Fiziksel alanların matematiksel açıklaması. Moskova Devlet Baskı Sanatları Üniversitesi

Fiziksel alan- Bu, uzayın her noktasında var olan ve bu alanı yaratan maddeyle ilgili özelliğe sahip bir maddeyi etkileyerek kendini gösteren özel bir madde şeklidir. Temel fark pürüzsüzlüktür.

gövde + yük alanı gövde + yük

Fiziksel alanların özellikleri

Maddenin ve alanın davranışında temel bir fark vardır. Maddenin kapladığı hacmin her zaman keskin bir sınırı vardır, ancak alan prensipte keskin bir sınıra sahip olamaz; noktadan noktaya düzgün bir şekilde değişir.

Uzayın bir noktasında birbirini etkilemeyen sonsuz sayıda fiziksel alan bulunabilir.

Alan ve madde birbirini karşılıklı olarak etkileyebilir.

Alanların matematiksel sınıflandırması

Elektromanyetik alan- bu, uzaydaki her noktadaki E ve H vektörlerinin değeri ile karakterize edilen özel bir madde şeklidir.

Alanlar şu şekilde ayrılır: skaler, vektör, tensör.

Skaler alanlar uzaydaki her noktaya sürekli olarak dağıtılan bir tanım alanına sahip belirli bir skaler fonksiyondur.

Skaler alan, aşağıdaki denklemle verilen seviye yüzeyi ile karakterize edilir:

(1.1)

Vektör alanı uzaydaki her noktada belirlenen bir tanım alanına sahip sürekli bir vektör miktarıdır.

HAKKINDA Bu alanın temel özelliği bir vektör çizgisidir. Bu, her noktada alan vektörünün teğetsel olarak yönlendirildiği bir çizgidir.

Enerji hatlarının fiziksel kaydı:

(1.2)

Tensör alanı uzayda dağıtılan sürekli bir tensör miktarıdır.

tensör
(1.3)

Fiziksel alanların farklı özellikleri

Gradyan bir skaler alanın vektör özelliğidir. Bir skaler fonksiyonun gradyanı, bu fonksiyonun düz yüzeye normal yönünde türevine sayısal olarak eşit olan ve bu normal boyunca yönlendirilen bir vektördür.

(1.4)

Degrade özellikleri:

gradyan sayısal olarak fonksiyonun maksimum değişim hızına eşittir.

D oluşturma:

(1.5)

Gradyanın yönü, fonksiyondaki en hızlı değişimin yönü ile çakışmaktadır.

(1.6)

Iraksama bir vektör alanının skaler bir özelliğidir. Vektör alanı sapması kapalı bir yüzey boyunca akı oranının sınırıdır S bu yüzeyin içerdiği hacme kadar.

(1.7)

- belirli bir akış

(1.8)

D Iraksama, alanın bir noktasında (alanın başladığı veya bittiği yerde) kaynakların varlığını veya yokluğunu karakterize eder.

Eğer herhangi bir noktada
, o zaman bu noktada alanın kaynağı yani başlangıcı ve alanın bittiği yer bulunur
ve bu noktaya drenaj denir. Kaynakların olmadığı bir noktada
.

hareketlerinin parametreleri (hız, momentum, açısal momentum), enerjilerini değiştirirler, iş yaparlar vb. Ve bu genel olarak açık ve anlaşılırdı. Ancak elektriğin ve manyetizmanın doğasının incelenmesiyle, elektrik yüklerinin doğrudan temas olmadan birbirleriyle etkileşime girebileceği anlayışı ortaya çıktı. Bu durumda kısa menzilli eylem kavramından temassız uzun menzilli eyleme geçiyor gibiyiz. Bu alan kavramına yol açtı.

Bu kavramın resmi tanımı şu şekildedir: fiziksel alan, maddenin parçacıklarını (nesnelerini) birleşik sistemlere bağlayan ve bir parçacığın hareketini sonlu bir hızda diğerine ileten özel bir madde biçimidir. Doğru, daha önce de belirttiğimiz gibi, bu tür tanımlar çok geneldir ve kavramın derin ve somut pratik özünü her zaman belirlemez. Fizikçiler, cisimlerin fiziksel temas etkileşimi fikrinden vazgeçmede zorluk yaşadılar ve çeşitli olayları açıklamak için elektrik ve manyetik "sıvı" gibi modelleri tanıttılar; titreşimleri yaymak için ortamdaki parçacıkların mekanik titreşimleri fikrini kullandılar - modeller termal olaylarda eter, optik sıvılar, kalori, flojiston, bunları mekanik bir bakış açısıyla da tanımladı ve hatta biyologlar canlı organizmalardaki süreçleri açıklamak için "hayati kuvvet" kavramını ortaya attılar. Bütün bunlar, eylemin maddi (“mekanik”) bir ortam aracılığıyla aktarımını tanımlama girişimlerinden başka bir şey değildir.

Bununla birlikte, Faraday'ın (deneysel olarak), Maxwell'in (teorik olarak) ve diğer birçok bilim insanının çalışmaları, elektromanyetik alanların (boşluk dahil) var olduğunu ve elektromanyetik salınımları iletenlerin onlar olduğunu gösterdi. Görünür ışığın belirli bir titreşim frekansı aralığında aynı elektromanyetik titreşimler olduğu ortaya çıktı. Elektromanyetik dalgaların titreşim ölçeğinde çeşitli türlere ayrıldığı bulunmuştur: radyo dalgaları (10 3 - 10 -4), ışık dalgaları (10 -4 - 10 -9 m), IR (5 × 10 -4 - 8 ×) 10 -7 m), UV (4 ×10 -7 - 10 -9 m), X-ışını radyasyonu (2 ×10 -9 - 6 ×10 -12 m), γ radyasyonu (< 6 ×10 -12 м).

Yerçekimi ve elektrik alanlarının bağımsız olarak hareket ettiğine ve uzayın herhangi bir noktasında birbirini etkilemeden aynı anda bir arada bulunabileceğine inanılıyor. Yükü q ve kütlesi m olan bir test parçacığına etki eden toplam kuvvet, vektör toplamı ve ile ifade edilebilir. Farklı boyutlara sahip oldukları için vektörleri toplamanın bir anlamı yoktur. Dalgaların uzayda yayılması yoluyla etkileşim ve enerji aktarımı ile elektromanyetik alan kavramının klasik elektrodinamikte tanıtılması, eterin mekanik temsilinden uzaklaşmayı mümkün kıldı. Eski kavramda, kuvvetlerin temas eyleminin iletimini açıklayan belirli bir ortam olarak eter kavramı, hem Michelson'un ışık hızını ölçme deneyleri hem de esas olarak Einstein'ın görelilik teorisi tarafından deneysel olarak çürütüldü. Fiziksel etkileşimleri alanlar aracılığıyla tanımlamanın mümkün olduğu ortaya çıktı; burada tartıştığımız farklı alan türlerindeki ortak özelliklerin formüle edilmesinin nedeni budur. Doğru, eter fikrinin artık bazı bilim adamları tarafından fiziksel boşluk kavramı temelinde kısmen yeniden canlandırıldığı belirtilmelidir.

