Matematinis fizikinių laukų aprašymas. Maskvos valstybinis poligrafijos universitetas

Fizinis laukas- tai ypatinga materijos forma, egzistuojanti kiekviename erdvės taške ir pasireiškianti darant įtaką medžiagai, kuri turi savybę, susijusią su ta, kuri sukūrė šį lauką. Pagrindinis skirtumas yra lygumas.

korpusas + krūvio laukas kūnas + krūvis

Fizinių laukų savybės

Iš esmės skiriasi materijos ir lauko elgsena. Medžiaga visada turi aštrią užimamo tūrio ribą, tačiau laukas iš esmės negali turėti aštrios ribos, ji sklandžiai keičiasi iš taško į tašką.

Viename erdvės taške gali egzistuoti begalinis skaičius fizinių laukų, kurie nedaro įtakos vienas kitam.

Laukas ir materija gali vienas kitą paveikti.

Matematinė laukų klasifikacija

Elektromagnetinis laukas- tai ypatinga materijos forma, kuriai būdinga vektorių E ir H reikšmė kiekviename erdvės taške.

Laukai skirstomi į: skaliarinį, vektorinį, tenzorinį.

Skaliariniai laukai yra tam tikra skaliarinė funkcija, kurios apibrėžimo sritis yra nuolat paskirstyta kiekviename erdvės taške.

Skaliarinis laukas apibūdinamas lygiu paviršiumi, kuris pateikiamas pagal lygtį:

(1.1)

Vektorinis laukas yra ištisinis vektorinis dydis, kurio apibrėžimo sritis nurodyta kiekviename erdvės taške.

APIE Pagrindinė šio lauko charakteristika yra vektorinė linija. Tai yra tiesė, kurios kiekviename taške lauko vektorius nukreiptas tangentiškai.

Fizinis elektros linijų registravimas:

(1.2)

Tenzorinis laukas yra ištisinis tenzoriaus dydis, paskirstytas erdvėje.

tenzoras
(1.3)

Diferencinės fizikinių laukų charakteristikos

Gradientas yra skaliariniam laukui būdingas vektorius. Skaliarinės funkcijos gradientas yra vektorius, kuris skaitiniu požiūriu yra lygus šios funkcijos išvestinei normalės link lygaus paviršiaus ir nukreiptas išilgai šios normalės.

(1.4)

Gradiento savybės:

gradientas skaitine prasme lygus maksimaliam funkcijos kitimo greičiui.

D atvaizdavimas:

(1.5)

gradiento kryptis sutampa su greičiausio funkcijos pokyčio kryptimi.

(1.6)

Divergencija yra vektorinio lauko skaliarinė charakteristika. Vektoriaus lauko divergencija yra srauto santykio per uždarą paviršių riba S iki tūrio, esančio šiame paviršiuje.

(1.7)

- tam tikras srautas

(1.8)

D Ivergencija apibūdina šaltinių buvimą arba nebuvimą tam tikrame lauko taške (kur laukas prasideda arba baigiasi).

Jei kuriuo nors momentu
, tada šioje vietoje yra lauko šaltinis, t. y. jo pradžia ir vieta, kur laukas baigiasi
, ir šis taškas vadinamas nutekėjimu. Taške, kur nėra šaltinių
.

jų judėjimo parametrus (greitį, impulsą, kampinį momentą), keičia jų energiją, atlieka darbą ir kt. Ir tai apskritai buvo aišku ir suprantama. Tačiau tiriant elektros ir magnetizmo prigimtį, atsirado supratimas, kad elektros krūviai gali sąveikauti vienas su kitu be tiesioginio kontakto. Šiuo atveju atrodo, kad mes pereiname nuo trumpojo nuotolio veiksmo sąvokos prie nekontaktinio tolimojo veiksmo. Taip atsirado lauko samprata.

Formalus šios sąvokos apibrėžimas yra toks: fizikinis laukas – tai ypatinga materijos forma, jungianti materijos daleles (objektus) į vieningas sistemas ir baigtiniu greičiu perduodanti vienos dalelės veikimą kitai. Tiesa, kaip jau minėjome, tokie apibrėžimai yra pernelyg bendri ir ne visada nulemia gilią ir konkrečią praktinę sąvokos esmę. Fizikai sunkiai atsisakė kūnų fizinės kontaktinės sąveikos idėjos ir pristatė tokius modelius kaip elektrinis ir magnetinis „skystis“, kad paaiškintų įvairius reiškinius, skirtus vibracijai skleisti, jie naudojo terpės dalelių mechaninių virpesių idėją - modelius eterio, optinių skysčių, kalorijų, flogistono šiluminiuose reiškiniuose, apibūdindami juos ir mechaniniu požiūriu, ir net biologai įvedė „gyvybinę jėgą“, paaiškindami procesus gyvuose organizmuose. Visa tai yra ne kas kita, kaip bandymai apibūdinti veiksmo perdavimą per materialią („mechaninę“) terpę.

Tačiau Faradėjaus (eksperimentiškai), Maxwello (teoriškai) ir daugelio kitų mokslininkų darbai parodė, kad elektromagnetiniai laukai egzistuoja (taip pat ir vakuume) ir būtent jie perduoda elektromagnetinius virpesius. Paaiškėjo, kad matoma šviesa yra tos pačios elektromagnetinės vibracijos tam tikrame virpesių dažnių diapazone. Nustatyta, kad vibracijų skalėje elektromagnetinės bangos skirstomos į keletą tipų: radijo bangas (10 3 - 10 -4), šviesos bangas (10 -4 - 10 -9 m), IR (5 × 10 -4 - 8 × 10 -7 m), UV (4 × 10 -7 - 10 -9 m), rentgeno spinduliuotė (2 × 10 -9 - 6 × 10 -12 m), γ spinduliuotė (< 6 ×10 -12 м).

Manoma, kad gravitacinis ir elektrinis laukai veikia nepriklausomai ir gali egzistuoti kartu bet kuriame erdvės taške vienu metu, nepaveikdami vienas kito. Bendra jėga, veikianti bandomąją dalelę, kurios krūvis q ir masė m, gali būti išreikšta vektoriaus suma ir . Nėra prasmės sumuoti vektorius, nes jie turi skirtingus matmenis. Klasikinėje elektrodinamikoje įvedus elektromagnetinio lauko sąvoką su sąveikos ir energijos perdavimu bangoms sklindant erdvėje, buvo galima nutolti nuo mechaninio eterio vaizdavimo. Senojoje sampratoje eterio, kaip tam tikros terpės, paaiškinančios kontaktinio jėgų veikimo perdavimą, samprata buvo paneigta tiek eksperimentiškai Michelsono šviesos greičio matavimo eksperimentais, tiek daugiausia Einšteino reliatyvumo teorija. Paaiškėjo, kad fizines sąveikas galima apibūdinti per laukus, todėl buvo suformuluotos skirtingų tipų laukams būdingos charakteristikos, kurias čia aptarėme. Tačiau reikia pažymėti, kad dabar eterio idėją kai kurie mokslininkai iš dalies atgaivina remdamiesi fizinio vakuumo koncepcija.

