda clara. Si es correcto, cada escolar puede calcular fácilmente el tamaño del Universo. De hecho, basta con multiplicar el tiempo (15 mil millones de años) por la velocidad de expansión de la materia. Es decir, a la velocidad de la luz: 300.000 kilómetros por segundo. Lo más probable es que esta velocidad sea algo menor con el paso de los años, pero para facilitar el cálculo la consideraremos constante. ¿La has multiplicado? Sí, resultó ser un número enorme, con muchos ceros... pero aún no infinito. Conclusión: El Universo es grande, pero finito. Y por eso, no sólo debe tener tamaño, sino también forma. Y aquí es donde comienza la diversión.
El universo puede tener muchas formas diferentes: plano, abierto o cerrado. Sobre la cuestión de la forma del Universo Lo más lógico y sencillo es suponer que el Universo tiene forma de esfera. De hecho, si la materia se dispersa desde un único centro a velocidad constante, ¿qué podría ser sino una esfera? Pero si la velocidad no es constante y el Universo no es cerrado y homogéneo, entonces puede tener cualquier forma. Por ejemplo, un plano de cuatro dimensiones recto o curvo. En este caso, el Universo no es cerrado, eterno e infinito. Los científicos están tratando de obtener información sobre la forma del Universo mediante el estudio de la llamada radiación cósmica de fondo de microondas. El comienzo de todos los comienzos, o el Big Bang, estuvo acompañado por la liberación no solo de materia, sino también de radiación. Esta radiación electromagnética, llamada radiación cósmica de fondo de microondas, tiene sus propias características físicas inmutables que permiten a los astrofísicos distinguirla de la gran variedad de otros "rayos cósmicos". Se cree que la radiación cósmica de fondo de microondas todavía llena uniformemente el Universo. Su existencia fue confirmada experimentalmente en 1965. ¿Tiene el universo forma de botella?
Así es como se ve una botella de Klein (una superficie cerrada de un lado) Mientras estudiaba la radiación cósmica de fondo de microondas, el científico soviético D.D. A mediados del siglo pasado, Ivanenko propuso la suposición de que el Universo, en primer lugar, está cerrado y, en segundo lugar, no obedece en todas partes las leyes de la geometría euclidiana. No ajustarse a la geometría euclidiana significa que en algún lugar hay lugares donde las líneas paralelas se cruzan e incluso fluyen entre sí. El carácter cerrado del Universo significa que puede estar "cerrado sobre sí mismo": habiendo emprendido un viaje desde un punto (digamos, desde el planeta Tierra) y moviéndonos, como nos parece, estrictamente en línea recta, eventualmente estaremos Nos encontramos allí, en la Tierra, aunque después de muchos años. Confirmación indirecta de la teoría de D.D. Ivanenko y sus seguidores fueron recibidos en 2001. La sonda espacial estadounidense WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) transmitió a la Tierra datos sobre las fluctuaciones (cambios, fluctuaciones) en la temperatura de la radiación cósmica de fondo de microondas. Los astrofísicos estaban interesados en el tamaño y la naturaleza de la distribución de estas fluctuaciones. Se llevaron a cabo modelos informáticos que demostraron que tal naturaleza de fluctuaciones sólo se puede observar si el Universo es limitado y cerrado sobre sí mismo. Incluso un rayo de luz que se propaga en el espacio debe regresar a su punto de partida después de un cierto (largo) período. de tiempo. Esto significa que los astrónomos en la Tierra pueden, por ejemplo, observar la misma galaxia en diferentes partes del cielo, ¡e incluso desde diferentes lados! Si se confirman los datos WMAP, nuestra visión del Universo cambiará mucho. En primer lugar, será relativamente pequeño: no tendrá más de 10 mil millones de años luz de diámetro. En segundo lugar, su forma puede resultar la de un toro (donut), o incluso algo completamente exótico, por ejemplo, una botella de Klein cerrada sobre sí misma. Además, esto significará que podremos observar todo el Universo y comprobarlo. que en todas partes se aplican las mismas leyes físicas.
Tales declaraciones son similares a esas grandes ideas que cambian radicalmente la visión de nuestro lugar en este mundo. Una de estas revoluciones en la conciencia ocurrió en 1543, cuando Nicolás Copérnico demostró que la Tierra no es el centro del Universo. En los años 20 del siglo XX, Edwin Hubble, al darse cuenta de que las galaxias del Universo se alejaban unas de otras, dio origen a la idea de que nuestro Universo no existió para siempre, sino que se formó como resultado de un determinado evento: el Gran Estallido. Ahora estamos al borde de un nuevo descubrimiento. Si se encuentran los límites del Universo, nos enfrentaremos a una pregunta nueva, aún más difícil: ¿qué hay al otro lado de los límites?
Naveguemos por las estrellas
La infinidad del Universo implica que debe ser infinito no sólo en el espacio, sino también en el tiempo, y por tanto tener un número infinito de estrellas. En este caso, nuestro cielo estaría completamente salpicado de luminarias y deslumbrantemente brillante las 24 horas del día. Sin embargo, la oscuridad del cielo indica que el cosmos no existió para siempre. Según la teoría popular, todo comenzó con el Big Bang, que dio lugar a la existencia misma y expansión de la materia. Este concepto en sí mismo refuta la idea de la eternidad del Universo y, por tanto, socava la creencia en su infinito. Al mismo tiempo, la teoría del Big Bang crea ciertas dificultades para los astrónomos que buscan los límites de nuestro espacio exterior.