Böylece mekanik resmin ardından dünyanın yeni bir elektromanyetik resmi oluştu. Modern doğa bilimiyle ilgili olarak orta düzey olarak kabul edilebilir. Bu paradigmanın bazı genel özelliklerine değinelim. Yalnızca alanlarla ilgili fikirleri değil, aynı zamanda elektronlar, fotonlar, atomun nükleer modeli, maddelerin kimyasal yapısı yasaları ve Mendeleev'in periyodik tablosundaki elementlerin düzenlenmesi hakkında o zamana kadar ortaya çıkan yeni verileri de içerdiğinden ve Doğanın bilgisi yolunda bir dizi başka sonuç, o zaman elbette, Bu kavram aynı zamanda daha sonra tartışılacak olan kuantum mekaniği ve görelilik teorisi fikirlerini de içeriyordu.

Bu gösterimdeki en önemli şey, çok sayıda olguyu alan kavramına dayalı olarak tanımlayabilme yeteneğidir. Mekanik tablonun aksine, maddenin yalnızca madde biçiminde değil, aynı zamanda bir alan biçiminde de var olduğu tespit edildi. Dalga kavramlarına dayanan elektromanyetik etkileşim, yalnızca elektrik ve manyetik alanları değil aynı zamanda optik, kimyasal, termal ve mekanik olayları da oldukça güvenli bir şekilde tanımlar. Maddenin alan temsili metodolojisi, farklı nitelikteki alanları anlamak için de kullanılabilir. Mikro nesnelerin parçacık doğasını süreçlerin dalga doğasına bağlamak için girişimlerde bulunulmuştur. Elektromanyetik alanın etkileşiminin "taşıyıcısının" zaten kuantum mekaniği yasalarına uyan foton olduğu bulundu. Yerçekimi alanının taşıyıcısı olarak gravitonun bulunmasına yönelik girişimlerde bulunulmaktadır.

Ancak etrafımızdaki dünyayı anlamada kaydedilen önemli ilerlemelere rağmen elektromanyetik resim kusurlardan muaf değildir. Bu nedenle, olasılıksal yaklaşımları dikkate almaz, esasen olasılıksal modeller temel olarak kabul edilmez, Newton'un bireysel parçacıkların tanımına yönelik deterministik yaklaşımı ve neden-sonuç ilişkilerinin katı belirsizliği korunur (bu, artık sinerji tarafından tartışılmaktadır), nükleer etkileşimler ve alanları yalnızca yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimlerle açıklanmaz. Genel olarak bu durum anlaşılabilir ve açıklanabilir, çünkü nesnelerin doğasına dair her anlayış anlayışımızı derinleştirir ve yeni, yeterli fiziksel modellerin yaratılmasını gerektirir.

Fiziksel alan

Bölge uzay Güvenilir biçimde kaydedilen ve doğru olarak ölçülen fiziksel kuvvetlerin kendilerini gösterdiği alana fiziksel alan adı verilir. Modern fizik çerçevesinde dört tür dikkate alınır: yerçekimi(buraya bakın); güçlü etkileşimler(buraya bakın) - nükleer; zayıf etkileşimler(buraya bakın) ve elektromanyetik(buraya bakın) - manyetik ve elektrik. Kuantum bakış açısından teoriler Maddi nesnelerin belli bir mesafedeki etkileşimi, karşılıklı değişimleri ile sağlanır. kuantum listelenen etkileşimlerin her birinin karakteristik alanları. Herhangi bir fiziksel alanın özellikleri katı matematiksel ifadelerle tanımlanır.

Geçtiğimiz birkaç on yılda fizikçiler genel, birleşik bir alan teorisi yaratmaya çalışmaktan vazgeçmediler. Tüm bu alanları tek bir “tek fiziksel alanın” farklı tezahürleri olarak tanımlaması bekleniyor.

Yukarıda listelenenlerin dışında herhangi bir kuvvet alanının varlığını varsaymak için hiçbir teorik veya deneysel dayanak yoktur.

yerçekimi

Yerçekimi alanı, herhangi bir fiziksel nesnenin birbirleri üzerindeki güçlü etkisiyle kendini gösterir. Yerçekimi etkileşiminin kuvveti, kütleleriyle doğru orantılıdır ve aralarındaki ikinci kuvvete yükseltilmiş mesafeyle ters orantılıdır. Kantitatif olarak tanımlanır Newton yasası . Yerçekimi kuvvetleri nesneler arasındaki herhangi bir mesafede kendini gösterir.

Kuantum Yerçekimi etkileşim alanları gravitonlardır. Dinlenme kütleleri sıfırdır. Henüz serbest bir durumda keşfedilmemiş olmalarına rağmen, gravitonların varlığının gerekliliği en genel teorik öncüllerden kaynaklanmaktadır ve şüphe götürmez.

Yerçekimi alanı çoğu süreçte büyük bir rol oynar. Evren .

Yerçekimi alanının doğası hakkında ayrıca bkz. Görelilik teorisi, genel .

güçlü etkileşimler (nükleer)

Güçlü etkileşimler alanı, atom çekirdeğini oluşturan temel parçacıklar olan nükleonlar üzerinde güçlü bir etki olarak kendini gösterir. Protonları aynı elektrik yükleriyle birleştirme yeteneğine sahiptir; itilmelerinin elektriksel kuvvetlerinin üstesinden gelirler.

Bu alanla ilişkili çekici kuvvet, dördüncü kuvvete yükseltilmiş nükleonlar arasındaki mesafeyle ters orantılıdır; yalnızca kısa mesafelerde etkilidir. Parçacıklar arasındaki 10-15 metreden daha kısa mesafelerde güçlü etkileşim alanı, elektrik alanından onlarca kat daha güçlüdür.

Kuantum Güçlü etkileşim alanları temel parçacıklardır - gluonlar. Bir gluonun tipik ömrü yaklaşık 10-23 saniyedir.

Güçlü etkileşimler alanının etkisi aynı zamanda makro süreçler için de önemlidir. Evren, sırf bu alan olmadan atomların çekirdekleri ve dolayısıyla atomların kendisi var olamayacağı için olsaydı.

zayıf etkileşimler

Zayıf etkileşimler alanı - zayıf akımların etkileşimi - temel parçacıkların aralarında 10-18 metre mesafelerdeki etkileşimleri sırasında kendini gösterir.

Kuantum zayıf etkileşim alanları temel parçacıklardır - ara bozonlar. Bir ara bozonun tipik ömrü yaklaşık 10-25 saniyedir.

İçinde birleşik bir yapı oluşturmaya çalışır teoriler alanlar Artık zayıf etkileşimler alanının ve elektromanyetik(buraya bakın) alanlar birlikte tanımlanabilir, bu da onların ilişkili bir yapıya sahip olduğu anlamına gelir.

Zayıf etkileşimler alanının etkisi, temel parçacıkların çürümesi ve yaratılması süreçleri düzeyinde bir rol oynar; Evren mevcut haliyle var olamazdı. Bu fiziksel alan ilk dönemde özel bir rol oynamıştır. büyük patlama .

elektromanyetik

Elektromanyetik alan, dinlenme halindeki bir elektrik alanı veya hareketli bir manyetik alan olan elektrik yüklerinin etkileşiminde kendini gösterir. Yüklü cisimler arasındaki herhangi bir mesafede tespit edilir. Kuantum Elektromanyetik etkileşim alanları fotonlardır. Dinlenme kütleleri sıfırdır.

Bir elektrik alanı, elektrik yükü adı verilen belirli bir özelliğe sahip nesnelerin birbirleri üzerindeki güçlü etkisiyle kendini gösterir. Elektrik yüklerinin doğası bilinmemektedir, ancak değerleri, belirtilen özelliğe sahip olanlar arasındaki etkileşim ölçüsünün parametreleridir; yüklü oluşumlar.