Taigi po mechaninio paveikslo susidarė naujas elektromagnetinis pasaulio vaizdas. Jis gali būti laikomas tarpiniu šiuolaikinio gamtos mokslo atžvilgiu. Pažymėkime kai kurias bendrąsias šios paradigmos ypatybes. Kadangi joje yra ne tik idėjų apie laukus, bet ir iki tol pasirodžiusių naujų duomenų apie elektronus, fotonus, atomo branduolinį modelį, medžiagų cheminės sandaros dėsnius ir elementų išsidėstymą Mendelejevo periodinėje lentelėje, daug kitų rezultatų gamtos pažinimo kelyje, tada, žinoma, Ši sąvoka taip pat apėmė kvantinės mechanikos ir reliatyvumo teorijos idėjas, kurios bus aptartos toliau.

Pagrindinis dalykas šiame vaizde yra gebėjimas apibūdinti daugybę reiškinių, remiantis lauko samprata. Buvo nustatyta, priešingai nei mechaninis vaizdas, kad materija egzistuoja ne tik substancijos, bet ir lauko pavidalu. Elektromagnetinė sąveika, pagrįsta bangų koncepcijomis, gana užtikrintai apibūdina ne tik elektrinius ir magnetinius laukus, bet ir optinius, cheminius, šiluminius ir mechaninius reiškinius. Materijos lauko vaizdavimo metodika gali būti naudojama ir kitokio pobūdžio laukams suprasti. Buvo bandoma susieti mikroobjektų korpuskulinę prigimtį su bangine procesų prigimtimi. Nustatyta, kad elektromagnetinio lauko sąveikos „nešėjas“ yra fotonas, kuris jau paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams. Gravitoną bandoma rasti kaip gravitacinio lauko nešiklį.

Tačiau nepaisant didelės pažangos suvokiant mus supantį pasaulį, elektromagnetiniame paveiksle nėra trūkumų. Taigi jame nenagrinėjami tikimybiniai požiūriai, iš esmės tikimybiniai modeliai nepripažįstami fundamentaliais, išsaugomas deterministinis Niutono požiūris į atskirų dalelių apibūdinimą ir griežtas priežasties-pasekmės santykių vienareikšmiškumas (ką dabar ginčija sinergetika), branduolinis. sąveikos ir jų laukai paaiškinami ne tik elektromagnetine sąveika tarp įkrautų dalelių. Apskritai ši situacija yra suprantama ir paaiškinama, nes kiekviena dalykų prigimties įžvalga gilina mūsų supratimą ir reikalauja sukurti naujus adekvačius fizinius modelius.

Fizinis laukas

Regionas erdvė , kur pasireiškia fizinės, patikimai fiksuojamos ir tiksliai išmatuotos jėgos, vadinamas fizikiniu lauku. Šiuolaikinės fizikos rėmuose nagrinėjami keturi tipai: gravitacinis(žr. čia); stiprios sąveikos(žr. čia) - branduolinis; silpnos sąveikos(žr. čia) ir elektromagnetinis(žr. čia) – magnetinis ir elektrinis. Kvantiniu požiūriu teorijos materialių objektų sąveika per atstumą užtikrinama jų tarpusavio mainais kvantai kiekvienai iš išvardytų sąveikų būdingus laukus. Bet kurio iš fizikinių laukų savybės apibūdinamos griežtomis matematinėmis išraiškomis.

Per pastaruosius kelis dešimtmečius fizikai nenustojo bandyti sukurti bendrą, vieningą lauko teoriją. Tikimasi, kad visus šiuos laukus ji apibūdins kaip skirtingas vieno – „vieno fizinio lauko“ apraiškas.

Nėra jokio teorinio ar eksperimentinio pagrindo manyti, kad egzistuoja kiti jėgos laukai, išskyrus tuos, kurie išvardyti aukščiau.

gravitacinis

Gravitacinis laukas pasireiškia galinga bet kokių fizinių objektų įtaka vienas kitam. Gravitacinės sąveikos jėga yra tiesiogiai proporcinga jų masėms ir atvirkščiai proporcinga atstumui tarp jų, pakeltu į antrąją laipsnį. Jis aprašytas kiekybiškai Niutono dėsnis . Gravitacinės jėgos pasireiškia bet kokiu atstumu tarp objektų.

Quanta Gravitacinės sąveikos laukai yra gravitonai. Jų ramybės masė lygi nuliui. Nepaisant to, kad jie dar nebuvo atrasti laisvoje būsenoje, gravitonų egzistavimo būtinybė išplaukia iš bendriausių teorinių prielaidų ir nekelia abejonių.

Gravitacinis laukas vaidina didžiulį vaidmenį daugelyje procesų Visata .

Apie gravitacinio lauko prigimtį taip pat žr Reliatyvumo teorija, bendroji .

stipri sąveika (branduolinė)

Stiprios sąveikos laukas pasireiškia kaip stipri įtaka nukleonams – elementarioms dalelėms, sudarančioms atomo branduolius. Jis geba jungti protonus su tais pačiais elektros krūviais, t.y. įveikti elektrines jų atstūmimo jėgas.

Su šiuo lauku susijusi traukos jėga yra atvirkščiai proporcinga atstumui tarp nukleonų, pakeltų iki ketvirtosios laipsnio, t.y. jis veiksmingas tik nedideliais atstumais. Esant mažesniems nei 10-15 metrų atstumams tarp dalelių stiprios sąveikos laukas jau yra dešimtis kartų galingesnis už elektrinį lauką.

Quanta Stiprios sąveikos laukai yra elementariosios dalelės – gliuonai. Įprasta gliuono gyvavimo trukmė yra apie 10–23 sekundes.

Stiprios sąveikos lauko veiksmas taip pat svarbus makroprocesų metu Visata, jei tik todėl, kad be šio lauko atomų branduoliai, taigi ir patys atomai, tiesiog negalėtų egzistuoti.

silpnos sąveikos

Silpnosios sąveikos laukas – silpnų srovių sąveika – pasireiškia elementariųjų dalelių sąveikos metu 10 -18 metrų atstumu tarp jų.

Quanta silpni sąveikos laukai yra elementariosios dalelės – tarpiniai bozonai. Įprasta tarpinio bozono gyvavimo trukmė yra apie 10–25 sekundės.

Viduje bando sukurti vieningą teorijos laukus Dabar įrodyta, kad silpnos sąveikos laukas ir elektromagnetinis(žr. čia) laukus galima apibūdinti kartu, o tai reiškia, kad jie yra susiję.

Silpnos sąveikos lauko įtaka vaidina skilimo ir elementariųjų dalelių susidarymo procesų lygmenyje, be kurio Visata negalėjo egzistuoti dabartine forma. Šis fizinis laukas pradiniame laikotarpyje vaidino ypatingą vaidmenį didysis sprogimas .

elektromagnetinis

Elektromagnetinis laukas pasireiškia elektros krūvių sąveika, ramybės būsenoje – elektrinis laukas – arba judant – magnetinis laukas. Jis aptinkamas bet kokiu atstumu tarp įkrautų kūnų. Quanta Elektromagnetinės sąveikos laukai yra fotonai. Jų ramybės masė lygi nuliui.

Elektrinis laukas pasireiškia per stiprią objektų, turinčių tam tikrą savybę, vadinamą elektros krūviu, įtaką vienas kitam. Elektros krūvių pobūdis nežinomas, tačiau jų reikšmės yra sąveikos tarp tų, kurie turi nurodytą savybę, mato parametrai, t. įkrauti dariniai.

Minimalaus krūvio reikšmių nešėjai yra elektronai - jie turi neigiamą krūvį, protonai - jie turi teigiamą krūvį - ir kai kurios kitos labai trumpaamžės elementarios dalelės. Fiziniai objektai įgyja teigiamą elektros krūvį, kai juose esančių protonų skaičius viršija elektronų skaičių arba, priešingu atveju, neigiamą krūvį.