“El hecho es que recorrer grandes distancias lleva años luz y, por lo tanto, los científicos siempre reciben datos obsoletos. El espacio atravesado por la luz en el Universo temprano creció debido a su posterior expansión. Las estrellas más cercanas a nosotros son relativamente jóvenes; los objetos distantes ya tienen miles de años y, si nos fijamos en otras galaxias, miles de millones. Sin embargo, no vemos todas las galaxias. 13.700 millones de años es el máximo de que disponemos”, explica Neil Cornish, astrofísico de la Universidad Estatal de Montana. Una especie de barrera para nuestra visión es la radiación relicta, formada aproximadamente 380 mil años después del Big Bang, cuando el Universo se expandió y se enfrió tanto que aparecieron los átomos. Esta radiación es algo así como una fotografía del espacio hecha por un niño, en la que se capta incluso antes de que aparecieran las estrellas. Detrás de él pueden existir fronteras y un Universo que continúa sin fin. Pero, a pesar del poder de los telescopios, esta zona sigue siendo invisible.
musica espacial
El CMB impide que los científicos escudriñen los confines más lejanos del espacio, pero al mismo tiempo transporta información muy valiosa contenida en el fondo de microondas. Los científicos sugieren que si el Universo fuera de tamaño ilimitado, se podrían encontrar en él ondas de todas las longitudes posibles. Sin embargo, de hecho, el espectro de ondas del espacio es muy estrecho: el aparato WMAP de la NASA, diseñado para estudiar la radiación cósmica de fondo de microondas, nunca ha detectado ondas verdaderamente grandes. “El Universo tiene las propiedades de un instrumento musical, dentro del cual la longitud de onda no puede exceder su longitud. Nos dimos cuenta de que el Universo no vibra en longitudes de onda largas, lo que confirmó su finitud”, dice Jean Pierre Luminet del Observatorio de París, en Francia.
Lo único que queda por hacer es determinar sus límites y su forma. Glen Starkmann, un físico canadiense que trabaja en la Universidad Case Western de Cleveland, cree haber encontrado una manera de determinar los límites del Universo, incluso si están más lejos que nuestra línea de visión. Esto se puede hacer nuevamente usando ondas. “Las ondas sonoras que se difundieron por el Universo durante su juventud pueden decir mucho. La forma del universo, como la forma de un tambor, determina qué tipo de vibraciones se producirán en él”, afirma Glen. Su equipo planea aplicar análisis espectral a nuestro Universo para determinar su forma en función de los sonidos que emite. Es cierto que estos estudios son a largo plazo y puede llevar años encontrar una respuesta.
Vivimos en un donut...
Sin embargo, existe otra forma de saber si el Universo tiene límites. Esto es lo que está haciendo actualmente Zhanna Levin, teórica de la Universidad de Cambridge. Explica el principio de construcción del Universo tomando como ejemplo el viejo juego de ordenador "Asteroides". Si una nave espacial controlada por un jugador sube fuera de la pantalla, aparecerá inmediatamente debajo. Una maniobra tan extraña se vuelve comprensible si mentalmente enrollas la pantalla en un tubo, como si fuera una revista: resulta que el dispositivo simplemente se mueve en círculo.
“De la misma manera, nosotros, que vivimos dentro del Universo, no podemos salir. No tenemos acceso a una dimensión desde la cual podamos mirar nuestro Universo tridimensional desde fuera. Tomemos, por ejemplo, un donut (que, por cierto, en este caso es una forma completamente adecuada para el Universo), aunque su superficie está claramente definida, ninguno de los que viven en su interior tropezará con sus límites: les parece que nadie Los límites existen”, dice Zhanna.
Sin embargo, todavía existe la posibilidad de reconocer estos límites, aunque sean escasas: es necesario controlar el comportamiento de la luz. Imaginemos que el Universo es una habitación y tú, armado con una linterna, estás en el centro. La luz de la linterna llegará a la pared detrás de ti y luego se reflejará en la pared opuesta. y verás el reflejo de tu propia espalda en él. Las mismas reglas pueden funcionar en un espacio limitado. Los "retratos luminosos" pueden reflejarse en supuestas paredes espaciales y, por tanto, duplicarse muchas veces, pero con algunos cambios. Y si el Universo fuera un poco más grande que la Tierra, la luz volaría instantáneamente a su alrededor y aparecerían imágenes curvas del planeta en todo el cielo. Pero el espacio es tan vasto que la luz tardará miles de millones de años en viajar a su alrededor y reflejarse.
Pero volvamos a nuestros “volantes”. Zhanna Levin encontró apoyo para su teoría del universo en forma de donut en la persona de Frank Steiner de la Universidad de Ulm en Alemania. Después de analizar los datos obtenidos utilizando WMAP, este científico concluyó que el Universo Donut proporciona la mayor concordancia con la radiación cósmica de fondo de microondas observada. Su equipo también intentó adivinar el tamaño probable del Universo: según la investigación, podría alcanzar los 56 mil millones de años luz de diámetro.
...o en un balón de fútbol?
Jean Pierre Luminet, con todo su respeto por el donut de Levine, todavía confía en que el Universo es un dodecaedro esférico o, más simplemente, un balón de fútbol: doce superficies redondeadas pentagonales dispuestas simétricamente. De hecho, la teoría del científico francés no contradice particularmente la investigación científica de Zhanna Levin con su juego "Asteroides". El mismo esquema funciona aquí: dejando uno de los lados, te encuentras en el opuesto. Por ejemplo, si vuelas en línea recta en algún cohete de "alta velocidad", eventualmente podrás regresar al punto de partida. Jean-Pierre no niega el principio del reflejo especular. Confía en que si existiera un telescopio superpoderoso, sería posible ver los mismos objetos en diferentes direcciones del espacio, sólo que en diferentes etapas de la vida. Pero cuando los bordes del dodecaedro están a miles de millones de años luz de distancia, ni siquiera los astrónomos más observadores pueden notar los débiles reflejos en ellos.