Minimum yük değerlerinin taşıyıcıları elektronlardır - negatif yüke sahiptirler, protonlar - pozitif yüke sahiptirler - ve diğer bazı çok kısa ömürlü temel parçacıklar. Fiziksel nesneler, içerdikleri proton sayısı elektron sayısını aştığında pozitif bir elektrik yükü veya tam tersi durumda negatif bir yük kazanır.

Temel parçacıklar da dahil olmak üzere yüklü fiziksel nesneler arasındaki etkileşimin kuvveti, elektrik yükleriyle doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafenin ikinci kuvvetiyle ters orantılıdır. Niceliksel olarak Coulomb yasasıyla tanımlanır. Olası yüklü nesneler birbirini iter, zıt yüklü nesneler ise çeker.

Manyetik alan, cisimlerin veya oluşumların, örneğin manyetik özelliklere sahip plazma gibi birbirleri üzerindeki kuvvetli etkisi ile kendini gösterir. Bu özellikler, içlerinde akan elektrik akımları - elektrik yükü taşıyıcılarının düzenli hareketi - tarafından üretilir. Etkileşim ölçüsünün parametreleri, birim başına hareket eden elektrik yüklerinin sayısına göre belirlenen mevcut elektrik akımlarının yoğunluklarıdır. zaman iletkenlerin kesitleri boyunca. Kalıcı mıknatıslar aynı zamanda etkilerini içlerinde ortaya çıkan iç halka moleküler akımlarına da borçludur. Dolayısıyla manyetik kuvvetler doğası gereği elektrikseldir. Nesnelerin manyetik etkileşiminin yoğunluğu - manyetik indüksiyon - içlerinde akan elektrik akımlarının yoğunluğuyla doğru orantılıdır ve aralarındaki ikinci güce yükseltilmiş mesafeyle ters orantılıdır. Biot-Savart-Laplace kanunu ile tanımlanır.

Elektromanyetik alan, sırasında meydana gelen tüm işlemlerde hayati bir rol oynar. Evren katılımla plazma .

Burada G yer çekimi sabitidir ve bu cisim ile j indeksli cisim arasındaki mesafedir.
Seçilen cismin kütlesini bu ifadede yalnız bırakarak şunu yazabiliriz:

Büyüklük nerede

İncelenen vücudun özelliklerine (kütlesine) bağlı değildir.
Vektör alanı,

Elektrik alan kuvveti olarak adlandırılan ve eşit olan vektör alanı nerede

.

Bu durumda, etkileşim kuvveti aynı zamanda incelenen cismin (yük) özelliklerinin ürünü olarak da yazılır ve diğer yüklerle ilgili tüm bilgiler tek bir vektör miktarının - elektrik alan kuvvetinin - eklenmesine indirgenir.
Yukarıdaki alan tanımları uzun menzilli etki ilkesine dayanmaktadır ve yalnızca klasik fizik için geçerlidir. Alanı belirleyen parçacıklar hareket ederse klasik fizik çerçevesinde incelenen parçacık anında konum değişikliğini hissedecektir.
Ancak izafiyet teorisi çerçevesinde geçerli olan kısa mesafeli etki prensibi uygulandığında cisimlerin hareketine ilişkin bilgiler anında iletilmemekte ve bir aracıya ihtiyaç duyulmaktadır, dolayısıyla alan kavramı ayrı bir anlam kazanmaktadır. uzaydaki hareketinin tanımı için ayrı denklemler gerektiren varlık.
Böylece kısa mesafeli etkileşim dikkate alınarak yüke etki eden kuvvet tekrar yazılır.

Ancak elektrik alan şiddeti Maxwell denklemlerinden bulunur. Yalnızca sabit yükler durumunda yukarıdaki ifadeye eşittir.
Bu konuyla ilgili ayrıntılı bilgiyi makalede bulabilirsiniz Gecikme.

Alan- maddenin varoluş biçimlerinden biri ve belki de en önemlisi. “Alan” kavramı, elektrik ve manyetik kuvvetlerin belirli bir mesafe üzerinde sonlu bir hızla hareket ederek, karşılıklı ve sürekli olarak birbirlerini üretmeleri gerçeğini yansıtmaktadır. Alan yayılır, uzayda sonlu bir hızla yayılır ve maddeyle etkileşime girer. Faraday, alanın fikirlerini maddenin yeni bir biçimi olarak formüle etti ve notları kapalı bir zarfa koydu ve ölümünden sonra onu açmayı miras bıraktı (bu zarf ancak 1938'de keşfedildi). Faraday (1840), yasanın kendisi henüz keşfedilmemiş olmasına rağmen, enerjinin evrensel korunumu ve dönüşümü fikrini kullandı.

Faraday derslerinde (1845) yalnızca enerjinin bir formdan diğerine eşdeğer dönüşümlerinden bahsetmekle kalmadı, aynı zamanda uzun süredir "ışık ile elektrik arasında doğrudan bir bağlantı keşfetmeye" çalıştığını ve "mıknatıslamayı ve elektriklendirmeyi başardığını" da anlattı. bir ışık huzmesi ve manyetik kuvvet çizgisini aydınlatıyor." Yüklü bir cismin etrafındaki alanı test cisimleri kullanarak incelemek için bir yönteme sahip; alan görüntüsüne giriş güç hatları. Işığın polarizasyon düzlemini manyetik alanla döndürmeye ilişkin deneylerini anlattı. Maddelerin elektriksel ve manyetik özellikleri arasındaki ilişkinin incelenmesi Faraday'ı yalnızca para ve diyamanyetizmanın keşfine değil, aynı zamanda temel bir fikrin - alan fikrinin - kurulmasına da yönlendirdi. Şöyle yazmıştı (1852): "Onu çevreleyen çevre veya uzay, gerçek ve eksiksiz bir manyetik sistemin parçası olarak mıknatısın kendisi kadar önemli bir rol oynar."

Faraday, indüksiyonun elektromotor kuvvetinin olduğunu gösterdi. e manyetik akı değiştiğinde meydana gelir F(iletkenlerin açılması, kapanması, akımın değişmesi, bir mıknatısa yaklaşılması veya çıkarılması vb.). Maxwell bu gerçeği şu şekilde dile getirdi: e = -dF/dt. Faraday'a göre, akımları indükleme yeteneği, manyetik bileşke etrafındaki bir daire içinde kendini gösterir. Maxwell'e göre, alternatif bir manyetik alan bir girdap elektrik alanıyla çevrelenmiştir ve eksi işareti Lenz kuralıyla ilişkilidir: indüklenen bir akım, onu üreten değişikliği önleyecek bir yönde ortaya çıkar. Tanım çürümesi - İngilizce'den. rotor - girdap. 1846'da F. Neumann, bir indüksiyon akımı oluşturmak için belirli bir miktarda enerjinin harcanması gerektiğini buldu.

Genel olarak Maxwell tarafından vektör biçiminde yazılan denklem sistemi kompakt bir forma sahiptir:

Bu denklemlerde yer alan elektrik ve manyetik indüksiyon vektörleri (D ve B) ve elektrik ve manyetik alan kuvveti vektörleri (E ve H), dielektrik sabiti e ve ortamın μ manyetik geçirgenliği ile belirtilen basit ilişkilerle ilişkilidir. Bu işlemin kullanılması, manyetik alan kuvveti vektörünün, akım yoğunluk vektörü etrafında dönmesi anlamına gelir. J.