Įkrautų fizinių objektų, įskaitant elementariąsias daleles, sąveikos jėga yra tiesiogiai proporcinga jų elektros krūviams ir atvirkščiai proporcinga atstumui tarp jų, pakeltam iki antrosios galios. Jį kiekybiškai apibūdina Kulono dėsnis. Tikėtinai įkrauti objektai atstumia, priešingai įkrauti objektai traukia.

Magnetinis laukas pasireiškia galingu kūnų ar darinių, pavyzdžiui, plazmos, turinčių magnetinių savybių, įtaka vienas kitam. Šias savybes sukuria jose tekančios elektros srovės – tvarkingas elektros krūvininkų judėjimas. Sąveikos mato parametrai yra srovių elektros srovių intensyvumas, kuris nustatomas pagal elektros krūvių, judančių viename vienete, skaičių. laiko per laidininkų skerspjūvius. Nuolatiniai magnetai taip pat veikia dėl juose kylančių vidinių žiedinių molekulinių srovių. Taigi magnetinės jėgos yra elektrinės prigimties. Objektų magnetinės sąveikos – magnetinės indukcijos – intensyvumas yra tiesiogiai proporcingas juose tekančių elektros srovių intensyvumui ir atvirkščiai proporcingas atstumui tarp jų, pakeltam iki antrosios galios. Jį aprašo Biot-Savarto-Laplace dėsnis.

Elektromagnetinis laukas atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį bet kokiuose procesuose, vykstančiuose jo metu Visata su dalyvavimu plazma .

Kur G yra gravitacinė konstanta ir yra atstumas tarp šio kūno ir kūno, kurio indeksas j.
Išskirdami pasirinkto kūno masę šioje išraiškoje, galime rašyti

Kur yra dydis

Nepriklauso nuo tiriamo kūno savybių (masės).
vektorinis laukas,

Kur yra vektorinis laukas, vadinamas elektrinio lauko stipriu ir lygus

.

Šiuo atveju sąveikos jėga taip pat rašoma kaip tiriamo kūno (krūvio) charakteristikų sandauga, o visa informacija apie kitus krūvius sumažinama iki vieno vektoriaus dydžio įvedimo – elektrinio lauko stiprumo.
Aukščiau pateikti laukų apibrėžimai yra pagrįsti ilgo veikimo principu ir galioja tik klasikinei fizikai. Jei lauką lemiančios dalelės juda, tai klasikinės fizikos rėmuose tiriama dalelė akimirksniu pajus savo padėties pasikeitimą.
Tačiau taikant trumpojo nuotolio veikimo principą, galiojantį reliatyvumo teorijos rėmuose, informacija apie kūnų judėjimą neperduodama akimirksniu ir jai reikalingas tarpininkas, todėl lauko sąvoka įgauna atskiro žodžio reikšmę. esybė, kurios judėjimui erdvėje apibūdinti reikia atskirų lygčių.
Taigi, atsižvelgiant į trumpojo nuotolio sąveiką, vėl įrašoma jėga, veikianti krūvį

Tačiau elektrinio lauko stiprumas randamas pagal Maksvelo lygtis. Ji lygi aukščiau pateiktai išraiškai tik stacionarių krūvių atveju.
Išsamią informaciją šia tema galite rasti straipsnyje Atsilikimas.

Laukas– viena iš materijos egzistavimo formų ir, ko gero, pati svarbiausia. „Lauko“ sąvoka atspindi faktą, kad elektrinės ir magnetinės jėgos veikia ribotu greičiu per atstumą, tarpusavyje ir nuolat generuodamos viena kitą. Laukas spinduliuojamas, erdvėje sklinda ribotu greičiu ir sąveikauja su medžiaga. Faradėjus suformulavo lauko, kaip naujos materijos formos, idėjas, o užrašus įdėjo į užklijuotą voką, palikdamas jį atidaryti po mirties (šis vokas buvo atrastas tik 1938 m.). Faradėjus panaudojo (1840) visuotinio energijos išsaugojimo ir transformavimo idėją, nors pats įstatymas dar nebuvo atrastas.

Savo paskaitose (1845 m.) Faradėjus kalbėjo ne tik apie lygiaverčius energijos virsmus iš vienos formos į kitą, bet ir apie tai, kad jis jau seniai bandė „atrasti tiesioginį ryšį tarp šviesos ir elektros“ ir kad „jam pavyko įmagnetinti ir elektrifikuoti. šviesos spindulys ir apšviečia magnetinę jėgos liniją. Jam priklauso erdvės aplink įkrautą kūną tyrimo metodas, naudojant bandomuosius kūnus, įvadas į lauko vaizdą elektros linijos. Jis aprašė savo eksperimentus sukant šviesos poliarizacijos plokštumą magnetiniu lauku. Medžiagų elektrinių ir magnetinių savybių ryšio tyrimas paskatino Faradėjų ne tik atrasti para- ir diamagnetizmą, bet ir sukurti pagrindinę idėją - lauko idėją. Jis rašė (1852): „Ją supanti aplinka ar erdvė atlieka tokį pat svarbų vaidmenį kaip ir pats magnetas, nes yra tikros ir išbaigtos magnetinės sistemos dalis.

Faradėjus parodė, kad elektrovaros indukcijos jėga E atsiranda pasikeitus magnetiniam srautui F(atidarymas, uždarymas, srovės keitimas laiduose, artėjimas prie magneto ar jo pašalinimas ir kt.). Maxwellas išreiškė šį faktą taip: E = -dF/dt. Pasak Faradėjaus, gebėjimas sukelti sroves pasireiškia ratu aplink magnetinį rezultantą. Anot Maksvelo, kintamąjį magnetinį lauką supa sūkurinis elektrinis laukas, o minuso ženklas siejamas su Lenco taisykle: indukuota srovė kyla tokia kryptimi, kad užkirstų kelią ją generuojančiam pokyčiui. Pavadinimas rot – iš anglų kalbos. rotorius - sūkurys. 1846 metais F. Neumannas nustatė, kad indukcinei srovei sukurti reikia išleisti tam tikrą energijos kiekį.

Apskritai, Maksvelo vektorine forma parašyta lygčių sistema turi kompaktišką formą:

Į šias lygtis įtraukti elektrinės ir magnetinės indukcijos vektoriai (D ir B) bei elektrinio ir magnetinio lauko stiprumo vektoriai (E ir H) yra susiję nurodytais paprastais ryšiais su dielektrine konstanta e ir terpės magnetine pralaidumu μ. Šios operacijos naudojimas reiškia, kad magnetinio lauko stiprumo vektorius sukasi aplink srovės tankio vektorių j.

