Deskripsi matematis bidang fisik. Universitas Seni Percetakan Negeri Moskow

Bidang fisik- ini adalah bentuk materi khusus yang ada di setiap titik ruang dan memanifestasikan dirinya melalui pengaruh suatu zat yang memiliki sifat yang berkaitan dengan zat yang menciptakan bidang tersebut. Perbedaan utamanya adalah kehalusannya.

badan + bidang muatan badan + muatan

Properti bidang fisik

Ada perbedaan mendasar dalam perilaku materi dan medan. Materi selalu mempunyai batas tajam dari volume yang ditempatinya, namun pada prinsipnya medan tidak dapat memiliki batas tajam, ia berubah dengan mulus dari titik ke titik;

Pada satu titik di ruang angkasa terdapat medan fisik dalam jumlah tak terhingga yang tidak saling mempengaruhi.

Medan dan materi dapat saling mempengaruhi satu sama lain.

Klasifikasi matematika bidang

Medan elektromagnetik- ini adalah bentuk materi khusus, yang dicirikan oleh nilai vektor E dan H pada setiap titik dalam ruang.

Bidang dibagi menjadi: skalar, vektor, tensor.

Bidang skalar adalah fungsi skalar tertentu dengan domain definisi yang terdistribusi secara kontinyu pada setiap titik dalam ruang.

Medan skalar dicirikan oleh permukaan datar, yang diberikan oleh persamaan:

(1.1)

Bidang vektor adalah besaran vektor kontinu dengan domain definisi yang ditentukan pada setiap titik dalam ruang.

TENTANG Ciri utama bidang ini adalah garis vektor. Ini adalah garis di setiap titik yang vektor medannya diarahkan secara tangensial.

Rekaman fisik saluran listrik:

(1.2)

bidang tensor adalah besaran tensor kontinu yang terdistribusi dalam ruang.

tensor
(1.3)

Karakteristik diferensial bidang fisik

Gradien adalah karakteristik vektor dari medan skalar. Gradien fungsi skalar adalah vektor yang secara numerik sama dengan turunan fungsi ini dalam arah garis normal ke permukaan rata dan berarah sepanjang garis normal tersebut.

(1.4)

Properti gradien:

gradien secara numerik sama dengan laju perubahan fungsi maksimum.

D rendering:

(1.5)

arah gradien bertepatan dengan arah perubahan fungsi yang tercepat.

(1.6)

Perbedaan adalah karakteristik skalar dari bidang vektor. Divergensi bidang vektor adalah batas rasio fluks melalui permukaan tertutup S dengan volume yang terkandung di dalam permukaan ini.

(1.7)

- aliran tertentu

(1.8)

D Ivergence mencirikan ada atau tidaknya sumber pada suatu titik di lapangan (dimana lapangan dimulai atau diakhiri).

Jika suatu saat
, maka pada titik ini adalah sumber lapangan, yaitu permulaannya, dan tempat berakhirnya lapangan
, dan titik ini disebut saluran pembuangan. Pada titik di mana tidak ada sumber
.

parameter geraknya (kecepatan, momentum, momentum sudut), perubahan energinya, usaha yang dilakukan, dll. Dan ini, secara umum, jelas dan dapat dimengerti. Namun dengan mempelajari sifat listrik dan magnet, muncul pemahaman bahwa muatan listrik dapat berinteraksi satu sama lain tanpa kontak langsung. Dalam hal ini, kita tampaknya beralih dari konsep tindakan jangka pendek ke tindakan jangka panjang non-kontak. Hal ini memunculkan konsep lapangan.

Definisi formal dari konsep ini adalah sebagai berikut: medan fisik adalah bentuk materi khusus yang menghubungkan partikel (benda) materi ke dalam sistem terpadu dan mentransmisikan aksi satu partikel ke partikel lainnya dengan kecepatan terbatas. Benar, sebagaimana telah kami catat, definisi seperti itu terlalu umum dan tidak selalu menentukan esensi praktis yang mendalam dan konkrit dari konsep tersebut. Fisikawan mengalami kesulitan untuk meninggalkan gagasan interaksi kontak fisik benda dan memperkenalkan model seperti "fluida" listrik dan magnet untuk menjelaskan berbagai fenomena; untuk menyebarkan getaran, mereka menggunakan gagasan getaran mekanis partikel medium - model eter, cairan optik, kalori, flogiston dalam fenomena termal, menggambarkannya juga dari sudut pandang mekanis, dan bahkan para ahli biologi memperkenalkan “kekuatan vital” untuk menjelaskan proses dalam organisme hidup. Semua ini tidak lebih dari upaya untuk menggambarkan transmisi tindakan melalui media material (“mekanis”).

Namun, karya Faraday (secara eksperimental), Maxwell (secara teoritis) dan banyak ilmuwan lainnya menunjukkan bahwa medan elektromagnetik ada (termasuk dalam ruang hampa) dan medan itulah yang mentransmisikan osilasi elektromagnetik. Ternyata cahaya tampak merupakan getaran elektromagnetik yang sama dalam rentang frekuensi getaran tertentu. Diketahui bahwa gelombang elektromagnetik dibagi menjadi beberapa jenis berdasarkan skala getarannya: gelombang radio (10 3 - 10 -4), gelombang cahaya (10 -4 - 10 -9 m), IR (5×10 -4 - 8× 10 -7 m), UV (4 ×10 -7 - 10 -9 m), radiasi sinar-X (2 ×10 -9 - 6 ×10 -12 m), radiasi γ (< 6 ×10 -12 м).

Dipercaya bahwa medan gravitasi dan listrik bekerja secara independen dan dapat hidup berdampingan di titik mana pun di ruang angkasa secara bersamaan tanpa saling mempengaruhi. Gaya total yang bekerja pada partikel uji bermuatan q dan bermassa m dapat dinyatakan dengan jumlah vektor dan . Tidak masuk akal untuk menjumlahkan vektor-vektor, karena mereka memiliki dimensi yang berbeda. Pengenalan elektrodinamika klasik tentang konsep medan elektromagnetik dengan transfer interaksi dan energi melalui perambatan gelombang melalui ruang memungkinkan kita menjauh dari representasi mekanis eter. Dalam pandangan lama, konsep eter sebagai media tertentu yang menjelaskan transmisi aksi kontak gaya telah dibantah baik secara eksperimental melalui eksperimen Michelson dalam mengukur kecepatan cahaya, dan, terutama, oleh teori relativitas Einstein. Ternyata interaksi fisik dapat digambarkan melalui medan, itulah sebabnya karakteristik umum dari berbagai jenis medan yang kita bicarakan di sini dirumuskan. Benar, perlu dicatat bahwa sekarang gagasan tentang eter sebagian dihidupkan kembali oleh beberapa ilmuwan berdasarkan konsep vakum fisik.

Jadi, setelah gambaran mekanis, gambaran elektromagnetik baru tentang dunia terbentuk. Hal ini dapat dianggap sebagai perantara dalam kaitannya dengan ilmu pengetahuan alam modern. Mari kita perhatikan beberapa ciri umum paradigma ini. Karena tidak hanya mencakup gagasan tentang medan, tetapi juga data baru yang muncul pada saat itu tentang elektron, foton, model inti atom, hukum struktur kimia zat dan susunan unsur dalam tabel periodik Mendeleev, dan sejumlah hasil lain sepanjang jalur pengetahuan tentang alam, maka tentu saja konsep ini juga mencakup gagasan mekanika kuantum dan teori relativitas yang akan dibahas lebih lanjut.