Denklem (1)'e göre, herhangi bir akım çevredeki alanda bir manyetik alanın ortaya çıkmasına neden olur, doğru akım - sabit bir manyetik alan. Böyle bir alan “sonraki” bölgelerde bir elektrik alanına neden olamaz çünkü denklem (2)'ye göre yalnızca değişen bir manyetik alan bir akım üretir. Alternatif akımın etrafında, uzayın “sonraki” elemanında bir dalganın elektrik alanını, sönümsüz bir dalgayı yaratabilen alternatif bir manyetik alan da yaratılır - boşluktaki manyetik alanın enerjisi tamamen elektrik enerjisine dönüştürülür. ve tam tersi. Işık enine dalgalar şeklinde ilerlediği için iki sonuç çıkarılabilir: ışık elektromanyetik bir rahatsızlıktır; Elektromanyetik alan uzayda enine dalgalar şeklinde hızla yayılır. İle= 3 10 8 m/s, ortamın özelliklerine bağlıdır ve bu nedenle “anlık uzun menzilli etki” imkansızdır. Yani ışık dalgalarında elektrik ve manyetik alanların yoğunluğuyla salınımlar yapılır ve dalganın taşıyıcısı gerilim halindeki uzayın kendisidir. Ve yer değiştirme akımından dolayı yeni bir manyetik alan yaratacak ve bu böyle sonsuza kadar sürecek .

Denklem (3) ve (4)'ün anlamı açıktır - (3) Gauss'un elektrostatik teoremini açıklar ve Coulomb yasasını genelleştirir, (4) manyetik yüklerin olmadığı gerçeğini yansıtır. Farklılık (lat. farklılaşmak - tutarsızlığı tespit etmek) kaynağın bir ölçüsüdür. Örneğin, ışık ışınları camdan doğmaz ve yalnızca camdan geçerse, divD = 0. Işık ve ısı kaynağı olarak güneşin pozitif bir ayrımı vardır ve karanlığın negatif bir farkı vardır. Dolayısıyla elektrik alan çizgileri yoğunluğu p olan yüklerde sonlanır ve manyetik alan çizgileri kendi üzerine kapalı olup hiçbir yerde bitmez.

Maxwell denklemlerinin temelini oluşturan görüş sistemine denir Maxwell'in elektromanyetik alan teorisi. Bu denklemler basit bir biçime sahip olmasına rağmen, Maxwell ve takipçileri onlar üzerinde ne kadar çok çalışırsa, anlamları da o kadar derin bir şekilde onlara açıklandı. Deneyleri Faraday-Maxwell elektromanyetik alan teorisinin geçerliliğinin ilk doğrudan kanıtı olan G. Hertz, Maxwell denklemlerinin tükenmezliği hakkında şunları yazdı: “Bu şaşırtıcı teoriyi zaman zaman matematiksel formüllerin canlı olduğu hissini yaşamadan inceleyemezsiniz. kendi hayatları, kendi akılları var - öyle görünüyor ki "bu formüller bizden daha akıllı, hatta yazarın kendisinden bile daha akıllı, sanki bize başlangıçta içerdiklerinden daha fazlasını veriyorlarmış gibi."

Alanın yayılma süreci sönümsüz bir dalga şeklinde süresiz olarak devam edecektir - boşluktaki manyetik alanın enerjisi tamamen elektrik enerjisine dönüştürülür ve bunun tersi de geçerlidir. Denklemlerde yer alan sabitler arasında c sabiti vardı; Maxwell, değerinin tam olarak ışık hızına eşit olduğunu buldu. Bu tesadüfe dikkat etmemek mümkün değildi. Yani ışık dalgalarında elektrik ve manyetik alanların yoğunluğuyla salınımlar yapılır ve dalganın taşıyıcısı gerilim halindeki uzayın kendisidir.

Işık dalgası elektromanyetik bir dalgadır. Weiskopf'un ifadesiyle "uzayda koşuyor ve onu yayan yüklerden ayrılıyordu." Maxwell'in keşfini önem açısından Newton'un çekim yasasının keşfiyle karşılaştırdı. Newton, gezegenlerin hareketini Dünya'daki yerçekimine bağladı ve kuvvetlerin etkisi altındaki kütlelerin mekanik hareketini yöneten temel yasaları keşfetti. Maxwell, optiği elektrikle ilişkilendirdi ve elektrik ve manyetik alanların davranışını ve bunların yükler ve mıknatıslarla etkileşimini yöneten temel yasaları (Maxwell denklemleri) türetti. Newton'un çalışmaları evrensel yerçekimi yasası kavramının, Maxwell'in çalışmaları - elektromanyetik alan kavramının ve onun yayılma yasalarının oluşturulmasının ortaya çıkmasına yol açtı. Eğer bir elektromanyetik alan maddi bir taşıyıcıdan bağımsız olarak var olabiliyorsa, o zaman uzun menzilli etkinin yerini kısa mesafeli etkiye, yani uzayda sonlu bir hızla yayılan alanlara bırakması gerekir. Yer değiştirme akımı (1861), elektromanyetik dalgalar ve ışığın elektromanyetik doğası (1865) fikirleri o kadar cesur ve alışılmadıktı ki, yeni nesil fizikçiler bile Maxwell'in teorisini hemen kabul etmediler. 1888'de G. Hertz keşfetti elektromanyetik dalgalar, ancak Maxwell teorisinin W. Thomson (Kelvin) gibi aktif bir rakibi, ancak varlığını keşfeden P.N. Lebedev'in deneyleriyle ikna edilebilirdi. hafif basınç.

19. yüzyılın ortalarında. Maxwell, elektrik ve manyetizmayı birleşik alan teorisinde birleştirdi. Elektrik yükü, en ünlüsü elektron ve protonun aynı yüke sahip olduğu temel parçacıklarla ilişkilidir. e, doğanın evrensel bir sabitidir. SI = 1,6 10 -19 Cl'de. Manyetik yükler henüz keşfedilmemiş olsa da teoride halihazırda ortaya çıkıyorlar. Fizikçi Dirac'a göre manyetik yüklerin büyüklüğü elektron yükünün katı olmalıdır.

Elektromanyetik alan alanında daha ileri araştırmalar, Hollandalı fizikçi X.A.'nın teorilerin matematiksel koordinasyonu yoluyla ortadan kaldırmaya çalıştığı klasik mekanik kavramlarıyla çelişkilere yol açtı. Lorenz. Klasik Galilean dönüşümlerinden farklı olarak, alan teorisiyle bağlantılı olan sabit bir ışık hızı içeren eylemsizlik sistemlerinin koordinatlarının dönüşümlerini tanıttı. Işık hızına yakın hızlarda zaman ve uzunluk ölçekleri değişti. Bu Lorentz dönüşümlerinin fiziksel anlamı, yalnızca A. Einstein tarafından 1905 yılında özel görelilik teorisinin (STR) veya görelilik mekaniğinin temelini oluşturan “Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” adlı çalışmasında açıklanmıştır.