Cabe señalar que Lumine, con su concepto de balón de fútbol, encontró un aliado: el matemático Jeffrey Weeks. Este científico afirma que las ondas en el fondo cósmico de microondas tienen exactamente el mismo aspecto que si aparecieran dentro de una figura geométrica regular de doce caras pentagonales.
Inflación a escala universal
El primer momento de la vida del Universo jugó un papel muy importante en su evolución posterior. Los científicos todavía están formulando hipótesis complejas sobre la inflación: un período de tiempo muy corto, mucho menos de un segundo, durante el cual el tamaño del Universo aumentó cien billones de veces. La mayoría de los científicos se inclinan a creer que la expansión del Universo aún continúa. Y parecería que la teoría del infinito del espacio es una continuación lógica de la idea de inflación.
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Modelo informático del universo.
Sin embargo, Andy Albracht, físico teórico de la Universidad de California en Davis, tiene una opinión diferente al respecto: aunque la expansión del Universo continúa hasta el día de hoy, este proceso todavía tiene límites. Para explicar su teoría, Andy utilizó la metáfora de una pompa de jabón para referirse al universo. La teoría tradicional de la inflación permite una expansión infinita de esta burbuja, pero incluso los niños de jardín de infantes saben que tarde o temprano la burbuja explotará. Andy cree que, una vez alcanzado su máximo, la inflación debería detenerse. Y este máximo no es tan grande como pensamos. Según Olbracht, el Universo es sólo un 20% más grande que el espacio que vemos. “Por supuesto, es increíblemente difícil llegar desde el infinito a un tamaño tan pequeño: ¡sólo un 20% más grande! Incluso comencé a sentir claustrofobia”, bromea el científico. Por supuesto, las conclusiones de Olbracht son muy controvertidas y requieren confirmación fáctica, pero por ahora la mayoría de los astrónomos creen que la inflación no desaparecerá muy pronto.
Dark Stream y otros universos
La expansión del Universo, por cierto, es la mejor explicación para el movimiento de las galaxias en el territorio visible para nosotros. Es cierto que algunas características de este movimiento galáctico son desconcertantes. Un grupo de especialistas de la NASA dirigido por el astrofísico Alexander Kashlinsky, estudiando la radiación de microondas y rayos X, descubrió que alrededor de ochocientos cúmulos de galaxias distantes se mueven juntos en una dirección a una velocidad de mil kilómetros por segundo, como si fueran atraídos por algún especie de imán. Este movimiento universal se llamó la "corriente oscura". Según los últimos datos, ya cubre 1.400 galaxias. Se dirigen hacia una zona situada a más de tres mil millones de años luz de la Tierra. Los científicos sugieren que en algún lugar allí, más allá de los límites de observación, hay una masa enorme que atrae la materia. Sin embargo, según la teoría existente, la materia después del Big Bang, que dio origen a nuestro Universo, se distribuyó de manera más o menos uniforme, lo que significa que no puede haber concentraciones de masas con un poder tan fantástico. Entonces ¿qué hay ahí?
La respuesta a esta pregunta la dio la física teórica Laura Mersini-Hoftan, líder del grupo de la Universidad de Carolina del Norte. Ella considera seriamente la existencia de otro Universo situado junto al nuestro. Sus conclusiones, que a primera vista parecen increíbles, son bastante compatibles con la teoría de la inflación y la "burbuja de jabón" de Andy Albracht, así como con el "flujo oscuro" de Alexander Kashlinsky. Ahora la investigación de estos científicos formará una imagen única como un rompecabezas. El flujo oscuro observado en nuestro espacio exterior puede ser provocado por una de las “burbujas” vecinas: otro Universo.
Hoftan explica la multiplicidad de universos utilizando la teoría de la probabilidad. Ella considera que el nacimiento de nuestro mundo es un milagro; fácilmente podría no haber ocurrido: las posibilidades de que ocurra son insignificantes y ascienden a 1 entre 10133.
“Podemos plantearnos la pregunta sobre el origen del Universo cuando tenemos una estructura múltiple en la que se formó, lugares en los que las condiciones son favorables para su origen. En otras palabras, podemos imaginar muchos Big Bangs y muchos universos”, señala Hoftan. Para mayor claridad, compara estos lugares favorables con habitaciones de hotel. El universo sólo puede originarse en una “habitación” libre y existir solo allí. Sin embargo, esto no significa que otro cosmomundo no pueda entrar en la “habitación” a través de la pared. Pero si nuestro Universo es una habitación de hotel, ¿deberíamos poder escuchar a nuestros vecinos? En 2007, el aparato WMAP registró una región inusual con una radiación de fondo significativamente reducida, lo que indica la ausencia de materia en ella. Según el científico, la única explicación para un vacío tan frío y absoluto es que allí actúan otras fuerzas, tal vez la presencia de otro Universo, cuya enorme masa atrae la materia vecina. Y aunque estos objetos "extraterrestres" están fuera de nuestra vista, nuestro vecino todavía se hace sentir con mensajes en forma de un punto frío y una corriente de cúmulos galácticos.
Por supuesto, la comunidad científica ha tenido reacciones encontradas ante los hallazgos sobre universos múltiples. Sin embargo, los científicos que intentan caracterizar el espacio exterior están preparados para nuevas revoluciones en la ciencia. Nuestro Universo, antes considerado infinito, puede dejar de serlo y ocupar el lugar que le corresponde en el espacio, entre tantos universos que es imposible siquiera imaginar.