Hal utama dalam representasi ini adalah kemampuan mendeskripsikan sejumlah besar fenomena berdasarkan konsep medan. Berbeda dengan gambaran mekanis, telah ditetapkan bahwa materi tidak hanya ada dalam bentuk zat, tetapi juga dalam bidang. Interaksi elektromagnetik berdasarkan konsep gelombang dengan cukup percaya diri menggambarkan tidak hanya medan listrik dan magnet, tetapi juga fenomena optik, kimia, termal, dan mekanik. Metodologi representasi bidang materi juga dapat digunakan untuk memahami bidang-bidang yang sifatnya berbeda. Upaya telah dilakukan untuk menghubungkan sifat sel dari objek mikro dengan sifat gelombang dari proses. Ditemukan bahwa “pembawa” interaksi medan elektromagnetik adalah foton, yang sudah mematuhi hukum mekanika kuantum. Upaya sedang dilakukan untuk menemukan graviton sebagai pembawa medan gravitasi.

Namun, meskipun ada kemajuan signifikan dalam memahami dunia di sekitar kita, gambaran elektromagnetik tidak lepas dari kekurangan. Dengan demikian, ia tidak mempertimbangkan pendekatan probabilistik, pada dasarnya pola probabilistik tidak diakui sebagai fundamental, pendekatan deterministik Newton terhadap deskripsi partikel individu dan ketidakjelasan hubungan sebab-akibat dipertahankan (yang sekarang diperdebatkan oleh sinergis), nuklir interaksi dan medannya dijelaskan tidak hanya oleh interaksi elektromagnetik antara partikel bermuatan. Secara umum, situasi ini dapat dimengerti dan dijelaskan, karena setiap wawasan tentang sifat segala sesuatu memperdalam pemahaman kita dan memerlukan penciptaan model fisik baru yang memadai.

Bidang fisik

Wilayah ruang angkasa , di mana gaya fisik, yang dicatat secara andal, dan diukur secara akurat, disebut medan fisik. Dalam kerangka fisika modern, empat jenis dipertimbangkan: gravitasi(lihat di sini); interaksi yang kuat(lihat di sini) - nuklir; interaksi yang lemah(lihat di sini) dan elektromagnetik(lihat di sini) - magnet dan listrik. Dari sudut pandang kuantum teori interaksi benda-benda material pada jarak tertentu dipastikan melalui pertukaran timbal baliknya kuanta karakteristik bidang dari masing-masing interaksi yang terdaftar. Sifat-sifat bidang fisik mana pun dijelaskan dengan ekspresi matematika yang ketat.

Selama beberapa dekade terakhir, fisikawan tidak berhenti berusaha menciptakan teori medan yang umum dan terpadu. Diharapkan bahwa dia akan menggambarkan semua bidang ini sebagai manifestasi berbeda dari satu - “bidang fisik tunggal”.

Tidak ada dasar teoretis atau eksperimental untuk mengasumsikan keberadaan medan gaya apa pun selain yang tercantum di atas.

gravitasi

Medan gravitasi memanifestasikan dirinya melalui pengaruh kuat benda-benda fisik satu sama lain. Gaya interaksi gravitasi berbanding lurus dengan massanya dan berbanding terbalik dengan jarak antar benda yang dipangkatkan kedua. Hal ini dijelaskan secara kuantitatif hukum Newton . Gaya gravitasi muncul pada jarak berapa pun antar benda.

Kuanta Bidang interaksi gravitasi adalah graviton. Massa diamnya nol. Terlepas dari kenyataan bahwa mereka belum ditemukan dalam keadaan bebas, perlunya keberadaan graviton mengikuti premis teoretis yang paling umum dan tidak diragukan lagi.

Medan gravitasi memainkan peran besar dalam sebagian besar proses di Semesta .

Tentang sifat medan gravitasi, lihat juga Teori relativitas, umum .

interaksi kuat (nuklir)

Bidang interaksi kuat memanifestasikan dirinya sebagai pengaruh kuat pada nukleon - partikel elementer yang membentuk inti atom. Ia mampu menggabungkan proton dengan muatan listrik yang sama, mis. mengatasi kekuatan listrik tolakan mereka.

Gaya tarik menarik yang terkait dengan medan ini berbanding terbalik dengan jarak antara nukleon yang dipangkatkan keempat, yaitu. itu hanya efektif pada jarak pendek. Pada jarak antar partikel kurang dari 10 -15 meter, medan interaksi kuat sudah puluhan kali lebih kuat daripada medan listrik.

Kuanta Bidang interaksi kuat adalah partikel elementer - gluon. Masa pakai gluon biasanya sekitar 10 -23 detik.

Tindakan bidang interaksi kuat juga penting untuk proses makro selama ini Semesta, jika saja karena tanpa medan ini inti atom, dan atom itu sendiri, tidak akan ada.

interaksi yang lemah

Bidang interaksi lemah - interaksi arus lemah - memanifestasikan dirinya selama interaksi partikel elementer pada jarak 10 -18 meter di antara mereka.

Kuanta medan interaksi lemah adalah partikel elementer - boson perantara. Masa hidup boson perantara adalah sekitar 10 -25 detik.

Di dalam upaya untuk membangun kesatuan teori bidang Kini telah terbukti bahwa bidang interaksi lemah dan elektromagnetik(lihat di sini) bidang-bidang tersebut dapat dideskripsikan secara bersama-sama, artinya mempunyai sifat yang berkaitan.

Pengaruh medan interaksi lemah berperan pada tingkat proses peluruhan dan penciptaan partikel elementer, yang tanpanya Semesta tidak bisa ada dalam bentuknya yang sekarang. Bidang fisik ini memainkan peran khusus pada periode awal ledakan besar .

elektromagnetik

Medan elektromagnetik memanifestasikan dirinya dalam interaksi muatan listrik, saat diam - medan listrik - atau bergerak - medan magnet. Itu terdeteksi pada jarak berapa pun antara benda bermuatan. Kuanta Bidang interaksi elektromagnetik adalah foton. Massa diamnya nol.

Medan listrik memanifestasikan dirinya melalui pengaruh kuat benda-benda yang memiliki sifat tertentu yang disebut muatan listrik satu sama lain. Sifat muatan listrik tidak diketahui, tetapi nilainya adalah parameter ukuran interaksi antara muatan yang memiliki sifat tertentu, yaitu. formasi bermuatan.

Pembawa nilai muatan minimal adalah elektron - mereka bermuatan negatif, proton - mereka bermuatan positif - dan beberapa partikel elementer berumur pendek lainnya. Benda fisik memperoleh muatan listrik positif ketika jumlah proton yang dikandungnya melebihi jumlah elektron, atau sebaliknya, muatan negatif.

Gaya interaksi antara benda-benda fisik bermuatan, termasuk partikel elementer, berbanding lurus dengan muatan listriknya dan berbanding terbalik dengan jarak antar benda yang dipangkatkan kedua. Hal ini dijelaskan secara kuantitatif oleh hukum Coulomb. Benda yang bermuatan sejenis akan tolak-menolak, sedangkan benda yang bermuatan berlawanan akan tarik menarik.