Doğa bilimi yalnızca Evrendeki maddi nesnelerin türlerini tanımlamakla kalmaz, aynı zamanda bunlar arasındaki bağlantıları da ortaya çıkarır. Bütünleşik bir sistemdeki nesneler arasındaki bağlantı, her bir eleman ile dış ortamdaki elemanlar arasındaki bağlantıdan daha düzenli, daha kararlıdır. Bir sistemi yok etmek, bir veya daha fazla unsuru sistemden izole etmek için ona belirli bir enerji uygulamanız gerekir. Bu enerjinin farklı değerleri vardır ve sistemin elemanları arasındaki etkileşimin türüne bağlıdır. Mega dünyada bu etkileşimler yerçekimi ile sağlanırken, makro dünyada yerçekimine elektromanyetik etkileşim eklenerek daha güçlü hale geliyor. Mikrokozmosta, atom büyüklüğünde, atom çekirdeğinin bütünlüğünü sağlayan daha güçlü nükleer etkileşim ortaya çıkar. Temel parçacıklara, yani iç bağların enerjisine geçtiğimizde, doğal maddelerin atomlardan oluşan ve Periyodik Tabloda toplanan elementlerin kimyasal bileşikleri olduğunu biliyoruz. Bir süredir atomların evrenin temel yapı taşları olduğuna inanılıyordu, ancak daha sonra atomun "tüm Evreni" temsil ettiği ve birbirleriyle etkileşime giren daha temel parçacıklardan oluştuğu tespit edildi: protonlar, elektronlar, nötronlar, mezonlar , vesaire. Temel olduğunu iddia eden parçacıkların sayısı artıyor ama gerçekten o kadar temel mi?

Newton mekaniği kabul edildi ancak ivmeye neden olan kuvvetlerin kökeni tartışılmadı. Yerçekimi kuvvetleri boşluk yoluyla etki eder, uzun menzillidir, elektromanyetik kuvvetler ise bir ortam aracılığıyla etki eder. Şu anda doğadaki tüm etkileşimler dört türe indirgenmiştir: yerçekimi, elektromanyetik, güçlü nükleer ve zayıf nükleer.

Yer çekimi(lat. ağırbaşlılık- şiddet) tarihsel olarak incelenen ilk etkileşimdir. Aristoteles'in ardından, tüm bedenlerin "kendi yerlerine" (ağır olanlar - Dünya'ya, hafif olanlar - yukarıya) eğilimli olduğuna inanıyorlardı. XVII-XVIII yüzyılların fiziği. yalnızca yerçekimsel etkileşimler biliniyordu. Newton'a göre iki noktasal kütle, onları birbirine bağlayan düz çizgi boyunca yönlendirilen bir kuvvetle birbirini çeker: Eksi işareti çekimle uğraştığımızı gösterir. R- bedenler arasındaki mesafe (bedenlerin boyutunun çok daha küçük olduğuna inanılmaktadır) r), t 1 ve t 2 - vücut kütlesi Büyüklük G- yerçekimi kuvvetlerinin değerini belirleyen evrensel bir sabit. 1 kg ağırlığındaki cisimler birbirinden 1 m mesafeye yerleştirilirse aralarındaki çekim kuvveti 6,67 · 10 -11 N'ye eşittir. Yerçekimi evrenseldir, tüm cisimler ona tabidir ve hatta parçacığın kendisi bile yer çekiminin kaynağıdır. Eğer değer G daha büyük olsaydı, güç de artacaktı, ancak Gçok küçüktür ve atom altı parçacıklar dünyasındaki yerçekimsel etkileşim önemsizdir ve makroskobik cisimler arasında zar zor fark edilir. Cavendish değeri ölçebildi G, burulma dengeleri kullanılarak. Çok yönlülük sabittir G Evrenin herhangi bir yerinde ve herhangi bir anda, aralarında 1 m mesafe bulunan 1 kg ağırlığındaki cisimler arasındaki çekim kuvvetinin aynı değere sahip olacağı anlamına gelir. Bu nedenle değer diyebiliriz. G Yerçekimi sistemlerinin yapısını belirler. Yerçekimi veya yerçekimi, küçük parçacıklar arasındaki etkileşimde çok önemli değildir ancak gezegenleri, tüm güneş sistemini ve galaksileri bir arada tutar. Hayatımızda sürekli yer çekimini hissederiz. Kanun, yerçekimi kuvvetinin uzun menzilli doğasını ve yerçekimi etkileşiminin ana özelliğini - evrenselliğini - belirledi.

Einstein'ın yerçekimi teorisi (GTR), güçlü yerçekimi alanlarında, zayıf olanlarda Newton yasasından farklı sonuçlar verir - her iki teori de çakışır. GTR'ye göre, yer çekimi- Bu, uzay-zamanın eğriliğinin bir tezahürüdür. Cisimler, yerçekimi onlara etki ettiği için değil, kavisli uzay-zamanda hareket ettikleri için kavisli yörüngeler boyunca hareket ederler. "En kısa yoldan hareket ederler ve yerçekimi geometridir." Uzay-zaman eğriliğinin etkisi yalnızca nötron yıldızları veya kara delikler gibi çökmekte olan nesnelerin yakınında tespit edilemiyor. Bunlar, örneğin Merkür'ün yörüngesindeki devinim veya Dünya yüzeyinde zamanın genişlemesidir (bkz. Şekil 2.3, V). Einstein, yerçekiminin ivmeli hareketin eşdeğeri olarak tanımlanabileceğini gösterdi.

Evrenin özçekim etkisi altında sıkışmasını önlemek ve durağanlığını sağlamak için, maddenin yoğunlaşmasından ziyade "ayrı itilmesine" ve itme kuvvetine yol açan olağandışı özelliklere sahip olası bir yerçekimi kaynağı ortaya koydu. mesafe arttıkça artar. Ancak bu özellikler yalnızca Evrenin çok büyük bir ölçeğinde kendilerini gösterebilir. İtme kuvveti inanılmaz derecede küçüktür ve itici kütleye bağlı değildir; şu şekilde temsil edilir: T - itilen nesnenin kütlesi; R- itici cisimden uzaklığı; L- devamlı. Şu anda bir üst sınır var L= 10 -53 m -2, yani. 1 m mesafede bulunan, her biri 1 kg ağırlığındaki iki cisim için çekim kuvveti, kozmik itmeyi en az 10 25 kat aşar. Kütleleri 10 41 kg olan iki galaksi 10 milyon ışık mesafesinde bulunuyorsa. yıl (yaklaşık 10 22 m), o zaman onlar için çekici kuvvetler, eğer değer L belirtilen üst sınıra gerçekten yakın. Bu miktar, Evrenin büyük ölçekli yapısı açısından temel önem taşımasına rağmen henüz ölçülememiştir.

Elektromanyetik etkileşim, Elektrik ve manyetik yüklerin neden olduğu fotonlar tarafından taşınır. Yükler arasındaki etkileşim kuvvetleri karmaşık bir şekilde yüklerin konumuna ve hareketine bağlıdır. Eğer iki suçlama Q 1 ve q 2 hareketsiz ve uzaktaki noktalarda yoğunlaşmış R, o zaman aralarındaki etkileşim elektrikseldir ve Coulomb yasasına göre belirlenir: itibarenşarj işaretleri q 1 Ve q 2 yükleri birbirine bağlayan düz çizgi boyunca yönlendirilen elektriksel etkileşim kuvveti, bir çekme veya itme kuvveti olacaktır. Burada elektrostatik etkileşimin yoğunluğunu belirleyen sabit belirtilmektedir; değeri 8,85 10 -12 F/m'dir. Böylece, her biri 1 m aralıklarla ayrılmış 1 C'lik iki yük, 8,99 · 10 9 N'luk bir kuvvete maruz kalacaktır. Bir elektrik yükü her zaman temel parçacıklarla ilişkilidir. Aralarında en ünlü olan proton ve elektronun yükünün sayısal değeri aynıdır: bu evrensel sabittir e = 1,6 10 -19 Sınıf. Protonun yükü pozitif, elektronun yükü ise negatif kabul edilir.