Además de los modelos cosmológicos clásicos, la relatividad general nos permite crear mundos imaginarios muy, muy, muy exóticos.
Existen varios modelos cosmológicos clásicos construidos utilizando la relatividad general, complementados con la homogeneidad y la isotropía del espacio (ver PM No. 6, 2012, Cómo se descubrió la expansión del Universo). El universo cerrado de Einstein tiene una curvatura positiva constante del espacio, que se vuelve estático debido a la introducción en las ecuaciones de la relatividad general del llamado parámetro cosmológico, que actúa como un campo antigravitacional. En un universo de De Sitter en aceleración con un espacio no curvado, no hay materia ordinaria, sino que también está lleno de un campo antigravitacional. También hay universos cerrados y abiertos de Alexander Friedman; el mundo fronterizo de Einstein-de Sitter, que con el tiempo reduce gradualmente la tasa de expansión a cero, y finalmente, el universo de Lemaitre, el progenitor de la cosmología del Big Bang, que crece desde un estado inicial ultracompacto. Todos ellos, y especialmente el modelo de Lemaitre, se convirtieron en los predecesores del modelo estándar moderno de nuestro Universo.
Sin embargo, existen otros universos, también generados por un uso muy creativo, como se dice ahora, de las ecuaciones de la relatividad general. Se corresponden mucho menos (o no se corresponden en absoluto) con los resultados de las observaciones astronómicas y astrofísicas, pero a menudo son muy bellos y, a veces, elegantemente paradójicos. Es cierto que los matemáticos y astrónomos los han inventado en tales cantidades que tendremos que limitarnos a unos pocos de los ejemplos más interesantes de mundos imaginarios.
De hilo a panqueque
Después de que aparecieran los trabajos fundamentales de Einstein y de Sitter (en 1917), muchos científicos comenzaron a utilizar las ecuaciones de la relatividad general para crear modelos cosmológicos. Uno de los primeros en hacerlo fue el matemático neoyorquino Edward Kasner, que publicó su solución en 1921.
Su universo es muy inusual. Contiene no sólo materia gravitante, sino también un campo antigravitante (en otras palabras, no existe ningún parámetro cosmológico de Einstein). Parecería que en este mundo idealmente vacío no puede pasar nada en absoluto. Sin embargo, Kasner admitió que su universo hipotético evolucionaría de manera diferente en diferentes direcciones. Se expande a lo largo de dos ejes de coordenadas, pero se estrecha a lo largo del tercer eje. Por tanto, este espacio es obviamente anisotrópico y geométricamente similar a un elipsoide. Dado que dicho elipsoide se estira en dos direcciones y se contrae en una tercera, gradualmente se convierte en una tortita plana. Al mismo tiempo, el universo de Kasner no pierde peso en absoluto; su volumen aumenta en proporción a la edad. En el momento inicial, esta edad es cero y, por tanto, el volumen también es cero. Sin embargo, los universos de Kasner no nacen de una singularidad puntual, como el mundo de Lemaitre, sino de algo así como un radio infinitamente delgado: su radio inicial es igual a infinito a lo largo de un eje y cero a lo largo de los otros dos.
¿Cuál es el secreto de la evolución de este mundo vacío? Dado que su espacio "se desplaza" de manera diferente en diferentes direcciones, surgen fuerzas de marea gravitacionales que determinan su dinámica. Parecería que es posible deshacerse de ellos si igualamos las tasas de expansión a lo largo de los tres ejes y eliminamos así la anisotropía, pero las matemáticas no permiten esa libertad. Es cierto que se pueden igualar dos de las tres velocidades a cero (en otras palabras, fijar las dimensiones del universo a lo largo de dos ejes de coordenadas). En este caso, el mundo de Kasner crecerá sólo en una dirección, estrictamente proporcional al tiempo (esto es fácil de entender, ya que así debe aumentar su volumen), pero eso es todo lo que podemos lograr.
El universo de Kasner sólo puede seguir siendo el mismo si está completamente vacío. Si le agregas un poco de materia, gradualmente comenzará a evolucionar como el universo isotrópico de Einstein-de Sitter. De la misma manera, cuando se agrega un parámetro de Einstein distinto de cero a sus ecuaciones, (con o sin materia) entrará asintóticamente en el régimen de expansión isotrópica exponencial y se convertirá en un universo de Sitter. Sin embargo, tales “aditivos” en realidad sólo cambian la evolución del universo ya existente. En el momento de su nacimiento, prácticamente no juegan ningún papel y el universo evoluciona según el mismo escenario.
Aunque el mundo de Kasner es dinámicamente anisotrópico, su curvatura en cualquier momento es la misma a lo largo de todos los ejes de coordenadas. Sin embargo, las ecuaciones de la relatividad general permiten la existencia de universos que no sólo evolucionan a velocidades anisotrópicas, sino que también tienen curvatura anisotrópica. Estos modelos fueron construidos por el matemático estadounidense Abraham Taub a principios de los años cincuenta. Sus espacios pueden comportarse como universos abiertos en algunas direcciones y cerrados en otras. Además, con el tiempo pueden cambiar de signo de más a menos y de menos a más. Su espacio no sólo pulsa, sino que literalmente se vuelve del revés. Físicamente, estos procesos pueden estar asociados con ondas gravitacionales, que deforman el espacio con tanta fuerza que localmente cambian su geometría de esférica a en forma de silla de montar y viceversa. En general, mundos extraños, aunque matemáticamente posibles.