Medan magnet dimanifestasikan oleh pengaruh kuat benda atau formasi satu sama lain, misalnya plasma, yang memiliki sifat magnetis. Sifat-sifat ini dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir di dalamnya - pergerakan pembawa muatan listrik yang teratur. Parameter ukuran interaksinya adalah intensitas arus listrik yang dihasilkan, yang ditentukan oleh jumlah muatan listrik yang dipindahkan per satuan waktu melalui penampang konduktor. Magnet permanen juga mempunyai pengaruh terhadap arus molekul cincin internal yang timbul di dalamnya. Jadi, gaya magnet bersifat listrik. Intensitas interaksi magnet suatu benda – induksi magnet – berbanding lurus dengan intensitas arus listrik yang mengalir di dalamnya dan berbanding terbalik dengan jarak antar benda yang dipangkatkan dua. Hal ini dijelaskan oleh hukum Biot-Savart-Laplace.

Medan elektromagnetik memainkan peran penting dalam setiap proses yang terjadi selama Semesta dengan partisipasi plasma .

Dimana G adalah konstanta gravitasi, dan merupakan jarak antara benda ini dan benda dengan indeks j.
Dengan mengisolasi massa benda yang dipilih dalam ekspresi ini, kita dapat menulis

Dimana besarnya

Tidak bergantung pada karakteristik (massa) benda yang diteliti.
bidang vektor,

Dimana adalah medan vektor yang disebut kuat medan listrik dan sama dengan

.

Dalam hal ini, gaya interaksi juga ditulis sebagai produk dari karakteristik benda (muatan) yang diteliti, dan semua informasi tentang muatan lain direduksi menjadi pengenalan besaran vektor tunggal - kuat medan listrik.
Definisi medan di atas didasarkan pada prinsip aksi jarak jauh dan hanya berlaku untuk fisika klasik. Jika partikel-partikel penentu medan bergerak, maka dalam kerangka fisika klasik, partikel yang diteliti akan langsung merasakan perubahan posisinya.
Namun ketika menerapkan prinsip aksi jarak pendek, yang berlaku dalam kerangka teori relativitas, informasi tentang pergerakan benda tidak ditransmisikan secara instan dan memerlukan perantara, oleh karena itu konsep medan mempunyai arti tersendiri. entitas, yang pergerakannya dalam ruang memerlukan persamaan tersendiri untuk mendeskripsikannya.
Jadi, dengan mempertimbangkan interaksi jarak pendek, gaya yang bekerja pada muatan dituliskan kembali

Namun kuat medan listrik dicari dari persamaan Maxwell. Hal ini sama dengan ekspresi di atas hanya dalam kasus muatan stasioner.
Anda dapat menemukan informasi rinci tentang topik ini di artikel Ketinggalan.

Bidang- salah satu bentuk keberadaan materi dan, mungkin, yang paling penting. Konsep “medan” mencerminkan fakta bahwa gaya listrik dan gaya magnet bekerja dengan kecepatan terbatas dalam jarak tertentu, saling menghasilkan satu sama lain dan terus menerus. Medan tersebut dipancarkan, merambat dengan kecepatan terbatas di ruang angkasa, dan berinteraksi dengan materi. Faraday merumuskan gagasan medan sebagai bentuk materi baru, dan memasukkan catatannya ke dalam amplop tertutup, mewariskannya untuk membukanya setelah kematiannya (amplop ini baru ditemukan pada tahun 1938). Faraday menggunakan (1840) gagasan tentang kekekalan dan transformasi energi universal, meskipun hukumnya sendiri belum ditemukan.

Dalam kuliahnya (1845), Faraday tidak hanya berbicara tentang transformasi energi yang setara dari satu bentuk ke bentuk lainnya, tetapi juga bahwa ia telah lama mencoba untuk “menemukan hubungan langsung antara cahaya dan listrik” dan bahwa “ia berhasil dalam magnetisasi dan elektrifikasi. seberkas cahaya dan menerangi garis gaya magnet." Dia memiliki metode untuk mempelajari ruang di sekitar benda bermuatan menggunakan benda uji, pengenalan gambar lapangan saluran listrik. Dia menggambarkan eksperimennya memutar bidang polarisasi cahaya oleh medan magnet. Studi tentang hubungan antara sifat listrik dan magnet suatu zat membawa Faraday tidak hanya pada penemuan para- dan diamagnetisme, tetapi juga pada pembentukan gagasan mendasar - gagasan tentang medan. Dia menulis (1852): “Lingkungan atau ruang di sekitarnya memainkan peran yang sama pentingnya dengan magnet itu sendiri, menjadi bagian dari sistem magnet yang nyata dan lengkap.”

Faraday menunjukkan bahwa gaya gerak listrik induksi E terjadi ketika fluks magnet berubah F(membuka, menutup, mengubah arus pada penghantar, mendekati atau melepas magnet, dll). Maxwell mengungkapkan fakta ini sebagai berikut: E = -dF/dt. Menurut Faraday, kemampuan menginduksi arus diwujudkan dalam lingkaran di sekitar resultan magnet. Menurut Maxwell, medan magnet bolak-balik dikelilingi oleh medan listrik pusaran, dan tanda minus dikaitkan dengan aturan Lenz: arus induksi muncul sedemikian rupa untuk mencegah perubahan yang menghasilkannya. Penunjukan membusuk - dari bahasa Inggris. rotor - pusaran. Pada tahun 1846, F. Neumann menemukan bahwa sejumlah energi harus dikeluarkan untuk menciptakan arus induksi.

Secara umum sistem persamaan yang ditulis Maxwell dalam bentuk vektor mempunyai bentuk yang kompak:

Vektor induksi listrik dan magnet (D dan B) serta vektor kuat medan listrik dan magnet (E dan H) yang termasuk dalam persamaan ini dihubungkan oleh hubungan sederhana yang ditunjukkan dengan konstanta dielektrik e dan permeabilitas magnet medium μ. Menggunakan operasi ini berarti vektor kekuatan medan magnet berputar di sekitar vektor rapat arus J.

Menurut persamaan (1), arus apa pun menyebabkan munculnya medan magnet di ruang sekitarnya, arus searah - medan magnet konstan. Medan seperti itu tidak dapat menimbulkan medan listrik di daerah “berikutnya”, karena menurut persamaan (2), hanya perubahan medan magnet yang menghasilkan arus. Medan magnet bolak-balik juga tercipta di sekitar arus bolak-balik, yang mampu menciptakan medan listrik gelombang di elemen ruang "berikutnya", gelombang yang tidak teredam - energi medan magnet dalam kekosongan diubah sepenuhnya menjadi energi listrik , dan sebaliknya. Karena cahaya merambat dalam bentuk gelombang transversal, dua kesimpulan dapat ditarik: cahaya merupakan gangguan elektromagnetik; medan elektromagnetik merambat di ruang angkasa dalam bentuk gelombang transversal dengan kecepatan Dengan= 3 10 8 m/s, bergantung pada sifat mediumnya, dan oleh karena itu “aksi jarak jauh seketika” tidak mungkin dilakukan. Jadi, pada gelombang cahaya, osilasi terjadi karena intensitas medan listrik dan medan magnet, dan pembawa gelombang tersebut adalah ruang itu sendiri, yang berada dalam keadaan tegang. Dan akibat adanya perpindahan arus maka akan timbul medan magnet baru dan seterusnya ad infinitum .