Manyetik kuvvetler elektrik akımları - elektrik yüklerinin hareketi - tarafından üretilir. Manyetik yüklerin (manyetik tek kutuplar) varlığını öngören simetrileri hesaba katan teorileri birleştirme girişimleri vardır, ancak bunlar henüz keşfedilmemiştir. Bu nedenle değer e Manyetik etkileşimin yoğunluğunu belirler. Elektrik yükleri ivmeyle hareket ederse yayılırlar; frekans aralığına bağlı olarak ışık, radyo dalgaları veya x-ışınları şeklinde enerji yayarlar. Duyularımız tarafından algılanan bilgi taşıyıcılarının neredeyse tamamı elektromanyetik niteliktedir, ancak bazen kendilerini karmaşık biçimlerde de gösterebilirler. Elektromanyetik etkileşimler atomların yapısını ve davranışını belirler, atomların bozunmasını önler ve moleküller arasındaki bağlantılardan, yani kimyasal ve biyolojik olaylardan sorumludur.

Yerçekimi ve elektromanyetizma, Evren boyunca uzanan uzun menzilli kuvvetlerdir.

Güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler- kısa menzilli ve yalnızca atom çekirdeği boyutunda, yani 10-14 m civarındaki alanlarda görünür.

Zayıf nükleer etkileşim, temel parçacıkların bazı türdeki nükleer bozunmalarına neden olan birçok süreçten sorumludur (örneğin, (3-bozunma - nötronların protonlara dönüşümü) neredeyse nokta benzeri bir etki aralığıyla: yaklaşık 10 -18 m. Parçacıkların dönüşümleri üzerinde hareketlerinden daha güçlü bir etkiye sahiptir, bu nedenle etkinliği bozunma hızıyla ilişkili bir sabitle - evrensel sabit bağlantıyla - belirlenir. g(W), nötron bozunması gibi süreçlerin hızının belirlenmesi. Zayıf nükleer etkileşim, zayıf bozonlar tarafından gerçekleştirilir ve bazı atom altı parçacıklar diğerlerine dönüşebilir. Kararsız nükleer altı parçacıkların keşfi, zayıf kuvvetin birçok dönüşüme neden olduğunu ortaya çıkardı. Süpernovalar, gözlemlenen birkaç zayıf etkileşim durumundan biridir.

Güçlü nükleer etkileşim, atom çekirdeğinin çürümesini önler ve bu olmasaydı, protonların elektriksel itme kuvvetleri nedeniyle çekirdekler parçalanırdı. Bazı durumlarda, onu karakterize etmek için değer eklenir g(S), elektrik yüküne benzer fakat çok daha büyüktür. Gluonların gerçekleştirdiği güçlü etkileşim, yarıçapı yaklaşık 10-15 m olan bir bölgenin dışında keskin bir şekilde sıfıra düşer. Protonları, nötronları ve hadron adı verilen diğer benzer parçacıkları oluşturan kuarkları birbirine bağlar. Proton ve nötronların etkileşiminin, onların iç etkileşimlerinin bir yansıması olduğunu söylüyorlar, ancak bu derin fenomenin resmi şu ana kadar bizden gizlendi. Güneş ve yıldızların açığa çıkardığı enerji, nükleer reaktörlerdeki dönüşümler ve enerjinin açığa çıkmasıyla ilişkilidir. Listelenen etkileşim türleri görünüşe göre farklı doğalara sahiptir. Bugüne kadar doğadaki tüm etkileşimlerin onlar tarafından tüketilip tüketilmediği açık değildir. En güçlüsü kısa menzilli güçlü etkileşimdir, elektromanyetik etkileşim 2 kat daha zayıftır, zayıf etkileşim 14 kat daha zayıftır ve yerçekimsel etkileşim 39 kat daha zayıftır. Etkileşim kuvvetlerinin büyüklüğüne göre farklı zamanlarda ortaya çıkarlar. Parçacıklar ışık hızına yakın hızlarda çarpıştığında güçlü nükleer etkileşimler meydana gelir. Kuvvetlerin etki yarıçapının ışık hızına bölünmesiyle belirlenen reaksiyon süresi, 10-23 s düzeyinde bir değer verir. Zayıf etkileşim süreçleri 10-9 saniyede, yerçekimsel süreçler ise 10-16 saniyede veya 300 milyon yılda meydana gelir.

P. Ehrenfest'in gösterdiği gibi, yerçekimi kütlelerinin veya elektrik yüklerinin birbirlerine etki ettiği noktaya göre "ters kare yasası", uzayın üç boyutluluğundan (1917) çıkar. Uzayda Nölçümlerde nokta parçacıklar ters kuvvet yasasına göre etkileşime girecektir ( N-1). İçin n = 3'te ters kare kanunu geçerlidir, çünkü 3 - 1 = 2. Ters küp kanununa karşılık gelen u = 4 ile gezegenler spiral şeklinde hareket edecek ve hızla Güneş'e düşeceklerdir. Üçten fazla boyutu olan atomlarda da kararlı yörüngeler olmayacak, yani kimyasal süreçler ve yaşam olmayacaktı. Kant ayrıca uzayın üç boyutluluğu ile yerçekimi kanunu arasındaki bağlantıya da dikkat çekti.

Ek olarak, çift sayıda boyuta sahip uzayda dalgaların saf haliyle yayılmasının imkansız olduğu gösterilebilir - dalganın taşıdığı yapıyı (bilgiyi) bozan çarpıklıklar ortaya çıkar. Bunun bir örneği, bir dalganın kauçuk bir kaplama üzerinde (boyutlu bir yüzey üzerinde) yayılmasıdır. N= 2). 1955 yılında matematikçi H. J. Withrow, canlı organizmaların bilginin iletilmesine ve işlenmesine ihtiyaç duyması nedeniyle, daha yüksek yaşam formlarının çift boyutlu uzaylarda var olamayacağı sonucuna vardı. Bu sonuç, bildiğimiz yaşam biçimleri ve doğa yasaları için geçerlidir ve farklı nitelikteki diğer dünyaların varlığını dışlamaz.

Newton ve P. Laplace'dan itibaren mekaniğin evrensel bir fiziksel teori olarak değerlendirilmesi korunmuştur. 19. yüzyılda burası, mekanik, termodinamik ve maddenin kinetik teorisi, ışığın elastik teorisi ve elektromanyetizma dahil olmak üzere dünyanın mekanik resmi tarafından çekilmişti. Elektronun keşfi fikirlerin yeniden gözden geçirilmesini teşvik etti. Yüzyılın sonunda H. Lorentz, elektron teorisini tüm doğa olaylarını kapsayacak şekilde kurdu ancak bunu başaramadı. Yük ayrılığı ve alan sürekliliği ile ilgili problemler ve radyasyon teorisindeki problemler ("ultraviyole felaket"), dünyanın ve kuantum mekaniğinin kuantum alan resminin yaratılmasına yol açtı. SRT'nin yaratılmasından sonra, görelilik teorisini, Maxwell teorisini ve mekaniğini birleştiren dünyanın elektromanyetik resminin, doğal dünyanın evrensel bir kapsamını sağlayabileceği bekleniyordu, ancak bu yanılsama kısa sürede ortadan kalktı.

Birçok teorisyen yerçekimi ve elektromanyetizmayı birleşik denklemlerle açıklamaya çalıştı. Dört boyutlu uzay-zamanı ortaya koyan Einstein'ın etkisi altında, olguları uzayın geometrik özelliklerine indirgeme girişimleriyle çok boyutlu alan teorileri inşa edildi.