Vibraciones de mundos
Poco después de la publicación del trabajo de Kasner, aparecieron artículos de Alexander Friedman, el primero en 1922 y el segundo en 1924. Estos artículos presentaron soluciones sorprendentemente elegantes a las ecuaciones de la relatividad general, que tuvieron un impacto extremadamente constructivo en el desarrollo de la cosmología. El concepto de Friedman se basa en el supuesto de que, en promedio, la materia se distribuye por el espacio exterior de la manera más simétrica posible, es decir, completamente homogénea e isotrópica. Esto significa que la geometría del espacio en cada momento de un tiempo cósmico es la misma en todos sus puntos y en todas las direcciones (estrictamente hablando, ese tiempo aún debe determinarse correctamente, pero en este caso este problema tiene solución). De ello se deduce que la tasa de expansión (o contracción) del universo en cualquier momento dado es nuevamente independiente de la dirección. Por tanto, los universos de Friedmann son completamente diferentes del modelo de Kasner.
En el primer artículo, Friedman construyó un modelo de un universo cerrado con curvatura positiva constante del espacio. Este mundo surge de un estado puntual inicial con una densidad infinita de materia, se expande hasta un cierto radio máximo (y, por lo tanto, un volumen máximo), después de lo cual colapsa nuevamente en el mismo punto especial (en lenguaje matemático, una singularidad).
Sin embargo, Friedman no se quedó ahí. En su opinión, la solución cosmológica encontrada no tiene por qué limitarse necesariamente al intervalo entre la singularidad inicial y final; puede extenderse en el tiempo tanto hacia adelante como hacia atrás; El resultado es un grupo interminable de universos dispuestos en un eje temporal, que se limitan entre sí en puntos de singularidad. En el lenguaje de la física, esto significa que el universo cerrado de Friedmann puede oscilar infinitamente, muriendo después de cada compresión y reviviendo a una nueva vida en la expansión posterior. Este es un proceso estrictamente periódico, ya que todas las oscilaciones duran el mismo tiempo. Por tanto, cada ciclo de la existencia del universo es una copia exacta de todos los demás ciclos.
Así comentó Friedman sobre este modelo en su libro “El mundo como espacio y tiempo”: “Además, son posibles casos en los que el radio de curvatura cambia periódicamente: el universo se contrae hasta convertirse en un punto (en la nada), luego nuevamente desde un punto lleva su radio a un cierto valor, luego nuevamente, reduciendo el radio de su curvatura, se convierte en un punto, etc. Uno recuerda involuntariamente la leyenda de la mitología hindú sobre los períodos de la vida; También se puede hablar de “la creación del mundo a partir de la nada”, pero todo esto debe considerarse como hechos curiosos que no pueden ser confirmados de forma fiable por un material experimental astronómico insuficiente”.
Unos años después de la publicación de los artículos de Friedman, sus modelos ganaron fama y reconocimiento. Einstein se interesó seriamente en la idea de un universo oscilante y no estaba solo. En 1932, Richard Tolman, profesor de física matemática y química física en Caltech, se hizo cargo de ello. No era ni un matemático puro, como Friedman, ni un astrónomo y astrofísico, como De Sitter, Lemaitre y Eddington. Tolman era una autoridad reconocida en física estadística y termodinámica, que primero combinó con la cosmología.
Los resultados resultaron ser muy nada triviales. Tolman llegó a la conclusión de que la entropía total del cosmos debería aumentar de un ciclo a otro. La acumulación de entropía lleva a que una parte cada vez mayor de la energía del universo se concentre en radiación electromagnética, que de ciclo en ciclo influye cada vez más en su dinámica. Debido a esto, la duración de los ciclos aumenta, cada uno de los siguientes se vuelve más largo que el anterior. Las oscilaciones permanecen, pero dejan de ser periódicas. Además, en cada nuevo ciclo aumenta el radio del universo de Tolman. En consecuencia, en la etapa de máxima expansión tiene la curvatura más pequeña, y su geometría se acerca cada vez más a la euclidiana y durante un tiempo cada vez más largo.
Richard Tolman, al diseñar su modelo, perdió una oportunidad interesante, que fue descubierta en 1995 por John Barrow y Mariusz Dąbrowski. Demostraron que el modo oscilatorio del universo Tolman se destruye irreversiblemente cuando se introduce un parámetro cosmológico antigravitacional. En este caso, el universo de Tolman en uno de los ciclos ya no se contrae en una singularidad, sino que se expande con una aceleración creciente y se convierte en un universo de Sitter, lo que también hace el universo de Kasner en una situación similar. ¡La antigravedad, como la diligencia, lo vence todo!
Universo en Mixer
En 1967, los astrofísicos estadounidenses David Wilkinson y Bruce Partridge descubrieron que la radiación cósmica de microondas, descubierta tres años antes, llega a la Tierra desde cualquier dirección con casi la misma temperatura. Utilizando un radiómetro de alta sensibilidad inventado por su compatriota Robert Dicke, demostraron que las fluctuaciones en la temperatura de los fotones relictos no superan la décima por ciento (según datos modernos, son mucho menores). Dado que esta radiación se produjo antes de los 400.000 años después del Big Bang, los resultados de Wilkinson y Partridge sugirieron que incluso si nuestro Universo no era casi perfectamente isotrópico en el momento de su nacimiento, adquirió esta propiedad sin mucha demora.
Esta hipótesis planteó un problema considerable para la cosmología. En los primeros modelos cosmológicos, la isotropía del espacio se incorporó desde el principio simplemente como una suposición matemática. Sin embargo, ya a mediados del siglo pasado se supo que las ecuaciones de la relatividad general permiten construir muchos universos no isotrópicos. En el contexto de estos resultados, la isotropía casi perfecta de la radiación cósmica de fondo de microondas requería una explicación.