Arti persamaan (3) dan (4) jelas - (3) menggambarkan teorema elektrostatis Gauss dan menggeneralisasi hukum Coulomb, (4) mencerminkan fakta tidak adanya muatan magnet. Divergensi (dari lat. menyimpang - mendeteksi perbedaan) adalah ukuran sumbernya. Jika misalnya sinar cahaya tidak masuk ke dalam kaca, melainkan hanya melewatinya, divD = 0. Matahari sebagai sumber cahaya dan panas mempunyai divergensi positif, dan kegelapan mempunyai divergensi negatif. Oleh karena itu, garis-garis medan listrik berakhir pada muatan yang massa jenisnya p, dan garis-garis medan magnet itu tertutup dan tidak berakhir di mana pun.

Sistem pandangan yang menjadi dasar persamaan Maxwell disebut Teori Maxwell tentang medan elektromagnetik. Meskipun persamaan-persamaan ini mempunyai bentuk yang sederhana, semakin Maxwell dan para pengikutnya mengerjakan persamaan-persamaan tersebut, semakin mendalam makna yang terungkap pada persamaan-persamaan tersebut. G. Hertz, yang eksperimennya merupakan bukti langsung pertama keabsahan teori medan elektromagnetik Faraday-Maxwell, menulis tentang persamaan Maxwell yang tidak ada habisnya: “Anda tidak dapat mempelajari teori yang menakjubkan ini tanpa terkadang merasakan perasaan bahwa rumus matematika hidup. kehidupan mereka sendiri, memiliki pikiran mereka sendiri - tampaknya “rumus-rumus ini lebih pintar dari kita, bahkan lebih pintar dari penulisnya sendiri, seolah-olah mereka memberi kita lebih dari yang awalnya terkandung di dalamnya.”

Proses perambatan medan akan berlanjut tanpa batas waktu dalam bentuk gelombang yang tidak teredam - energi medan magnet dalam ruang hampa diubah seluruhnya menjadi energi listrik, dan sebaliknya. Diantara konstanta yang termasuk dalam persamaan adalah konstanta c; Maxwell menemukan bahwa nilainya sama persis dengan kecepatan cahaya. Mustahil untuk tidak memperhatikan kebetulan ini. Jadi, pada gelombang cahaya, osilasi terjadi karena intensitas medan listrik dan medan magnet, dan pembawa gelombang tersebut adalah ruang itu sendiri, yang berada dalam keadaan tegang.

Gelombang cahaya adalah gelombang elektromagnetik,“berlari di ruang angkasa dan terpisah dari muatan yang memancarkannya,” seperti yang dikatakan Weiskopf. Dia membandingkan pentingnya penemuan Maxwell dengan penemuan hukum gravitasi Newton. Newton menghubungkan pergerakan planet dengan gravitasi di Bumi dan menemukan hukum dasar yang mengatur pergerakan mekanis massa di bawah pengaruh gaya. Maxwell menghubungkan optik dengan listrik dan menurunkan hukum dasar (persamaan Maxwell) yang mengatur perilaku medan listrik dan magnet serta interaksinya dengan muatan dan magnet. Karya Newton mengarah pada pengenalan konsep hukum gravitasi universal, karya Maxwell - konsep medan elektromagnetik dan pembentukan hukum perambatannya. Jika medan elektromagnetik dapat muncul secara independen dari pembawa material, maka aksi jarak jauh harus digantikan oleh aksi jarak pendek, yaitu medan yang merambat di ruang angkasa dengan kecepatan terbatas. Gagasan tentang arus perpindahan (1861), gelombang elektromagnetik, dan sifat elektromagnetik cahaya (1865) begitu berani dan tidak biasa sehingga fisikawan generasi berikutnya pun tidak langsung menerima teori Maxwell. Pada tahun 1888 G. Hertz menemukan gelombang elektromagnetik, tetapi penentang aktif teori Maxwell seperti W. Thomson (Kelvin) hanya dapat diyakinkan melalui eksperimen P.N. Lebedev, yang menemukan keberadaannya tekanan ringan.

Di pertengahan abad ke-19. Maxwell menggabungkan listrik dan magnet menjadi teori medan terpadu. Muatan listrik dikaitkan dengan partikel elementer, yang paling terkenal - elektron dan proton - memiliki muatan yang sama e, itu adalah konstanta alam yang universal. Dalam SI = 1,6 · 10 -19 Cl. Meskipun muatan magnet belum ditemukan, secara teori muatan magnet sudah muncul. Menurut fisikawan Dirac, besarnya muatan magnet harus merupakan kelipatan muatan elektron

Penelitian lebih lanjut di bidang medan elektromagnetik menyebabkan kontradiksi dengan konsep mekanika klasik, yang coba dihilangkan oleh fisikawan Belanda X.A. Lorenz. Dia memperkenalkan transformasi koordinat sistem inersia, yang, tidak seperti transformasi Galilea klasik, mengandung konstanta - kecepatan cahaya, yang dikaitkan dengan teori medan. Skala waktu dan panjang telah berubah dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Arti fisik dari transformasi Lorentz ini hanya dijelaskan oleh A. Einstein pada tahun 1905 dalam karyanya “On the Electrodynamics of Moving Bodies,” yang menjadi dasar teori relativitas khusus (STR), atau mekanika relativistik.

Ilmu pengetahuan alam tidak hanya mengidentifikasi jenis-jenis benda material di Alam Semesta, tetapi juga mengungkap hubungan di antara benda-benda tersebut. Hubungan antar benda-benda dalam suatu sistem integral lebih teratur, lebih stabil dibandingkan dengan hubungan antara masing-masing unsur dan unsur-unsur dari lingkungan luar. Untuk menghancurkan suatu sistem, untuk mengisolasi satu atau beberapa elemen dari sistem, Anda perlu menerapkan energi tertentu padanya. Energi ini memiliki nilai yang berbeda-beda dan bergantung pada jenis interaksi antar elemen sistem. Di dunia besar, interaksi ini disediakan oleh gravitasi; di dunia makro, interaksi elektromagnetik ditambahkan ke gravitasi, dan itu menjadi yang utama, karena semakin kuat. Dalam mikrokosmos, pada ukuran atom, interaksi nuklir yang lebih kuat muncul, yang menjamin integritas inti atom. Ketika berpindah ke partikel elementer, energi ikatan internal, kita mengetahui bahwa zat alami adalah senyawa kimia dari unsur-unsur yang dibangun dari atom dan dikumpulkan dalam Tabel Periodik. Selama beberapa waktu diyakini bahwa atom adalah bahan penyusun dasar alam semesta, namun kemudian diketahui bahwa atom mewakili “seluruh alam semesta” dan terdiri dari partikel-partikel yang lebih mendasar yang berinteraksi satu sama lain: proton, elektron, neutron, meson. , dll. Jumlah partikel yang mengaku sebagai unsur semakin bertambah, namun apakah mereka benar-benar unsur?