Birleştirme, dış kuvvetlerin yokluğunda boş alanda hareket eden farklı gözlemciler için ışık hızının yerleşik bağımsızlığı temelinde gerçekleştirildi. Einstein tasvir edildi dünya çizgisi uzaysal eksenin yatay ve zamansal eksenin dikey olarak yönlendirildiği bir düzlem üzerinde nesne. O halde dikey çizgi, belirli bir referans çerçevesinde hareketsiz olan bir nesnenin dünya çizgisidir ve eğimli çizgi, sabit hızla hareket eden bir nesnenin dünya çizgisidir. Eğri bir dünya çizgisi, ivmeyle hareket eden bir nesneye karşılık gelir. Bu düzlem üzerindeki herhangi bir nokta, belirli bir zamanda, belirli bir yerdeki bir konuma karşılık gelir ve denir. etkinlik. Bu durumda, yerçekimi artık uzay ve zamanın pasif arka planına etki eden bir kuvvet değil, bizzat uzay-zamanın çarpıklığını temsil ediyor. Sonuçta yerçekimi alanı uzay-zamanın “eğrisi”dir.

Birbirine göre hareket eden referans sistemleri arasında bağlantı kurmak için uzaysal aralıkların zaman birimleriyle aynı birimlerde ölçülmesi gerekir. Böyle bir yeniden hesaplamanın çarpanı şu şekilde olabilir: ışık hızı, mesafeyi ışığın bu mesafeyi kat etmesi için gereken süre ile ilişkilendirir. Böyle bir sistemde 1 m, 3,33 not'a eşittir (1 not = 10 -9 s). Daha sonra fotonun dünya çizgisi 45°'lik bir açıyla ve herhangi bir maddi nesnenin dünya çizgisi daha küçük bir açıyla geçecektir (çünkü hızı her zaman ışık hızından düşüktür). Uzaysal eksen üç Kartezyen eksene karşılık geldiğinden, maddi cisimlerin dünya çizgileri, foton dünya çizgisi tarafından tanımlanan koninin içine yerleştirilecektir. 1919'daki güneş tutulması gözlemlerinin sonuçları Einstein'a dünya çapında ün kazandırdı. Güneş'in yakınında ancak tutulma sırasında görülebilen yıldızların yer değiştirmeleri, Einstein'ın kütle çekim teorisinin öngörüleriyle örtüşüyordu. Böylece yerçekimi teorisinin inşasına yönelik geometrik yaklaşımı etkileyici deneylerle doğrulandı.

Aynı yıl, yani 1919'da, genel görelilik ortaya çıktığında, Koenigsberg Üniversitesi'nde özel doçent olan T. Kaluza, Einstein'a çalışmasını gönderdi ve burada öneride bulundu. beşinci boyut. Tüm etkileşimlerin temel ilkesini bulmaya çalışan Kaluza (o zamanlar iki tanesi biliniyordu: yerçekimi ve elektromanyetizma), bunların beş boyutlu genel görelilikte eşit şekilde türetilebileceğini gösterdi. Beşinci boyutun boyutu birleşmenin başarısı açısından önemli değildi ve belki de tespit edilemeyecek kadar küçüktü. Makale ancak Einstein'la iki yıl süren yazışmalardan sonra yayınlandı. İsveçli fizikçi O. Klein, kuantum mekaniğinin temel denkleminin dört yerine beş değişkenle değiştirilmesini önerdi (1926). Uzayın algılayamadığımız boyutlarını çok küçük bir boyuta “çöktürdü” (dikkatsizce atılan, uzaktan dolambaçlı bir çizgi gibi görünen, ancak yakından her noktası bir daireye dönüşen sulama hortumu örneğini vererek) . Bu tuhaf döngülerin boyutları atom çekirdeğinin boyutundan 10-20 kat daha küçüktür. Dolayısıyla beşinci boyut gözlemlenebilir değildir ancak mümkündür.

Sovyet bilim adamları G.A. beş boyutlu teorinin geliştirilmesine katkıda bulundu. Mandel ve V.A. Fok. Yüklü bir parçacığın beş boyutlu uzaydaki yörüngesinin kesinlikle jeodezik bir çizgi (Yunancadan.) olarak tanımlanabileceğini gösterdiler. Jeodaisia- kara bölümü) veya yüzeydeki iki nokta arasındaki en kısa yol, yani beşinci boyut fiziksel olarak gerçek olabilir. Her bir parçacığı uzayda bir bölgeyi kaplayan bir dalga paketi biçiminde temsil eden ve boyutu parçacığın enerjisine bağlı olan (enerji ne kadar yüksek olursa hacmi o kadar küçük olur) Heisenberg belirsizlik ilişkisi nedeniyle tespit edilememiştir. bölge). Beşinci boyut küçük bir daire şeklinde katlanırsa, onu tespit etmek için onu aydınlatan parçacıkların yüksek enerjiye sahip olması gerekir. Hızlandırıcılar 10-18 m çözünürlük sağlayan parçacık ışınları üretir. Dolayısıyla beşinci boyuttaki bir daire daha küçük boyutlara sahipse henüz tespit edilemez.

Sovyet profesörü Yu.B. Rumer, beş boyutlu teorisiyle beşinci boyuta anlam verilebileceğini gösterdi. eylemler. Einstein'ın daha önce tanıttığı dört boyutlu uzay-zaman gibi, bu beş boyutlu uzayı görselleştirmeye yönelik girişimler hemen ortaya çıktı. Bu girişimlerden biri de “paralel” dünyaların varlığı hipotezidir. Bir topun dört boyutlu görüntüsünü hayal etmek zor değildi: Bu, her zaman noktasındaki görüntülerinin bir kümesidir - geçmişten geleceğe uzanan bir top "borusu". Ve beş boyutlu bir top zaten bir alandır, tamamen aynı dünyalardan oluşan bir düzlem. Üçten beşe kadar boyutu olan tüm dünyalarda, tek bir neden bile, rastgele de olsa, birçok sonuca yol açabilir. Altı boyutlu Seçkin Sovyet uçak tasarımcısı L.R. tarafından yaratılan evren. Bartini, üç uzamsal ve üç zamansal boyut içerir. Bartini'ye göre zamanın uzunluğu süreyi, genişliği seçeneklerin sayısını, yüksekliği ise mümkün dünyaların her birinde zamanın hızını ifade eder.

Kuantum yerçekimi teorisi genel görelilik ile kuantum mekaniğini birleştirmesi gerekiyordu. Kuantum yerçekimi yasalarına tabi bir Evrende, uzay-zamanın eğriliği ve yapısı dalgalanma göstermelidir; kuantum dünyası hiçbir zaman hareketsiz değildir. Ve böyle bir dünyada geçmiş ve gelecek kavramlarının, olayların sırasının da farklı olması gerekir. Kuantum etkileri son derece küçük ölçeklerde ortaya çıktığı için bu değişiklikler henüz tespit edilememiştir.