Pagal (1) lygtį bet kokia srovė sukelia magnetinio lauko atsiradimą supančioje erdvėje, nuolatinė srovė – pastovų magnetinį lauką. Toks laukas negali sukelti elektrinio lauko „kituose“ regionuose, nes pagal (2) lygtį tik kintantis magnetinis laukas sukuria srovę. Aplink kintamąją srovę taip pat sukuriamas kintamasis magnetinis laukas, kuris „kitame“ erdvės elemente gali sukurti bangos elektrinį lauką, neslopintą bangą - tuštumos magnetinio lauko energija visiškai paverčiama elektros energija. , ir atvirkščiai. Kadangi šviesa sklinda skersinių bangų pavidalu, galima padaryti dvi išvadas: šviesa yra elektromagnetinis trikdis; elektromagnetinis laukas sklinda erdvėje skersinių bangų pavidalu greičiu Su= 3 10 8 m/s, priklausomai nuo terpės savybių, todėl „momentinis tolimojo veikimo veiksmas“ neįmanomas. Taigi šviesos bangose ​​virpesius sukelia elektrinių ir magnetinių laukų intensyvumas, o bangos nešėja yra pati erdvė, kuri yra įtampos būsenoje. O dėl poslinkio srovės jis sukurs naują magnetinį lauką ir taip toliau iki begalybės .

(3) ir (4) lygčių reikšmė yra aiški – (3) apibūdina Gauso elektrostatinę teoremą ir apibendrina Kulono dėsnį, (4) atspindi magnetinių krūvių nebuvimo faktą. Divergencija (iš lat. skirtis - aptikti neatitikimą) yra šaltinio matas. Jei, pavyzdžiui, stikle šviesos spinduliai negimsta, o tik pro jį praeina, divD = 0. Saulė, kaip šviesos ir šilumos šaltinis, turi teigiamą divergenciją, o tamsa – neigiamą. Todėl elektrinio lauko linijos baigiasi krūviais, kurių tankis yra p, o magnetinio lauko linijos yra uždaros ir niekur nesibaigia.

Požiūrių sistema, sudariusi Maksvelo lygčių pagrindą, buvo vadinama Maksvelo elektromagnetinio lauko teorija. Nors šios lygtys yra paprastos, kuo daugiau Maksvelas ir jo pasekėjai jas dirbo, tuo gilesnė jų reikšmė jiems buvo atskleista. G. Hertzas, kurio eksperimentai buvo pirmasis tiesioginis Faradėjaus-Maksvelo elektromagnetinio lauko teorijos pagrįstumo įrodymas, apie Maksvelo lygčių neišsemiamumą rašė: „Negalite studijuoti šios nuostabios teorijos, kartais nepatirdami jausmo, kad matematinės formulės gyvos. savo gyvenimą, turi savo protą - atrodo, kad „šios formulės yra protingesnės už mus, protingesnės net už patį autorių, tarsi jos duoda mums daugiau, nei jose buvo iš pradžių“.

Lauko sklidimo procesas tęsis neribotą laiką neslopintos bangos pavidalu – tuštumos magnetinio lauko energija visiškai paverčiama elektros energija, ir atvirkščiai. Tarp konstantų, įtrauktų į lygtis, buvo konstanta c; Maksvelas nustatė, kad jo vertė lygiai tokia pati kaip šviesos greitis. Į šį sutapimą buvo neįmanoma nekreipti dėmesio. Taigi šviesos bangose ​​virpesius sukelia elektrinių ir magnetinių laukų intensyvumas, o bangos nešėja yra pati erdvė, kuri yra įtampos būsenoje.

Šviesos banga yra elektromagnetinė banga,„bėgdamas erdvėje ir atskirtas nuo jį skleidžiančių užtaisų“, kaip sakė Weiskopf. Jis palygino Maxwello atradimo svarbą su Niutono gravitacijos dėsnio atradimu. Niutonas susiejo planetų judėjimą su gravitacija Žemėje ir atrado pagrindinius dėsnius, reguliuojančius mechaninį masių judėjimą veikiant jėgoms. Maksvelas sujungė optiką su elektra ir išvedė pagrindinius dėsnius (Maksvelo lygtis), reguliuojančius elektrinių ir magnetinių laukų elgesį bei jų sąveiką su krūviais ir magnetais. Niutono darbai paskatino įvesti visuotinio gravitacijos dėsnio sampratą, Maksvelo darbus – elektromagnetinio lauko sampratą ir nustatyti jo sklidimo dėsnius. Jei elektromagnetinis laukas gali egzistuoti nepriklausomai nuo medžiagos nešiklio, tai tolimojo nuotolio veiksmas turi užleisti vietą trumpojo nuotolio veikimui, laukams, sklindantiems erdvėje ribotu greičiu. Idėjos apie poslinkio srovę (1861 m.), elektromagnetines bangas ir elektromagnetinę šviesos prigimtį (1865 m.) buvo tokios drąsios ir neįprastos, kad net naujos kartos fizikai ne iš karto priėmė Maksvelo teoriją. 1888 metais G. Hercas atrado elektromagnetinės bangos, tačiau tokį aktyvų Maksvelo teorijos priešininką kaip W. Thomsonas (Kelvinas) galėjo įtikinti tik P. N. Lebedevo, atradusio egzistavimą lengvas spaudimas.

viduryje, XIX a. Maxwellas sujungė elektrą ir magnetizmą į vieningą lauko teoriją. Elektros krūvis siejamas su elementariosiomis dalelėmis, iš kurių žinomiausios – elektronas ir protonas – turi tą patį krūvį. e, tai universali gamtos konstanta. SI = 1,6 10 -19 Cl. Nors magnetiniai krūviai dar nebuvo atrasti, teoriškai jie jau atsiranda. Anot fiziko Dirako, magnetinių krūvių dydis turėtų būti elektronų krūvio kartotinis

Tolesni tyrimai elektromagnetinio lauko srityje sukėlė prieštaravimų su klasikinės mechanikos koncepcijomis, kurias olandų fizikas X.A bandė pašalinti matematiškai derindamas teorijas. Lorencas. Jis pristatė inercinių sistemų koordinačių transformacijas, kuriose, skirtingai nei klasikinėse Galilėjaus transformacijose, buvo konstanta - šviesos greitis, kuris buvo susijęs su lauko teorija. Laiko ir ilgio skalės pasikeitė greičiu, artimu šviesos greičiui. Šių Lorenco transformacijų fizinę prasmę 1905 metais paaiškino tik A. Einšteinas savo veikale „Apie judančių kūnų elektrodinamiką“, kuris sudarė specialiosios reliatyvumo teorijos (STR), arba reliatyvistinės mechanikos, pagrindą.

Gamtos mokslas ne tik nustato materialių Visatos objektų tipus, bet ir atskleidžia ryšius tarp jų. Ryšys tarp objektų holistinėje sistemoje yra tvarkingesnis, stabilesnis nei ryšys tarp kiekvieno elemento ir elementų iš išorinės aplinkos. Norint sunaikinti sistemą, atskirti nuo sistemos vieną ar kitą elementą, reikia jai pritaikyti tam tikrą energiją. Ši energija turi skirtingas vertes ir priklauso nuo sistemos elementų sąveikos tipo. Megapasaulyje šias sąveikas užtikrina gravitacija makropasaulyje prie gravitacijos pridedama elektromagnetinė sąveika, kuri tampa pagrindine, kaip stipresnė. Mikrokosme, esant atomo dydžiui, atsiranda dar stipresnė branduolinė sąveika, užtikrinanti atomo branduolių vientisumą. Pereinant prie elementariųjų dalelių, vidinių ryšių energijos, žinome, kad natūralios medžiagos yra cheminiai elementų junginiai, sukurti iš atomų ir surinkti į periodinę lentelę. Kurį laiką buvo manoma, kad atomai yra elementari visatos statybinė medžiaga, bet tada buvo nustatyta, kad atomas atstovauja „visai Visatai“ ir susideda iš dar svarbesnių tarpusavyje sąveikaujančių dalelių: protonų, elektronų, neutronų, mezonų. ir kt. Dalelių, pretenduojančių būti elementariomis, daugėja, bet ar tikrai jos tokios elementarios?