Mekanika Newton diterima, namun asal muasal gaya yang menyebabkan percepatan tidak dibahas. Gaya gravitasi bekerja melalui kekosongan, bersifat jarak jauh, sedangkan gaya elektromagnetik bekerja melalui suatu medium. Saat ini, semua interaksi di alam direduksi menjadi empat jenis: gravitasi, elektromagnetik, nuklir kuat, dan nuklir lemah.

Gaya berat(dari lat. gravitasi- tingkat keparahan) secara historis merupakan interaksi pertama yang dipelajari. Mengikuti Aristoteles, mereka percaya bahwa semua benda cenderung ke "tempatnya" (yang berat - turun ke bumi, yang ringan - naik). Fisika abad XVII-XVIII. hanya interaksi gravitasi yang diketahui. Menurut Newton, dua titik massa saling tarik menarik dengan gaya yang diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan keduanya: Tanda minus menunjukkan bahwa kita berhadapan dengan daya tarik, R- jarak antar benda (diyakini bahwa ukuran benda jauh lebih kecil r), t 1 dan t 2 - massa tubuh Besarnya G- konstanta universal yang menentukan nilai gaya gravitasi. Jika benda bermassa 1 kg terletak pada jarak 1 m satu sama lain, maka gaya tarik menarik antara keduanya adalah 6,67 · 10 -11 N. Gravitasi bersifat universal, semua benda tunduk padanya, dan bahkan partikel itu sendiri adalah sumber gravitasi. Jika nilainya G lebih besar, kekuatannya juga akan meningkat, tapi G sangat kecil, dan interaksi gravitasi di dunia partikel subatom tidak signifikan, dan interaksi antar benda makroskopik hampir tidak terlihat. Cavendish mampu mengukur nilainya G, menggunakan neraca torsi. Fleksibilitas adalah konstan G Artinya dimanapun di Alam Semesta dan kapan saja, gaya tarik menarik antara benda bermassa 1 kg yang dipisahkan oleh jarak 1 m akan mempunyai nilai yang sama. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa nilainya G menentukan struktur sistem gravitasi. Gravitasi, atau gravitasi, tidak terlalu signifikan dalam interaksi antar partikel kecil, tetapi gravitasi menyatukan planet-planet, seluruh tata surya, dan galaksi. Kita terus-menerus merasakan gravitasi dalam hidup kita. Hukum tersebut menetapkan sifat jangka panjang dari gaya gravitasi dan sifat utama interaksi gravitasi - universalitasnya.

Teori gravitasi Einstein (GTR) memberikan hasil yang berbeda dari hukum Newton dalam medan gravitasi kuat, dalam medan gravitasi lemah - kedua teori tersebut bertepatan. Menurut GTR, gaya berat- Ini merupakan manifestasi dari kelengkungan ruang-waktu. Benda bergerak sepanjang lintasan melengkung bukan karena gaya gravitasi yang bekerja padanya, tetapi karena benda bergerak dalam ruang-waktu yang melengkung. Mereka bergerak “melalui jalur terpendek, dan gravitasi adalah geometri.” Pengaruh kelengkungan ruang-waktu tidak hanya dapat dideteksi di dekat objek yang runtuh seperti bintang neutron atau lubang hitam. Misalnya saja presesi orbit Merkurius atau pelebaran waktu di permukaan bumi (lihat Gambar 2.3, V). Einstein menunjukkan bahwa gravitasi dapat digambarkan setara dengan gerak dipercepat.

Untuk menghindari kompresi Alam Semesta di bawah pengaruh gravitasi diri dan memastikan stasioneritasnya, ia memperkenalkan kemungkinan sumber gravitasi dengan sifat yang tidak biasa, yang menyebabkan materi “terdorong terpisah”, bukan konsentrasinya, dan gaya tolak-menolak. meningkat seiring bertambahnya jarak. Namun sifat-sifat ini hanya dapat terwujud dalam skala yang sangat besar di alam semesta. Gaya tolak menolak sangat kecil dan tidak bergantung pada massa; itu direpresentasikan dalam bentuk di mana T - massa benda yang ditolak; R- jaraknya dari benda yang memukul mundur; aku- konstan. Saat ini ada batas atas untuk L= 10 -53 m -2, mis. untuk dua benda dengan berat masing-masing 1 kg, terletak pada jarak 1 m, gaya tarik-menarik melebihi tolakan kosmik setidaknya 10 25 kali lipat. Jika dua galaksi bermassa 10 41 kg terletak pada jarak 10 juta cahaya. tahun (sekitar 10 22 m), maka bagi mereka gaya tarik menarik kira-kira seimbang dengan gaya tolak menolak, jika nilainya L sangat mendekati batas atas yang ditentukan. Besaran ini belum diukur, meskipun penting bagi struktur alam semesta berskala besar sebagai hal yang mendasar.

Interaksi elektromagnetik, disebabkan oleh muatan listrik dan magnet, dibawa oleh foton. Kekuatan interaksi antar muatan sangat bergantung pada posisi dan pergerakan muatan. Jika dua biaya Q 1 dan pertanyaan 2 tidak bergerak dan terkonsentrasi pada titik-titik yang jauh R, maka interaksi antara keduanya bersifat listrik dan ditentukan oleh hukum Coulomb: Bergantung dari tanda muatan pertanyaan 1 Dan pertanyaan 2 gaya interaksi listrik yang diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan akan menjadi gaya tarik-menarik atau tolak-menolak. Di sini, konstanta yang menentukan intensitas interaksi elektrostatis dilambangkan; nilainya adalah 8,85 · 10 -12 F/m. Jadi, dua muatan masing-masing 1 C, yang dipisahkan sejauh 1 m, akan mengalami gaya sebesar 8,99 · 10 9 N. Muatan listrik selalu terikat pada partikel elementer. Nilai numerik muatan yang paling terkenal di antara mereka - proton dan elektron - adalah sama: ini adalah konstanta universal e = 1,6 Kelas 10 -19. Muatan proton dianggap positif, dan muatan elektron dianggap negatif.

Gaya magnet dihasilkan oleh arus listrik - pergerakan muatan listrik. Ada upaya untuk menyatukan teori-teori dengan mempertimbangkan kesimetrian, yang memperkirakan keberadaan muatan magnet (monopole magnet), tetapi belum ditemukan. Oleh karena itu nilainya e menentukan intensitas interaksi magnetik. Jika muatan listrik bergerak dengan percepatan, muatan tersebut memancar - mengeluarkan energi dalam bentuk cahaya, gelombang radio, atau sinar-X, bergantung pada rentang frekuensi. Hampir semua pembawa informasi yang dirasakan oleh indera kita bersifat elektromagnetik, meskipun terkadang mereka memanifestasikan dirinya dalam bentuk yang kompleks. Interaksi elektromagnetik menentukan struktur dan perilaku atom, menjaga atom dari peluruhan, dan bertanggung jawab atas hubungan antar molekul, yaitu fenomena kimia dan biologi.

Gravitasi dan elektromagnetisme adalah gaya jangka panjang yang meluas ke seluruh alam semesta.

Kekuatan nuklir kuat dan lemah- jarak pendek dan hanya muncul dalam ukuran inti atom, yaitu di area sekitar 10 -14 m.