Esta explicación apareció recién a principios de la década de 1980 y resultó ser completamente inesperada. Se construyó sobre un concepto teórico fundamentalmente nuevo de expansión ultrarrápida (como suelen decir, inflacionaria) del Universo en los primeros momentos de su existencia (ver PM No. 7, 2012, Inflación Todopoderosa). En la segunda mitad de la década de 1960, la ciencia simplemente no estaba madura para ideas tan revolucionarias. Pero, como sabéis, a falta de papel estampado, escriben en papel simple.
El destacado cosmólogo estadounidense Charles Misner, inmediatamente después de la publicación del artículo de Wilkinson y Partridge, intentó explicar la isotropía de la radiación de microondas utilizando medios completamente tradicionales. Según su hipótesis, las faltas de homogeneidad del Universo primitivo desaparecieron gradualmente debido a la “fricción” mutua de sus partes, provocada por el intercambio de neutrinos y flujos de luz (en su primera publicación, Misner llamó a este supuesto efecto viscosidad de neutrinos). Según él, tal viscosidad puede suavizar rápidamente el caos inicial y hacer que el Universo sea casi perfectamente homogéneo e isotrópico.
El programa de investigación de Mizner parecía bueno, pero no arrojó resultados prácticos. La razón principal de su fracaso fue revelada nuevamente por el análisis de microondas. Cualquier proceso que implique fricción genera calor; esta es una consecuencia elemental de las leyes de la termodinámica. Si las principales faltas de homogeneidad del Universo se suavizaran gracias a los neutrinos o alguna otra viscosidad, la densidad de energía de la radiación cósmica de fondo de microondas diferiría significativamente del valor observado.
Como demostraron a finales de los años 1970 el astrofísico estadounidense Richard Matzner y su ya mencionado colega inglés John Barrow, los procesos viscosos sólo pueden eliminar las inhomogeneidades cosmológicas más pequeñas. Para "suavizar" completamente el Universo se necesitaban otros mecanismos, y se encontraron en el marco de la teoría inflacionaria.
Pero aun así Mizner obtuvo muchos resultados interesantes. En particular, en 1969 publicó un nuevo modelo cosmológico, cuyo nombre tomó prestado... de un aparato eléctrico de cocina, una batidora casera producida por la empresa Productos rayo de sol! Universo Mixmaster todo el tiempo late en fuertes convulsiones, que, según Misner, obligan a la luz a circular por caminos cerrados, mezclando y homogeneizando su contenido. Sin embargo, un análisis posterior de este modelo demostró que, aunque los fotones en el mundo de Miesner realizan viajes largos, su efecto de mezcla es muy insignificante.
Sin embargo Universo Mixmaster muy interesante. Al igual que el universo cerrado de Friedmann, surge de un volumen cero, se expande hasta un máximo determinado y se contrae nuevamente bajo la influencia de su propia gravedad. Pero esta evolución no es suave, como la de Friedman, sino absolutamente caótica y, por tanto, completamente impredecible en detalle. En su juventud, este universo oscila intensamente, expandiéndose en dos direcciones y contrayéndose en una tercera, como Kasner. Sin embargo, las orientaciones de las expansiones y contracciones no son constantes: cambian de lugar caóticamente. Además, la frecuencia de las oscilaciones depende del tiempo y tiende al infinito a medida que se acerca al instante inicial. Un universo así sufre deformaciones caóticas, como gelatina que tiembla sobre un platillo. Estas deformaciones pueden interpretarse nuevamente como la manifestación de ondas gravitacionales que se mueven en diferentes direcciones, mucho más violentas que en el modelo de Kasner.
Universo Mixmaster entró en la historia de la cosmología como el más complejo de los universos imaginarios creados sobre la base de la relatividad general "pura". Desde principios de la década de 1980, los conceptos más interesantes de este tipo comenzaron a utilizar las ideas y el aparato matemático de la teoría cuántica de campos y la teoría de partículas elementales, y luego, sin mucha demora, la teoría de supercuerdas.
Mucha gente ha oído que el Universo tiene forma de donut. La mayoría de la gente no le da importancia a esto porque es demasiado extraño: ¿por qué un bagel? ¿Dónde está exactamente el agujero entonces? Y otras preguntas inevitables en el mismo espíritu. Y también hay un dicho que dice que el mundo tiene forma de maleta... Bueno, sobre la maleta es un dicho idiota, pero sobre el panecillo es hasta cierto punto cierto.
Otros han leído que el universo es un cristal. Esta imagen es popular en la literatura que no es de ciencia ficción; permite especular sobre las “transiciones de un borde a otro” cuando se viaja a mundos paralelos. Un intento de combinar ambas imágenes, un cristal y un donut, a veces conduce a la aparición en la cabeza del fanático de imágenes quiméricas como "un lápiz facetado encerrado en un anillo" y otros horrores similares que no tienen nada que ver con la realidad. Mientras tanto, la imagen del Gran Cristal también es, hasta cierto punto, cierta.
Las imágenes y leyendas no están relacionadas con el tema principal de la publicación y más bien distraen la esencia, aunque no están destinadas a hacerlo. Así que recomiendo, para no confundirse, leer primero uno y luego el otro. La galaxia representada aquí, NGC 2683, es muy similar a nuestra galaxia natal, la Vía Láctea. Se encuentra a una distancia media de 20 millones de años luz de nosotros en dirección a la constelación norteña del Gato (Lynx). En el fondo se ven galaxias aún más lejanas y mucho más cerca de nosotros hay estrellas brillantes: son las estrellas de nuestro brazo de la Vía Láctea. El núcleo de NGC 2683 está formado por una gran cantidad de viejas estrellas amarillas. Las nubes oscuras son polvo cósmico en brazos espirales, a través de los cuales se asoman puntos azules de cúmulos de estrellas jóvenes.