Niutono mechanika buvo priimta, tačiau jėgų, sukeliančių pagreičius, kilmė nebuvo aptarta. Gravitacinės jėgos veikia per tuštumą, jos yra toli, o elektromagnetinės jėgos veikia per terpę. Šiuo metu visos sąveikos gamtoje yra sumažintos iki keturių tipų: gravitacinės, elektromagnetinės, stiprios branduolinės ir silpnosios branduolinės.

Gravitacija(iš lat. gravitas- sunkumas) istoriškai yra pirmoji ištirta sąveika. Sekdami Aristoteliu, jie tikėjo, kad visi kūnai linkę į „savo vietą“ (sunkieji - žemyn į Žemę, lengvi - į viršų). XVII-XVIII amžių fizika. buvo žinomos tik gravitacinės sąveikos. Pasak Niutono, dvi taškinės masės traukia viena kitą jėga, nukreipta išilgai jas jungiančios tiesės: Minuso ženklas rodo, kad mes susiduriame su patrauklumu, r- atstumas tarp kūnų (manoma, kad kūnų dydis yra daug mažesnis r), t 1 ir t 2 - kūno masės Didumas G- universali konstanta, kuri lemia gravitacinių jėgų vertę. Jei kūnai, sveriantys 1 kg, yra 1 m atstumu vienas nuo kito, tada traukos jėga tarp jų yra lygi 6,67 10 -11 N. Gravitacija yra universali, jai pavaldūs visi kūnai ir net pati dalelė yra gravitacijos šaltinis. Jei vertė G buvo didesnis, tada jėgos padidėtų, bet G yra labai maža, o gravitacinė sąveika subatominių dalelių pasaulyje yra nereikšminga, o tarp makroskopinių kūnų ji vos pastebima. Cavendish sugebėjo išmatuoti vertę G, naudojant sukimo svarstykles. Universalumas yra pastovus G reiškia, kad bet kurioje Visatoje ir bet kuriuo laiko momentu traukos jėga tarp kūnų, sveriančių 1 kg, atskirtų 1 m atstumu, bus vienoda. Todėl galime sakyti, kad vertė G lemia gravitacinių sistemų sandarą. Gravitacija, arba gravitacija, nėra labai reikšminga sąveikaujant tarp mažų dalelių, tačiau ji laiko planetas, visą Saulės sistemą ir galaktikas. Mes nuolat jaučiame gravitaciją savo gyvenime. Įstatymas nustatė gravitacinės jėgos tolimąjį pobūdį ir pagrindinę gravitacinės sąveikos savybę – jos universalumą.

Einšteino gravitacijos teorija (GTR) duoda skirtingus rezultatus nei Niutono dėsnis stipriuose gravitaciniuose laukuose, silpnuose – abi teorijos sutampa. Pagal GTR, gravitacija- Tai yra erdvės-laiko kreivumo pasireiškimas. Kūnai juda išlenktomis trajektorijomis ne todėl, kad juos veikia gravitacija, o todėl, kad jie juda lenktu erdvėlaikiu. Jie juda „trumpiausiu keliu, o gravitacija yra geometrija“. Erdvės ir laiko kreivumo įtaką galima aptikti ne tik šalia griūvančių objektų, tokių kaip neutroninės žvaigždės ar juodosios skylės. Tai, pavyzdžiui, Merkurijaus orbitos precesija arba laiko išsiplėtimas Žemės paviršiuje (žr. 2.3 pav. V). Einšteinas parodė, kad gravitaciją galima apibūdinti kaip pagreitinto judėjimo atitikmenį.

Siekdamas išvengti Visatos suspaudimo veikiant savaiminei gravitacijai ir užtikrinti jos stacionarumą, jis pristatė galimą gravitacijos šaltinį, pasižymintį neįprastomis savybėmis, lemiančius materijos „išstūmimą“, o ne jos koncentraciją, ir atstūmimo jėgą. didėja didėjant atstumui. Tačiau šios savybės gali pasireikšti tik labai dideliame Visatos mastelyje. Atstūmimo jėga yra neįtikėtinai maža ir nepriklauso nuo atstumiančios masės; jis pavaizduotas forma kur T - atstumto objekto masė; r- jo atstumas nuo atstumiančio kūno; L- pastovus. Šiuo metu yra nustatyta viršutinė riba L= 10 -53 m -2, t.y. dviejų kūnų, sveriančių po 1 kg, esančių 1 m atstumu, traukos jėga viršija kosminį atstūmimą mažiausiai 10 25 kartus. Jei dvi galaktikos, kurių masė 10 41 kg, yra 10 milijonų šviesos atstumu. metų (apie 10 22 m), tai jiems traukos jėgos būtų maždaug subalansuotos atstūmimo jėgomis, jei vertė L tikrai arti nurodytos viršutinės ribos. Šis dydis dar nebuvo išmatuotas, nors jis yra svarbus didelio masto Visatos struktūrai kaip esminis.

Elektromagnetinė sąveika, sukeltas elektros ir magnetinių krūvių, neša fotonai. Krūvių sąveikos jėgos kompleksiškai priklauso nuo krūvių padėties ir judėjimo. Jei du mokesčiai q 1 ir q 2 nejudantis ir susikaupęs taškuose, esančiuose atstumu r, tada sąveika tarp jų yra elektrinė ir nulemta Kulono dėsnio: Priklausomai išįkrovimo ženklai q 1 Ir q 2 elektrinės sąveikos jėga, nukreipta išilgai tiesės, jungiančios krūvius, bus traukos arba atstūmimo jėga. Čia žymima elektrostatinės sąveikos intensyvumą lemianti konstanta 8,85 10 -12 F/m. Taigi du 1 C krūviai, atskirti 1 m, patirs 8,99 10 9 N jėgą. Elektros krūvis visada siejamas su elementariosiomis dalelėmis. Garsiausių iš jų - protono ir elektrono - krūvio skaitinė vertė yra ta pati: tai yra universali konstanta e = 1,6 10 -19 klasė. Protono krūvis laikomas teigiamu, o elektrono – neigiamu.

Magnetines jėgas sukuria elektros srovės – elektros krūvių judėjimas. Yra bandymų suvienodinti teorijas, atsižvelgiant į simetrijas, kuriose prognozuojamas magnetinių krūvių (magnetinių monopolių) egzistavimas, tačiau jie dar nebuvo atrasti. Todėl vertė e lemia magnetinės sąveikos intensyvumą. Jei elektros krūviai juda su pagreičiu, jie spinduliuoja – išskiria energiją šviesos, radijo bangų ar rentgeno spindulių pavidalu, priklausomai nuo dažnių diapazono. Beveik visi mūsų pojūčiais suvokiami informacijos nešėjai yra elektromagnetinio pobūdžio, nors kartais pasireiškia sudėtingomis formomis. Elektromagnetinės sąveikos lemia atomų sandarą ir elgseną, saugo atomus nuo skilimo ir yra atsakingos už ryšius tarp molekulių, t.y., už cheminius ir biologinius reiškinius.

Gravitacija ir elektromagnetizmas yra didelio nuotolio jėgos, besitęsiančios visoje Visatoje.

Stiprios ir silpnos branduolinės jėgos- trumpo nuotolio ir atsiranda tik atomo branduolio dydžiu, t.y. 10–14 m plotuose.