Interaksi nuklir lemah bertanggung jawab atas banyak proses yang menyebabkan beberapa jenis peluruhan nuklir partikel elementer (misalnya, (peluruhan 3 - transformasi neutron menjadi proton) dengan rentang aksi yang hampir seperti titik: sekitar 10 -18 m. Ini memiliki efek yang lebih kuat pada transformasi partikel daripada pergerakannya, oleh karena itu efektivitasnya ditentukan oleh konstanta yang terkait dengan laju peluruhan - koneksi konstanta universal g(W), menentukan laju proses seperti peluruhan neutron. Interaksi nuklir lemah dilakukan oleh apa yang disebut boson lemah, dan beberapa partikel subatom dapat berubah menjadi partikel subatom lainnya. Penemuan partikel subnuklir yang tidak stabil mengungkapkan bahwa gaya lemah menyebabkan banyak transformasi. Supernova adalah salah satu dari sedikit kasus interaksi lemah yang teramati.

Gaya nuklir yang kuat mencegah peluruhan inti atom, dan tanpanya, inti atom akan hancur akibat gaya tolak menolak listrik proton. Dalam beberapa kasus, nilai diperkenalkan untuk mengkarakterisasinya g(S), mirip dengan muatan listrik, tetapi jauh lebih besar. Interaksi kuat yang dilakukan oleh gluon turun tajam ke nol di luar wilayah dengan radius sekitar 10 -15 m. Ia mengikat quark yang membentuk proton, neutron, dan partikel serupa lainnya yang disebut hadron. Mereka mengatakan bahwa interaksi proton dan neutron adalah cerminan dari interaksi internal mereka, namun sejauh ini gambaran fenomena mendalam ini tersembunyi dari kita. Hal ini terkait dengan energi yang dilepaskan oleh Matahari dan bintang, transformasi dalam reaktor nuklir dan pelepasan energi. Jenis interaksi yang tercantum ternyata memiliki sifat yang berbeda-beda. Sampai saat ini, tidak jelas apakah semua interaksi di alam telah habis oleh mereka. Yang terkuat adalah interaksi kuat jarak pendek, interaksi elektromagnetik lebih lemah 2 kali lipat, interaksi lemah lebih lemah 14 kali lipat, dan interaksi gravitasi lebih lemah 39 kali lipat. Sesuai dengan besarnya gaya-gaya interaksi yang terjadi pada waktu yang berbeda-beda. Interaksi nuklir kuat terjadi ketika partikel bertabrakan dengan kecepatan mendekati cahaya. Waktu reaksi, ditentukan dengan membagi jari-jari aksi gaya dengan kecepatan cahaya, memberikan nilai orde 10 -23 s. Proses interaksi yang lemah terjadi dalam 10 -9 detik, dan proses interaksi gravitasi - dalam urutan 10 16 detik, atau 300 juta tahun.

“Hukum kuadrat terbalik”, yang menyatakan bahwa massa gravitasi titik atau muatan listrik bekerja satu sama lain, mengikuti, seperti yang ditunjukkan P. Ehrenfest, dari ruang tiga dimensi (1917). Di luar angkasa N pengukuran, partikel titik akan berinteraksi menurut hukum pangkat terbalik ( N- 1). Untuk n = 3, hukum kuadrat terbalik berlaku, karena 3 - 1 = 2. Dan dengan u = 4, yang sesuai dengan hukum kubus terbalik, planet-planet akan bergerak spiral dan dengan cepat jatuh ke Matahari. Pada atom dengan lebih dari tiga dimensi juga tidak akan ada orbit yang stabil, yaitu tidak akan ada proses kimia dan tidak ada kehidupan. Kant juga menunjukkan hubungan antara ruang tiga dimensi dan hukum gravitasi.

Selain itu, dapat ditunjukkan bahwa perambatan gelombang dalam bentuk murni tidak mungkin terjadi di ruang angkasa dengan jumlah dimensi genap - muncul distorsi yang mengganggu struktur (informasi) yang dibawa oleh gelombang. Contohnya adalah perambatan gelombang di atas lapisan karet (di atas permukaan berdimensi N= 2). Pada tahun 1955, ahli matematika H. J. Withrow menyimpulkan bahwa karena organisme hidup memerlukan transmisi dan pemrosesan informasi, bentuk kehidupan yang lebih tinggi tidak dapat hidup di ruang berdimensi genap. Kesimpulan ini berlaku untuk bentuk-bentuk kehidupan dan hukum-hukum alam yang kita kenal dan tidak mengecualikan keberadaan dunia lain, yang sifatnya berbeda.

Sejak Newton dan P. Laplace, pertimbangan mekanika sebagai teori fisika universal telah dipertahankan. Pada abad ke-19 tempat ini diambil alih oleh gambaran mekanis dunia, termasuk mekanika, termodinamika dan teori kinetik materi, teori elastis cahaya dan elektromagnetisme. Penemuan elektron merangsang revisi gagasan. Pada akhir abad tersebut, H. Lorentz membangun teori elektronnya untuk mencakup semua fenomena alam, tetapi tidak mencapainya. Masalah yang terkait dengan keleluasaan muatan dan kontinuitas medan, serta masalah dalam teori radiasi (“bencana ultraviolet”) menyebabkan terciptanya gambaran medan kuantum dunia dan mekanika kuantum. Setelah penciptaan SRT, gambaran elektromagnetik dunia, yang menggabungkan teori relativitas, teori Maxwell, dan mekanika, diharapkan dapat memberikan cakupan universal tentang alam, tetapi ilusi ini segera terhalau.

Banyak ahli teori yang mencoba membahas gravitasi dan elektromagnetisme dengan persamaan terpadu. Di bawah pengaruh Einstein, yang memperkenalkan ruang-waktu empat dimensi, teori medan multidimensi dibangun dalam upaya mereduksi fenomena menjadi sifat geometris ruang.

Penyatuan tersebut dilakukan atas dasar independensi kecepatan cahaya bagi berbagai pengamat yang bergerak di ruang kosong tanpa adanya kekuatan eksternal. Einstein digambarkan garis dunia suatu benda pada suatu bidang yang sumbu spasialnya berarah horizontal dan sumbu temporalnya berarah vertikal. Maka garis vertikal adalah garis dunia suatu benda yang diam dalam suatu sistem acuan tertentu, dan garis miring adalah garis dunia suatu benda yang bergerak dengan kecepatan tetap. Garis dunia yang melengkung melambangkan suatu benda yang bergerak dengan percepatan. Setiap titik pada bidang ini berhubungan dengan suatu posisi di tempat tertentu pada waktu tertentu dan disebut peristiwa. Dalam hal ini, gravitasi bukan lagi suatu gaya yang bekerja pada latar belakang pasif ruang dan waktu, namun merupakan distorsi ruang-waktu itu sendiri. Bagaimanapun, medan gravitasi adalah “kelengkungan” ruang-waktu.