Empecemos por el panecillo. No hay panecillo. Las patas de esta imagen surgen del hecho de que nuestro Universo, aunque es muy grande, todavía tiene un volumen finito, pero al mismo tiempo no tiene límites. Es bastante sencillo imaginar esto con un ejemplo bidimensional: en algunos juegos de computadora simples, un objeto que va más allá del borde derecho del campo de juego aparece a la izquierda y uno que va hacia abajo aparece arriba. Se puede ver un ejemplo aún más claro, tridimensional, si en cualquiera de los niveles del juego "Quake" (al menos el primer o segundo juego de la serie; tal vez otros shooters en 3D similares, simplemente no lo he probado). ) simultáneamente usas trucos que te permiten atravesar paredes y volar, y moverte directamente en cualquier dirección: la cámara abandonará rápidamente la ubicación, tu héroe virtual volará en el vacío negro durante un tiempo, y luego un grupo de pasillos y Las habitaciones que parecen estar detrás de él aparecerán frente a él, y el héroe regresará al mismo punto desde el que comenzó, pero desde el lado opuesto, como si hubiera caminado alrededor del mundo, aunque volaba en línea recta. . Puedes moverte en cualquier dirección durante un tiempo infinitamente largo; no hay límites, pero no puedes ir más allá del nivel y no puedes volar a ningún "otro espacio": el volumen es finito y cerrado. Es igual que el Universo real, sólo que más espacioso.
Los cúmulos globulares de estrellas, satélites de galaxias, viajan a través del halo de la Vía Láctea. Estas antiguas formaciones esféricas de varios cientos de miles de estrellas están conectadas por atracción mutua. Todas ellas son mucho más antiguas que las estrellas del disco galáctico. De hecho, medir la edad de los cúmulos globulares impone una limitación a la edad del Universo mismo (¡debe ser más antiguo que las estrellas que lo componen!). Las mediciones precisas de las distancias a los cúmulos globulares ayudaron a crear una de las escalas de distancias astronómicas del Universo. El cúmulo globular de estrellas NGC 6934 se encuentra a unos 50.000 años luz de distancia, en dirección a la constelación del Delfín. Las estrellas del cúmulo están apiñadas en un área con un diámetro de 150 años luz, y cerca del núcleo del cúmulo se pueden colocar hasta cien estrellas en un cubo con un lado de 3 años luz. A modo de comparación, la estrella más cercana al Sol está a 4 años luz de nosotros.
Pero esto es bueno para mí ahora: hay juegos de computadora, por lo que puedo explicar rápidamente "la finitud y el infinito en una botella" usando un ejemplo simple ya hecho, pero antes habría tenido que usar la vieja manera: explicar el características estructurales del espacio tridimensional usando el ejemplo de una hoja de papel bidimensional, por ejemplo. Y el espacio de una hoja de papel con un área finita se puede hacer ilimitado en nuestro mundo tridimensional, sin violar la geometría euclidiana (las líneas paralelas dibujadas en ella permanecen paralelas), solo de una manera: primero, enrolle la hoja en un tubo, conectando los bordes opuestos a lo largo del eje X, y luego pega los extremos del tubo, haciendo lo mismo a lo largo del eje Y. ¡Aquí tienes un donut!
La gran y hermosa galaxia espiral M66 está a sólo 35 millones de años luz de distancia y se extiende por 100.000 años luz de diámetro. A lo largo de los brazos espirales de la galaxia hay venas de polvo oscuro y cúmulos de estrellas jóvenes de color azul brillante, y los puntos rojos en los brazos son luz de regiones de intensa formación estelar. Todas las estrellas individuales brillantes que se ven en este paisaje cósmico pertenecen, por supuesto, a nuestra galaxia. Sin embargo, sobre el fondo oscuro del cielo se pueden ver muchas otras galaxias distantes.
Con un espacio tridimensional limitado se puede hacer lo mismo si en la cuarta dimensión pegamos las caras opuestas del cubo por parejas. No te devanes el cerebro tratando de visualizar esto: nuestros cerebros están diseñados para procesar información sobre el espacio tridimensional y, en principio, no están diseñados para tales trucos; Pero en cualquier caso, no será un donut, sino una especie de hiperfigura astutamente retorcida en cuatro dimensiones espaciales.
Esta fotografía, que no es la más espectacular en apariencia, captura un tremendo cataclismo; de hecho, la galaxia NGC 7252 son dos galaxias en proceso de colisión. El proceso dura cientos de millones de años, por lo que en la imagen parece estar congelado en el tiempo. El caos estelar resultante se llamó galaxia del Átomo Pacífico. NGC 7252 tiene unos 600.000 años luz de diámetro y se encuentra a casi 220 millones de años luz de distancia, hacia la constelación de Acuario. Quizás lo mismo le espera a nuestra Vía Láctea, si dentro de unos miles de millones de años nuestra galaxia choca con la Nebulosa de Andrómeda. Como todavía no sabemos a qué velocidad se mueve lateralmente la nebulosa de Andrómeda (M31) (los científicos sólo pueden medir el componente de la velocidad que se dirige a lo largo de la línea de visión), nadie sabe con certeza si esto sucederá.