Silpna branduolinė sąveika yra atsakinga už daugelį procesų, sukeliančių kai kurių tipų elementariųjų dalelių branduolinį skilimą (pavyzdžiui, (3 skilimas - neutronų pavertimas protonais), kurių veikimo diapazonas yra beveik taškas: apie 10–18 m. Jis stipriau veikia dalelių virsmą nei jų judėjimą, todėl jo efektyvumą lemia konstanta, susijusi su skilimo greičiu - universalus pastovus ryšys g(W), nustatant procesų, tokių kaip neutronų skilimas, greitį. Silpną branduolinę sąveiką vykdo vadinamieji silpnieji bozonai, o kai kurios subatominės dalelės gali virsti kitomis. Nestabilių subbranduolinių dalelių atradimas atskleidė, kad silpna jėga sukelia daugybę transformacijų. Supernovos yra vienas iš nedaugelio pastebėtų silpnos sąveikos atvejų.

Stipri branduolinė jėga neleidžia irti atomo branduoliams, o be jos branduoliai suirtų dėl protonų elektrinio atstūmimo jėgų. Kai kuriais atvejais reikšmė įvedama ją apibūdinti g(S), panašus į elektros krūvį, bet daug didesnis. Stipri gliuonų sąveika smarkiai sumažėja iki nulio už maždaug 10–15 m spindulio srities. Ji sujungia kvarkus, sudarančius protonus, neutronus ir kitas panašias daleles, vadinamas hadronais. Jie sako, kad protonų ir neutronų sąveika yra jų vidinės sąveikos atspindys, tačiau kol kas šių giluminių reiškinių vaizdas nuo mūsų yra paslėptas. Jis siejamas su Saulės ir žvaigždžių išskiriama energija, transformacijomis branduoliniuose reaktoriuose ir energijos išsiskyrimu. Išvardytos sąveikos rūšys, matyt, turi skirtingą pobūdį. Iki šiol neaišku, ar visos sąveikos gamtoje jų išnaudotos. Stipriausia yra trumpojo nuotolio stiprioji sąveika, elektromagnetinė sąveika silpnesnė 2 laipsniais, silpnoji – 14 dydžių, o gravitacinė – 39 laipsniais. Atsižvelgiant į sąveikos jėgų dydį, jos atsiranda skirtingu laiku. Stipri branduolinė sąveika atsiranda, kai dalelės susiduria beveik šviesos greičiu. Reakcijos laikas, nustatytas padalijus jėgų veikimo spindulį iš šviesos greičio, duoda 10–23 s eilės reikšmę. Silpni sąveikos procesai vyksta per 10–9 s, o gravitaciniai – maždaug per 10 16 s, arba 300 milijonų metų.

„Atvirkštinis kvadrato dėsnis“, pagal kurį taškinės gravitacinės masės arba elektros krūviai veikia vienas kitą, išplaukia, kaip parodė P. Ehrenfestas, iš erdvės trimačio (1917). Kosmose n matavimai, taškinės dalelės sąveikautų pagal atvirkštinės galios dėsnį ( n– 1). Už n = 3, galioja atvirkštinis kvadrato dėsnis, nes 3 - 1 = 2. O esant u = 4, atitinkančiam atvirkštinį kubo dėsnį, planetos judėtų spiralėmis ir greitai įkristų į Saulę. Atomuose, turinčiuose daugiau nei tris matmenis, taip pat nebūtų stabilių orbitų, ty nebūtų cheminių procesų ir gyvybės. Kantas taip pat nurodė ryšį tarp erdvės trimačio ir gravitacijos dėsnio.

Be to, galima parodyti, kad bangų sklidimas gryna forma yra neįmanomas erdvėje su lyginiu matmenų skaičiumi – atsiranda iškraipymų, kurie suardo bangos nešamą struktūrą (informaciją). To pavyzdys yra bangos sklidimas ant guminės dangos (per matmenų paviršių n= 2). 1955 metais matematikas H. J. Withrow padarė išvadą, kad kadangi gyviems organizmams reikia perduoti ir apdoroti informaciją, aukštesnės gyvybės formos negali egzistuoti lygių matmenų erdvėse. Ši išvada taikoma mums žinomoms gyvybės formoms ir gamtos dėsniams ir neatmeta kitų, kitokios prigimties pasaulių egzistavimo.

Niutono ir P. Laplaso nuomone, mechanika kaip universali fizinė teorija buvo išsaugota. XIX amžiuje šią vietą užėmė mechaninis pasaulio vaizdas, apimantis mechaniką, termodinamiką ir kinetinę materijos teoriją, elastinę šviesos ir elektromagnetizmo teoriją. Elektrono atradimas paskatino idėjų peržiūrą. Amžiaus pabaigoje H. Lorentzas sukūrė savo elektronų teoriją, apimančią visus gamtos reiškinius, tačiau to nepasiekė. Problemos, susijusios su krūvio diskretiškumu ir lauko tęstinumu, ir problemos radiacijos teorijoje („ultravioletinė katastrofa“) paskatino sukurti kvantinio lauko vaizdą apie pasaulį ir kvantinę mechaniką. Sukūrus SRT, buvo tikimasi, kad elektromagnetinis pasaulio paveikslas, apjungiantis reliatyvumo teoriją, Maksvelo teoriją ir mechaniką, gali suteikti visuotinį gamtos pasaulio aprėptį, tačiau ši iliuzija netrukus buvo išsklaidyta.

Daugelis teoretikų bandė aprėpti gravitaciją ir elektromagnetizmą vieningomis lygtimis. Einšteino, įvedusio keturmatę erdvėlaikį, įtakoje buvo kuriamos daugiamatės lauko teorijos, bandant reiškinius redukuoti iki geometrinių erdvės savybių.

Suvienijimas buvo atliktas remiantis nustatyta šviesos greičio nepriklausomybe skirtingiems stebėtojams, judantiems tuščioje erdvėje, nesant išorinių jėgų. Einšteinas pavaizduotas pasaulio linija objektas plokštumoje, kur erdvinė ašis nukreipta horizontaliai, o laiko ašis – vertikaliai. Tada vertikali linija yra objekto, kuris yra ramybės būsenoje tam tikroje atskaitos sistemoje, pasaulio linija, o pasvirusi linija yra objekto, judančio pastoviu greičiu, pasaulio linija. Išlenkta pasaulio linija atitinka objektą, judantį su pagreičiu. Bet kuris taškas šioje plokštumoje atitinka padėtį tam tikroje vietoje tam tikru laiku ir yra vadinamas įvykis.Šiuo atveju gravitacija nebėra jėga, veikianti pasyvų erdvės ir laiko foną, o reiškia paties erdvės-laiko iškraipymą. Juk gravitacinis laukas yra erdvėlaikio „kreivumas“.