Untuk menjalin hubungan antara sistem acuan yang bergerak relatif satu sama lain, perlu dilakukan pengukuran interval spasial dalam satuan yang sama dengan satuan waktu. Pengganda untuk perhitungan ulang seperti itu bisa jadi kecepatan cahaya, menghubungkan jarak dengan waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh jarak tersebut. Dalam sistem seperti itu, 1 m sama dengan 3,33 not (1 not = 10 -9 s). Kemudian garis dunia foton akan lewat pada sudut 45°, dan benda material apa pun - pada sudut yang lebih kecil (karena kecepatannya selalu lebih kecil dari kecepatan cahaya). Karena sumbu spasial berhubungan dengan tiga sumbu Cartesian, garis dunia benda material akan ditempatkan di dalam kerucut yang dijelaskan oleh garis dunia foton. Hasil pengamatan gerhana matahari tahun 1919 membuat Einstein terkenal di seluruh dunia. Perpindahan bintang, yang hanya dapat dilihat di sekitar Matahari saat terjadi gerhana, bertepatan dengan prediksi teori gravitasi Einstein. Jadi pendekatan geometrisnya terhadap konstruksi teori gravitasi dikonfirmasi oleh eksperimen yang mengesankan.

Pada tahun 1919 yang sama, ketika relativitas umum muncul, T. Kaluza, seorang profesor swasta di Universitas Königsberg, mengirimkan karyanya kepada Einstein, di mana ia mengusulkan dimensi kelima. Mencoba menemukan prinsip dasar semua interaksi (ada dua yang diketahui pada saat itu - gravitasi dan elektromagnetisme), Kaluza menunjukkan bahwa interaksi tersebut dapat diturunkan secara seragam dalam relativitas umum lima dimensi. Ukuran dimensi kelima tidak menjadi masalah bagi keberhasilan penyatuan dan, mungkin, sangat kecil sehingga tidak dapat dideteksi. Hanya setelah dua tahun korespondensi dengan Einstein barulah artikel tersebut diterbitkan. Fisikawan Swedia O. Klein mengusulkan modifikasi persamaan dasar mekanika kuantum dengan lima variabel, bukan empat (1926). Ia “meruntuhkan” dimensi ruang yang tidak dapat kita lihat menjadi ukuran yang sangat kecil (misalnya selang irigasi yang dibuang sembarangan, yang dari kejauhan terlihat seperti garis berkelok-kelok, namun jika dilihat dari dekat, setiap titiknya ternyata sama. menjadi lingkaran). Dimensi loop aneh ini 10-20 kali lebih kecil dari ukuran inti atom. Oleh karena itu, dimensi kelima tidak dapat diamati, namun mungkin terjadi.

Ilmuwan Soviet G.A. Mandel dan V.A. Fok. Mereka menunjukkan bahwa lintasan partikel bermuatan dalam ruang lima dimensi dapat digambarkan secara ketat sebagai garis geodesik (dari bahasa Yunani. geodaisia- pembagian tanah), atau jalur terpendek antara dua titik di permukaan, yaitu dimensi kelima dapat nyata secara fisik. Hal tersebut tidak terdeteksi karena adanya hubungan ketidakpastian Heisenberg yang merepresentasikan setiap partikel dalam bentuk paket gelombang yang menempati suatu wilayah di ruang angkasa, yang besarnya bergantung pada energi partikel tersebut (semakin tinggi energinya, semakin kecil volumenya). wilayah tersebut). Jika dimensi kelima dilipat menjadi lingkaran kecil, maka untuk mendeteksinya, partikel yang meneranginya harus berenergi tinggi. Akselerator menghasilkan berkas partikel yang memberikan resolusi 10 -18 m, sehingga jika lingkaran pada dimensi kelima memiliki dimensi yang lebih kecil, maka lingkaran tersebut belum dapat dideteksi.

Profesor Soviet Yu.B. Rumer dalam teori lima dimensinya menunjukkan bahwa dimensi kelima dapat diberi makna tindakan. Segera muncul upaya untuk memvisualisasikan ruang lima dimensi ini, seperti ruang-waktu empat dimensi yang diperkenalkan oleh Einstein. Salah satu upaya tersebut adalah hipotesis keberadaan dunia “paralel”. Tidak sulit untuk membayangkan gambar empat dimensi dari sebuah bola: ini adalah kumpulan gambarnya pada setiap titik waktu - sebuah “pipa” bola yang membentang dari masa lalu ke masa depan. Dan bola lima dimensi sudah menjadi sebuah lapangan, sebuah bidang dunia yang benar-benar identik. Di semua dunia yang memiliki tiga hingga lima dimensi, bahkan satu penyebab, meskipun acak, dapat menimbulkan beberapa akibat. Enam dimensi Alam semesta dibangun oleh perancang pesawat Soviet yang luar biasa L.R. Bartini, mencakup tiga dimensi spasial dan tiga dimensi temporal. Bagi Bartini, lamanya waktu adalah durasinya, lebarnya adalah banyaknya pilihan, tingginya adalah kecepatan waktu di setiap kemungkinan dunia.

Teori gravitasi kuantum seharusnya menggabungkan relativitas umum dan mekanika kuantum. Di alam semesta yang tunduk pada hukum gravitasi kuantum, kelengkungan ruang-waktu dan strukturnya harus berfluktuasi; dunia kuantum tidak pernah diam. Dan konsep masa lalu dan masa depan, urutan kejadian di dunia seperti itu juga harus berbeda. Perubahan ini belum terdeteksi karena efek kuantum muncul dalam skala yang sangat kecil.

Di tahun 50an abad XX R. Feynman, Y. Schwinger dan S. Tomogawa secara independen menciptakan elektrodinamika kuantum, menghubungkan mekanika kuantum dengan konsep relativistik dan menjelaskan banyak efek yang diperoleh dalam studi atom dan radiasinya. Teori interaksi lemah kemudian dikembangkan dan ditunjukkan bahwa elektromagnetisme dapat disatukan secara matematis hanya dengan gaya lemah. Salah satu penulisnya, fisikawan teoretis Pakistan A. Salam, menulis: “Rahasia pencapaian Einstein adalah ia menyadari pentingnya muatan dalam interaksi gravitasi. Dan sampai kita memahami sifat muatan dalam interaksi elektromagnetik, lemah dan kuat sedalam yang dilakukan Einstein terhadap gravitasi, hanya ada sedikit harapan untuk berhasil dalam penyatuan akhir... Kita tidak hanya ingin melanjutkan upaya Einstein yang gagal ia lakukan. , tetapi juga memasukkan biaya lain dalam program ini.”

Ketertarikan terhadap teori multidimensi bangkit kembali, dan karya-karya Einstein, Bergman, Kaluza, Rumer, dan Jordan mulai berputar kembali. Karya fisikawan Soviet (L.D. Landau, I.Ya. Pomeranchuk, E.S. Fradkin) menunjukkan bahwa pada jarak 10 -33 cm, kontradiksi yang tidak dapat dihilangkan muncul dalam elektrodinamika kuantum (divergensi, anomali, semua muatan menjadi nol). Banyak ilmuwan mengerjakan ide untuk menciptakan teori terpadu. S. Weinberg, A. Salam dan S. Glashow menunjukkan bahwa elektromagnetisme dan gaya nuklir lemah dapat dianggap sebagai manifestasi dari gaya “elektrolemah” tertentu dan bahwa pembawa gaya kuat yang sebenarnya adalah quark. Teori dibuat - kromodinamika kuantum- membangun proton dan neutron dari quark dan membentuk apa yang disebut model standar partikel elementer.