Entonces, en realidad no existe un "donut" y, en general, no es necesario para el ejemplo con un espacio bidimensional; sería más correcto imaginar un plano infinito, completamente cubierto con láminas idénticas, que se repiten exactamente entre sí, porque en De hecho, esta es la misma hoja... esto, sin embargo, también es demasiado abstracto (y algunos que aún no lo han dominado tal vez quieran hablar de “reflejos” de nuestro mundo), mejor volvamos al ejemplo con "Temblar" y reflexionar sobre ello: este es el modelo más obvio que se describe aquí, el resto es simplemente confuso. Además, la geometría de tal modelo sigue siendo euclidiana: las líneas paralelas no se cruzan, la suma de los ángulos de un triángulo es 180o, etc., y según el modelo cosmológico moderno más autorizado del Universo, nuestro mundo no tiene global. curvaturas espaciales.
El primer grupo compacto de galaxias descubierto es el Quinteto de Stefan. Este grupo se encuentra a unos 300 millones de años luz de distancia. Pero sólo cuatro de cada cinco galaxias están realmente juntas en el espacio. La galaxia extra no es difícil de detectar: las cuatro galaxias que interactúan (NGC 7319, 7318A, 7318B y 7317) parecen más amarillas y tienen estructuras más distorsionadas: bucles y colas, como resultado de mareas gravitacionales mutuamente destructivas. Una galaxia más grande y más azul, NGC 7320, está mucho más cerca de nosotros. Está separada de la Tierra por unos 40 millones de años luz, por lo que no forma parte del grupo. En esta imagen incluso se pueden ver estrellas individuales en NGC 7320, lo que parece confirmar que, de hecho, está mucho más cerca que otras galaxias.
Ahora con respecto al cristal. Cada nivel del mismo juego 3D está escrito por programadores en forma de paralelepípedo, es decir, todavía tiene ciertos límites que no existen desde el punto de vista del héroe "dentro" del nivel. Por tanto, podemos decir que el universo del juego, que no tiene fronteras, tiene sin embargo la forma de un paralelepípedo. Al mismo tiempo, sus límites se pueden trazar arbitrariamente a través de cualquier punto del espacio del juego; los "habitantes" del mundo virtual no los sentirán de ninguna manera. Sin embargo, si la altura del paralelepípedo es menor que su longitud, entonces, "volando" constantemente hacia arriba, el tramposo llegará al punto de partida más rápido que "volando" hacia adelante. Incluso si todas las caras son iguales (un cubo), en este caso el camino a lo largo de la diagonal será más largo que el camino a lo largo de uno de los lados. Entonces resulta que el microuniverso virtual, al no tener fronteras, tiene sin embargo una cierta forma: en el caso del juego, un paralelepípedo.
La galaxia espiral NGC 4216, que vemos de canto, está a 40 millones de años luz de nosotros y su diámetro es de casi 100 mil años luz, aproximadamente el mismo que el de nuestra Vía Láctea. NGC 4216 está rodeada por otros miembros del cúmulo, NGC 4206 (derecha) y NGC 4222. Al igual que otras grandes galaxias espirales, incluida nuestra Vía Láctea, NGC 4216 está creciendo consumiendo pequeñas galaxias satélite. En la foto, estas galaxias satélite son visibles, y desde ellas se extienden débiles corrientes estelares que se extienden miles de años luz hacia el halo de NGC 4216.
¿Qué forma tiene nuestro Universo? La forma más primitiva de determinarlo es volarlo todo de un extremo a otro en diferentes direcciones y medir el tiempo necesario para regresar desde diferentes direcciones al punto de partida. Personalmente, no emprendería este experimento; sería un vuelo largo y durante este tiempo el punto de partida habría cambiado hasta quedar irreconocible y el Universo mismo se habría expandido, todo en vano. Sería bueno si hubiera algo que ya hubiera recorrido este camino. Y existe tal cosa: esta es la llamada radiación relicta, que impregna todo el espacio y es, en términos generales, un "eco" electromagnético del Big Bang que no desaparece del Universo (porque no existe en ninguna parte).
Entonces, al interpretar los parámetros de distribución de esta radiación en 2003, se llegó a la conclusión (sin embargo, aún no completamente confirmada ni cuestionada) de que la "forma" de nuestro Universo puede ser un dodecaedro, un poliedro regular con 12 caras pentagonales, infinitamente (ver arriba) se reflejaba en sí mismo. Bueno, o, nuevamente usando analogías anteriores, el Universo es un espacio infinito lleno de dodecaedros "virtuales", que son el mismo dodecaedro. Si también nos topamos con el concepto de "Universo espejo", "El Universo como un sistema de espejos", entonces esto es precisamente lo que se entiende por este autocierre, percibido por el observador interno como reflejos (más precisamente, percibido sería si el diámetro del Universo fuera mucho más pequeño y la luz regresara al punto de partida no decenas de miles de millones de años después).
El grupo de galaxias NGC 7771 se encuentra a casi 200 millones de años luz de la Tierra, más allá de la constelación de Pegaso. NGC 7771 en sí es el más grande, ligeramente rotado de canto: 75.000 años luz de diámetro. La hermosa galaxia redonda a la izquierda es NGC 7769.
También puede colocarlo con espuma de jabón: muchas esferas, muy juntas entre sí, forman planos en los puntos de encuentro. Sólo en el caso del Universo la espuma proviene de la misma burbuja. Y, una vez más, a diferencia de la espuma de jabón, no hay caras, estos límites como tales: más precisamente, se pueden dibujar en cualquier lugar, y el punto de referencia, el centro de la “burbuja”-poliedro es el punto donde se encuentra el observador. .
Así es de alguna manera. ¿Está vacío?
Las estrellas del universo están agrupadas en galaxias (en promedio hay 10.000.000.000 de estrellas en una galaxia).
Las galaxias se agrupan en cúmulos de galaxias (en promedio, entre 100 y 1000 galaxias).
Clústeres: a supercúmulos (promedio de 100 clústeres)