Norint nustatyti ryšį tarp atskaitos sistemų, judančių viena kitos atžvilgiu, būtina matuoti erdvinius intervalus tais pačiais vienetais kaip ir laiko vienetai. Tokio perskaičiavimo daugiklis gali būti šviesos greitis, susieti atstumą su laiku, per kurį šviesa nukeliauja šį atstumą. Tokioje sistemoje 1 m yra lygus 3,33 ne (1 not = 10 -9 s). Tada fotono pasaulio linija praeis 45° kampu, o bet kurio materialaus objekto – mažesniu kampu (nes jo greitis visada mažesnis už šviesos greitį). Kadangi erdvinė ašis atitinka tris Dekarto ašis, materialių kūnų pasaulio linijos bus kūgio, aprašyto fotonų pasaulio linija, viduje. 1919 m. Saulės užtemimo stebėjimų rezultatai atnešė Einšteinui pasaulinę šlovę. Žvaigždžių poslinkiai, kuriuos Saulės apylinkėse galima pamatyti tik užtemimo metu, sutapo su Einšteino gravitacijos teorijos prognozėmis. Taigi jo geometrinis požiūris į gravitacijos teorijos konstravimą buvo patvirtintas įspūdingais eksperimentais.

Tais pačiais 1919 m., kai pasirodė bendroji reliatyvumo teorija, Karaliaučiaus universiteto privatus docentas T. Kaluza atsiuntė Einšteinui savo darbą, kuriame pasiūlė penktoji dimensija. Bandydamas rasti pagrindinį visų sąveikų principą (tuo metu buvo žinomi du - gravitacija ir elektromagnetizmas), Kaluza parodė, kad juos galima vienodai išvesti penkiamatėje bendrojoje reliatyvumo teorijoje. Penktosios dimensijos dydis neturėjo reikšmės suvienijimo sėkmei ir, ko gero, jis toks mažas, kad jo neįmanoma aptikti. Tik po dvejų metų susirašinėjimo su Einšteinu straipsnis buvo paskelbtas. Švedų fizikas O. Kleinas pasiūlė pagrindinės kvantinės mechanikos lygties modifikaciją su penkiais kintamaisiais vietoj keturių (1926). Jis „sugriovė“ mūsų nesuvokiamus erdvės matmenis iki labai mažo dydžio (pavyzdžiui, neatsargiai išmestos laistymo žarnos, kuri iš tolo atrodo kaip vingiuota linija, bet iš arti kiekvienas jos taškas pasirodo kaip būti ratas). Šių savotiškų kilpų matmenys yra 10–20 kartų mažesni už atomo branduolio dydį. Todėl penktoji dimensija nėra stebima, bet įmanoma.

Sovietų mokslininkai G.A. prisidėjo prie penkiamatės teorijos kūrimo. Mandelis ir V.A. Fok. Jie parodė, kad įkrautos dalelės trajektorija penkiamatėje erdvėje gali būti griežtai apibūdinta kaip geodezinė linija (iš graikų k. geodaisia- žemės padalijimas) arba trumpiausias kelias tarp dviejų paviršiaus taškų, t. y. penktoji dimensija gali būti fiziškai reali. Jis nebuvo aptiktas dėl Heisenbergo neapibrėžtumo santykio, kuris kiekvieną dalelę vaizduoja bangos paketo pavidalu, užimančiu erdvėje sritį, kurios dydis priklauso nuo dalelės energijos (kuo didesnė energija, tuo mažesnis jos tūris). regionas). Jei penktoji dimensija yra sulankstyta į mažą apskritimą, tai norint jį aptikti, jį apšviečiančios dalelės turi turėti didelę energiją. Greitintuvai sukuria dalelių pluoštus, kurių skiriamoji geba yra 10–18 m. Todėl, jei apskritimas penktoje dimensijoje yra mažesnių matmenų, jo dar negalima aptikti.

Sovietų profesorius Yu.B. Rumeris savo penkiamatėje teorijoje parodė, kad penktajam matmeniui galima suteikti prasmę veiksmus. Iš karto pasirodė bandymai vizualizuoti šią penkiamatę erdvę, kaip ir anksčiau Einšteino pristatytą keturių dimensijų erdvėlaikį. Vienas iš šių bandymų yra „lygiagrečių“ pasaulių egzistavimo hipotezė. Nebuvo sunku įsivaizduoti keturmatį rutulio atvaizdą: tai jo atvaizdų rinkinys kiekviename laiko taške - rutulių „vamzdis“, besitęsiantis iš praeities į ateitį. O penkiamatis rutulys jau yra laukas, absoliučiai identiškų pasaulių plokštuma. Visuose pasauliuose, kurie turi nuo trijų iki penkių dimensijų, net viena priežastis, net jei atsitiktinė, gali sukelti keletą pasekmių. Šešių matmenų Visata, kurią sukūrė išskirtinis sovietų lėktuvų dizaineris L.R. Bartini, apima tris erdvinius ir tris laiko matmenis. Bartiniui laiko trukmė yra trukmė, plotis – parinkčių skaičius, aukštis – laiko greitis kiekviename iš galimų pasaulių.

Kvantinės gravitacijos teorija turėjo sujungti bendrąją reliatyvumo teoriją ir kvantinę mechaniką. Visatoje, kuriai galioja kvantinės gravitacijos dėsniai, erdvės laiko kreivė ir jos struktūra turi svyruoti kvantinis pasaulis niekada nebūna ramybės. O praeities ir ateities sampratos, įvykių seka tokiame pasaulyje taip pat turėtų skirtis. Šie pokyčiai dar nebuvo aptikti, nes kvantiniai efektai atsiranda itin mažu mastu.

50-aisiais XX amžiuje R. Feynmanas, Y. Schwingeris ir S. Tomogawa savarankiškai kūrė kvantinę elektrodinamiką, jungdami kvantinę mechaniką su reliatyvistinėmis sąvokomis ir paaiškindami daugybę efektų, gautų tiriant atomus ir jų spinduliuotę. Tada buvo sukurta silpnosios sąveikos teorija ir parodyta, kad elektromagnetizmą galima matematiškai suvienodinti tik su silpna jėga. Vienas jo autorių, Pakistano fizikas teorinis A. Salamas rašė: „Einšteino pasiekimo paslaptis yra ta, kad jis suvokė esminę krūvio svarbą gravitacinėje sąveikoje. Ir kol nesuvoksime krūvių prigimties elektromagnetinėje, silpnoje ir stiprioje sąveikoje taip giliai, kaip Einšteinas suprato gravitacijos atžvilgiu, mažai vilčių, kad pavyks galutinai susivienyti... Norėtume ne tik tęsti Einšteino bandymus, kurių jam nepavyko. , bet į šią programą įtraukite ir kitus mokesčius.

Atgijo domėjimasis daugiamatėmis teorijomis, o Einšteino, Bergmano, Kaluzos, Rumerio ir Jordano darbai vėl pradėjo suktis. Sovietų fizikų (L.D. Landau, I.Ya. Pomeranchuk, E.S. Fradkin) darbai rodo, kad 10 -33 cm atstumu kvantinėje elektrodinamikoje atsiranda nepašalinami prieštaravimai (divergencijos, anomalijos, visi krūviai tampa lygūs nuliui). Daugelis mokslininkų dirbo kurdami idėjas, kaip sukurti vieningą teoriją. S. Weinbergas, A. Salamas ir S. Glashowas parodė, kad elektromagnetizmą ir silpną branduolinę jėgą galima laikyti tam tikros „elektros silpnosios“ jėgos pasireiškimu ir kad tikrieji stiprios jėgos nešėjai yra kvarkai. Sukurta teorija - kvantinė chromodinamika- iš kvarkų sukonstravo protonus ir neutronus ir suformavo vadinamąjį standartinį elementariųjų dalelių modelį.