Planck juga mencatat peran mendasar kuantitas yang terdiri dari tiga konstanta yang mendefinisikan teori dasar - STR (kecepatan cahaya c), mekanika kuantum (konstanta Planck H) dan teori gravitasi Newton (konstanta gravitasi G). Dari kombinasinya Anda bisa mendapatkan tiga kuantitas (Planckian) Dengan

dimensi massa, waktu dan panjang

5 10 93 gram/cm 3 . Panjang Planck bertepatan dengan jarak kritis di mana elektrodinamika kuantum menjadi tidak berarti. Sekarang geometri telah ditentukan hanya pada jarak lebih dari 10 - 16 cm, yaitu 17 kali lipat lebih besar dari jarak Planck! Penyatuan interaksi diperlukan untuk menghilangkan perbedaan dan anomali dalam teori - masalahnya adalah definisi partikel sebagai titik dan distorsi ruang-waktu. Dan mereka mulai mencarinya dengan bantuan ide-ide simetri yang lebih tinggi. Ide-ide ini mendapat “angin kedua” di tahun 80-an. abad XX dalam teori penyatuan besar GUT dan gayaberat super. GUT adalah teori yang memungkinkan kita menyatukan semua interaksi kecuali interaksi gravitasi. Jika kita berhasil menggabungkan interaksi gravitasi dengannya, kita akan mendapatkan Teori Segala Sesuatu yang Ada (TVS). Kemudian dunia akan digambarkan secara seragam. Pencarian “negara adikuasa” terus berlanjut.

Teori supergravitasi menggunakan konstruksi multidimensi yang melekat pada pendekatan geometris ketika membangun relativitas umum. Anda dapat membangun dunia dari sejumlah dimensi yang berbeda (mereka menggunakan model 11 dan 26 dimensi), tetapi model 11 dimensi adalah yang paling menarik dan indah dari sudut pandang matematika: 7 adalah jumlah minimum dimensi tersembunyi dari ruang-waktu yang memungkinkan dimasukkannya tiga gaya non-gravitasi dalam teori, dan 4 adalah dimensi ruang-waktu yang biasa. Empat interaksi yang diketahui diperlakukan sebagai struktur geometris yang memiliki lebih dari lima dimensi.

Teori superstring telah dikembangkan sejak pertengahan tahun 80-an. abad XX bersama dengan supergravitasi. Teori ini mulai dikembangkan oleh ilmuwan Inggris M. Green dan ilmuwan Amerika J. Schwartz. Alih-alih sebuah titik, mereka menghubungkan partikel dengan string satu dimensi yang ditempatkan di ruang multidimensi. Teori ini, dengan mengganti partikel titik dengan putaran energi kecil, menghilangkan absurditas yang muncul dalam perhitungan. String kosmik - ini adalah formasi eksotik tak kasat mata yang dihasilkan oleh teori partikel elementer. Teori ini mencerminkan pemahaman hierarki dunia - kemungkinan bahwa tidak ada dasar final untuk realitas fisik, tetapi hanya rangkaian partikel yang semakin kecil. Ada partikel yang sangat masif, dan sekitar seribu partikel tanpa massa. Setiap senar yang berukuran Planck (10 -33 cm) dapat memiliki jenis (atau mode) getaran yang tak terhingga banyaknya. Sebagaimana getaran senar biola menghasilkan berbagai suara, getaran senar biola dapat menghasilkan semua gaya dan partikel. Superstring memungkinkan kita untuk memahami kiralitas (dari bahasa Yunani. bersorak- tangan), meskipun gayaberat super tidak dapat menjelaskan perbedaan antara kiri dan kanan - gayaberat super mengandung bagian partikel yang sama di setiap arah. Teori superstring, seperti supergravitasi, tidak dikaitkan dengan pengalaman, tetapi dengan penghapusan anomali dan divergensi, yang lebih merupakan karakteristik matematika.

Fisikawan Amerika E. Witten menyimpulkan bahwa teori superstring adalah harapan utama masa depan fisika; teori ini tidak hanya memperhitungkan kemungkinan gravitasi, tetapi juga menegaskan keberadaannya, dan gravitasi adalah konsekuensi dari teori superstring. Teknologinya, yang dipinjam dari topologi dan teori medan kuantum, memungkinkan penemuan simetri mendalam antara simpul-simpul terjerat berdimensi tinggi. Dimensi yang sesuai dengan teori yang relatif konsisten adalah tetap, yaitu sebesar 506.

Dengan menggunakan teori superstring, kita dapat menjelaskan distribusi materi yang “tidak teratur” di alam semesta. Superstring adalah benang sisa dari materi alam semesta yang baru lahir. Mereka sangat mobile dan padat, membengkokkan ruang di sekitarnya, membentuk bola dan lingkaran, dan lingkaran besar dapat menciptakan tarikan gravitasi yang cukup kuat untuk melahirkan partikel elementer, galaksi, dan gugus galaksi. Pada tahun 1986, banyak makalah tentang string kosmik telah diterbitkan, meskipun makalah tersebut sendiri belum ditemukan. Superstring diyakini dapat ditemukan melalui kelengkungan ruang yang ditimbulkannya, bertindak sebagai lensa gravitasi, atau melalui gelombang gravitasi yang dipancarkannya. Evolusi superstring dimainkan di komputer, dan gambar muncul di layar tampilan yang sesuai dengan yang diamati di luar angkasa - filamen, lapisan, dan rongga raksasa juga terbentuk di sana, di mana praktis tidak ada galaksi.

Konvergensi luar biasa antara kosmologi dan fisika partikel dalam 30 tahun terakhir telah memungkinkan untuk memahami esensi proses kelahiran ruang-waktu dan materi dalam interval singkat dari 10 -43 hingga 10 -35 detik setelah singularitas primer, ditelepon Ledakan Besar. Jumlah dimensi 10 (supergravitasi) atau 506 (teori superstring) belum final; gambar geometris yang lebih kompleks mungkin muncul, namun banyak dimensi tambahan yang tidak dapat dideteksi secara langsung. Geometri Alam Semesta yang sebenarnya mungkin tidak memiliki tiga dimensi spasial, yang hanya khas untuk Metagalaxy kita - bagian Alam Semesta yang dapat diamati.

Dan semuanya, kecuali tiga, pada saat Big Bang (10-15 miliar tahun lalu) meringkuk hingga seukuran Planck. Pada jarak yang jauh (hingga ukuran Metagalaxy 10 28 cm) geometrinya bersifat Euclidean dan tiga dimensi, dan pada jarak Planck bersifat non-Euclidean dan multidimensi. Teori Segala Sesuatu yang Ada (TEC) yang sedang dikembangkan diyakini harus menggabungkan deskripsi semua interaksi mendasar antar partikel.

Kebetulan subjek penelitian mengubah metodologi ilmu pengetahuan yang sudah mapan. Astronomi dianggap sebagai ilmu observasional, dan akselerator dianggap sebagai alat dalam fisika partikel. Sekarang mereka mulai membuat asumsi tentang sifat-sifat partikel dan interaksinya dalam kosmologi, dan generasi ilmuwan saat ini dapat mengujinya. Jadi, dari kosmologi, jumlah partikel fundamental haruslah sedikit. Prediksi ini berkaitan dengan analisis proses fusi primer nukleon, ketika usia Alam Semesta sekitar 1 detik, dan dibuat pada saat tampaknya mencapai kekuatan akselerator yang lebih besar akan menyebabkan peningkatan jumlah nukleon. dari partikel elementer. Jika ada banyak partikel, alam semesta sekarang akan berbeda.