Planckas taip pat atkreipė dėmesį į esminį dydžių, sudarytų iš trijų konstantų, apibrėžiančių pagrindines teorijas – STR (šviesos greitis c), kvantinės mechanikos (Planko konstanta). h) ir Niutono gravitacijos teorija (gravitacinė konstanta G). Iš jų derinio galite gauti tris kiekius (Planckis) Su

masės, laiko ir ilgio matmenys

5 10 93 g/cm 3 . Planko ilgis sutampa su kritiniu atstumu, kuriam esant kvantinė elektrodinamika netenka prasmės. Dabar geometrija nustatyta tik didesniais nei 10–16 cm atstumais, kurie yra 17 dydžių kategorijų didesni nei Plancko! Sąveikų suvienodinimas yra būtinas norint pašalinti teorijos divergencijas ir anomalijas – problema buvo dalelių kaip taškų apibrėžimas ir jų erdvės-laiko iškraipymas. Ir jie pradėjo to ieškoti pasitelkdami aukštesnės simetrijos idėjas. Šios idėjos 80-aisiais sulaukė „antrojo vėjo“. XX amžiuje didžiosiose GUT ir supergravitacijos suvienijimo teorijose. GUT yra teorija, leidžianti suvienodinti visas sąveikas, išskyrus gravitacines. Jei pavyks su ja sujungti gravitacinę sąveiką, gausime visko, kas egzistuoja teoriją (TVS). Tada pasaulis bus apibūdintas vienodai. Tokios „supergalios“ paieškos tęsiasi.

Supergravitacijos teorijos, konstruodamos bendrąjį reliatyvumą, naudoja daugiamates konstrukcijas, būdingas geometriniam požiūriui. Galite sukurti pasaulį iš skirtingų matmenų skaičiaus (jie naudoja 11 ir 26 dimensijų modelius), tačiau 11 dimensijos yra įdomiausios ir gražiausios matematiniu požiūriu: 7 yra mažiausias paslėptų matmenų skaičius. erdvėlaikis, leidžiantis į teoriją įtraukti tris negravitacines jėgas, o 4 yra įprasti erdvės laiko matmenys. Keturios žinomos sąveikos traktuojamos kaip geometrinės struktūros, turinčios daugiau nei penkis matmenis.

Superstygų teorija buvo sukurta nuo devintojo dešimtmečio vidurio. XX amžiuje kartu su supergravitacija. Šią teoriją pradėjo plėtoti anglų mokslininkas M. Greenas ir amerikiečių mokslininkas J. Schwartzas. Vietoj taško jie susiejo daleles su vienama styga, patalpinta daugiamatėje erdvėje. Ši teorija, taškines daleles pakeitusi mažytėmis energijos kilpomis, pašalino skaičiavimuose kylančius absurdus. Kosminės stygos - tai egzotiški nematomi dariniai, sugeneruoti elementariųjų dalelių teorijos. Ši teorija atspindi hierarchinį pasaulio supratimą – galimybę, kad fizinei tikrovei nėra galutinio pagrindo, o tik seka vis smulkesnių dalelių. Yra labai masyvių dalelių ir apie tūkstantis dalelių be masės. Kiekviena styga, turinti Plancko dydį (10–33 cm), gali turėti be galo daug virpesių tipų (arba režimų). Kaip smuiko stygų vibracija sukuria įvairius garsus, taip ir šių stygų vibracija gali generuoti visas jėgas ir daleles. Superstygos leiskite mums suprasti chiralumą (iš graikų k. cheir- ranka), o supergravitacija negali paaiškinti skirtumo tarp kairės ir dešinės - joje yra lygios kiekvienos krypties dalelių dalys. Superstygų teorija, kaip ir supergravitacija, siejama ne su patirtimi, o su anomalijų ir divergencijų pašalinimu, kas labiau būdinga matematikai.

Amerikiečių fizikas E. Wittenas padarė išvadą, kad superstygų teorija yra pagrindinė fizikos ateities viltis, ji ne tik atsižvelgia į gravitacijos galimybę, bet ir teigia, kad ji egzistuoja, o gravitacija yra superstygų teorijos pasekmė. Jo technologija, pasiskolinta iš topologijos ir kvantinio lauko teorijos, leidžia atrasti gilias simetrijas tarp didelės apimties susipynusių mazgų. Buvo nustatytas palyginti nuoseklią teoriją atitinkantis matmuo, lygus 506.

Naudojant superstygų teoriją, galima paaiškinti „nesulaužytą“ materijos pasiskirstymą Visatoje. Superstygos yra gijos, likusios iš naujai gimusios Visatos materijos. Jie yra neįtikėtinai judrūs ir tankūs, išlenkia aplink juos esančią erdvę, formuoja kamuoliukus ir kilpas, o masyvios kilpos gali sukurti pakankamai stiprų gravitacinį trauką, kad gimtų elementarios dalelės, galaktikos ir galaktikų spiečius. Iki 1986 m. buvo paskelbta daug straipsnių apie kosmines stygas, nors jos pačios dar nebuvo atrastos. Manoma, kad superstygas galima rasti pagal jų sukeliamą erdvės kreivumą, veikiantį kaip gravitacinis lęšis, arba pagal jų skleidžiamas gravitacines bangas. Superstygų evoliucija žaidžiama kompiuteriuose, o ekrane atsiranda paveikslėliai, atitinkantys stebimus erdvėje – ten taip pat susidaro gijos, sluoksniai ir milžiniškos tuštumos, kuriose galaktikų praktiškai nėra.

Ši nepaprasta kosmologijos ir dalelių fizikos konvergencija per pastaruosius 30 metų leido suprasti erdvės-laiko ir materijos gimimo procesų esmę per trumpą intervalą nuo 10 -43 iki 10 -35 s po pirminio singuliarumo. , paskambino Didysis sprogimas. Matmenų skaičius 10 (supergravitacija) arba 506 (superstyginių teorija) nėra galutinis, tačiau gali atsirasti sudėtingesnių geometrinių vaizdų, tačiau daug papildomų matmenų nėra tiesiogiai aptinkama. Tikroji Visatos geometrija tikriausiai neturi trijų erdvinių matmenų, kas būdinga tik mūsų metagalaktikai – stebimai Visatos daliai.

Ir visi jie, išskyrus tris, Didžiojo sprogimo metu (prieš 10–15 milijardų metų) susisuko iki Planko dydžių. Dideliais atstumais (iki Metagalaktikos dydžio 10 28 cm) geometrija yra euklidinė ir trimatė, o Planko atstumais – neeuklidinė ir daugiamatė. Manoma, kad šiuo metu kuriamos Teorijos apie viską, kas egzistuoja (TEC) turėtų apjungti visų esminių dalelių sąveikų aprašymus.

Tyrimo dalyko sutapimas pakeitė nusistovėjusią mokslų metodiką. Astronomija buvo laikoma stebėjimo mokslu, o greitintuvai – dalelių fizikos įrankiu. Dabar jie pradėjo daryti prielaidas apie dalelių savybes ir jų sąveiką kosmologijoje, o dabartinei mokslininkų kartai tapo įmanoma jas išbandyti. Taigi iš kosmologijos išplaukia, kad pagrindinių dalelių skaičius turėtų būti mažas. Ši prognozė buvo susijusi su nukleonų pirminės sintezės procesų analize, kai Visatos amžius buvo apie 1 s, ir buvo atlikta tuo metu, kai atrodė, kad pasiekus didesnes galias greitintuvuose, jų skaičius padidės. elementariųjų dalelių. Jei būtų daug dalelių, Visata dabar būtų kitokia.