50'li yıllarda XX yüzyıl R. Feynman, Y. Schwinger ve S. Tomogawa bağımsız olarak kuantum elektrodinamiğini oluşturdular, kuantum mekaniğini göreceli kavramlarla birleştirdi ve atomlar ve bunların radyasyonu çalışmalarında elde edilen birçok etkiyi açıkladılar. Daha sonra zayıf etkileşimler teorisi geliştirildi ve elektromanyetizmanın matematiksel olarak yalnızca zayıf kuvvetle birleştirilebileceği gösterildi. Yazarlarından biri olan Pakistanlı teorik fizikçi A. Salam şunları yazdı: “Einstein'ın başarısının sırrı, yerçekimi etkileşiminde yükün temel önemini fark etmesidir. Elektromanyetik, zayıf ve güçlü etkileşimlerdeki yüklerin doğasını Einstein'ın yerçekimi için yaptığı kadar derinlemesine anlayana kadar, nihai birleşmede başarı umudu çok azdır... Einstein'ın başarılı olamadığı girişimlerini sürdürmek istemeyiz sadece. ancak bu programa diğer masrafları da dahil edin.”

Çok boyutlu teorilere ilgi yeniden canlandı ve Einstein, Bergman, Kaluza, Rumer ve Jordan'ın çalışmaları yeniden dönüşmeye başladı. Sovyet fizikçilerinin (L.D. Landau, I.Ya. Pomeranchuk, E.S. Fradkin) çalışmaları, kuantum elektrodinamiğinde 10-33 cm mesafelerde giderilemez çelişkilerin ortaya çıktığını gösteriyor (farklılıklar, anormallikler, tüm yükler sıfır olur). Birçok bilim adamı birleşik bir teori oluşturmaya yönelik fikirler üzerinde çalıştı. S. Weinberg, A. Salam ve S. Glashow, elektromanyetizma ve zayıf nükleer kuvvetin belirli bir “elektrozayıf” kuvvetin tezahürü olarak kabul edilebileceğini ve güçlü kuvvetin gerçek taşıyıcılarının kuarklar olduğunu gösterdiler. Oluşturulan teori - kuantum kromodinamiği- kuarklardan protonlar ve nötronlar oluşturdu ve temel parçacıkların sözde standart modelini oluşturdu.

Planck ayrıca temel teorileri tanımlayan üç sabitten oluşan niceliklerin temel rolüne dikkat çekti: STR (ışık hızı c), kuantum mekaniği (Planck sabiti). H) ve Newton'un yerçekimi teorisi (yerçekimi sabiti) G). Bunların birleşiminden üç miktar elde edebilirsiniz (Planck'çı)İle

kütle, zaman ve uzunluk boyutları

5 10 93 g/cm3 . Planck uzunluğu, kuantum elektrodinamiğinin anlamsız hale geldiği kritik mesafeye denk gelir. Artık geometri yalnızca 10 - 16 cm'nin üzerindeki mesafelerde belirlendi; bu, Planck'ınkinden 17 kat daha büyüktür! Etkileşimlerin birleştirilmesi, teorideki farklılıkları ve anormallikleri ortadan kaldırmak için gereklidir; sorun, parçacıkların nokta olarak tanımlanması ve uzay-zamanın çarpıtılmasıydı. Ve daha yüksek simetri fikirlerinin yardımıyla onu aramaya başladılar. Bu fikirler 80'lerde "ikinci bir rüzgar" aldı. XX yüzyıl GUT ve süper yerçekiminin büyük birleşme teorilerinde. GUT, yerçekimsel olanlar dışındaki tüm etkileşimleri birleştirmemize izin veren bir teoridir. Eğer yerçekimi etkileşimini onunla birleştirmeyi başarırsak, Var Olan Her Şeyin Teorisini (TVS) elde edeceğiz. O zaman dünya tek tip olarak tanımlanacak. Böyle bir “süper güç” arayışı devam ediyor.

Süper yerçekimi teorileri, genel göreliliği oluştururken geometrik yaklaşımın doğasında bulunan çok boyutlu yapıları kullanır. Farklı sayıda boyutlardan bir dünya inşa edebilirsiniz (11 ve 26 boyutlu modeller kullanırlar), ancak 11 boyutlu olanlar matematiksel açıdan en ilginç ve güzel olanlardır: 7, gizli boyutların minimum sayısıdır. Üç yerçekimi olmayan kuvvetin teoriye dahil edilmesine izin veren uzay-zaman ve 4, uzay-zamanın olağan boyutlarıdır. Bilinen dört etkileşim, beşten fazla boyuta sahip geometrik yapılar olarak ele alınır.

Süpersicim teorisi 80'lerin ortasından beri geliştirildi. XX yüzyıl süper yerçekimi ile birlikte. Bu teori İngiliz bilim adamı M. Green ve Amerikalı bilim adamı J. Schwartz tarafından geliştirilmeye başlandı. Bir nokta yerine parçacıkları çok boyutlu bir uzaya yerleştirilmiş tek boyutlu bir sicim ile ilişkilendirdiler. Bu teori, nokta parçacıkların yerine minik enerji döngülerini koyarak hesaplamalarda ortaya çıkan saçmalıkları ortadan kaldırdı. Kozmik sicimler - bunlar temel parçacıklar teorisinin ürettiği egzotik, görünmez oluşumlardır. Bu teori, dünyanın hiyerarşik anlayışını yansıtıyor; fiziksel gerçekliğin nihai bir temeli olmadığı, yalnızca giderek daha küçük parçacıklardan oluşan bir dizi olduğu ihtimali. Çok büyük parçacıklar ve kütlesiz yaklaşık bin parçacık var. Planck boyutuna (10-33 cm) sahip her telin sonsuz sayıda titreşim türü (veya modu) olabilir. Kemanın tellerinin titreşimi çeşitli sesler ürettiği gibi, bu tellerin titreşimi de tüm kuvvetleri ve parçacıkları üretebilir. Süper sicimler kiraliteyi anlamamıza izin verin (Yunancadan. cheir- el), süper yerçekimi sol ve sağ arasındaki farkı açıklayamasa da, her yönde eşit miktarda parçacık içerir. Süper sicim teorisi, süper yerçekimi gibi, deneyimle değil, matematiğin daha karakteristik özelliği olan anormalliklerin ve sapmaların ortadan kaldırılmasıyla ilişkilidir.

Amerikalı fizikçi E. Witten, süper sicim teorisinin fiziğin geleceği için ana umut olduğu sonucuna vardı; bu teori yalnızca kütleçekim olasılığını hesaba katmakla kalmıyor, aynı zamanda onun varlığını da ileri sürüyor ve kütleçekim, süper sicim teorisinin bir sonucu. Topoloji ve kuantum alan teorisinden alınan teknolojisi, yüksek boyutlu dolaşmış düğümler arasındaki derin simetrilerin keşfedilmesine olanak tanıyor. Nispeten tutarlı teoriye karşılık gelen boyut sabittir, 506'ya eşittir.

Süper sicim teorisini kullanarak, maddenin Evrendeki "düzensiz" dağılımını açıklamak mümkündür. Süper sicimler, yeni doğan Evrenin maddesinden arta kalan ipliklerdir. İnanılmaz derecede hareketli ve yoğundurlar, etraflarındaki uzayı bükerler, toplar ve halkalar oluştururlar ve devasa döngüler temel parçacıkları, galaksileri ve galaksi kümelerini doğurmaya yetecek kadar güçlü bir çekimsel çekim yaratabilirler. 1986'ya gelindiğinde kozmik sicimler üzerine pek çok makale yayımlandı, ancak henüz keşfedilmemişlerdi. Süper sicimlerin, yerçekimsel bir mercek görevi görerek neden oldukları uzayın eğriliği veya yaydıkları kütleçekim dalgaları yoluyla bulunabileceğine inanılmaktadır. Süper sicimlerin evrimi bilgisayarlarda oynatılıyor ve görüntü ekranında uzayda gözlemlenenlere karşılık gelen resimler beliriyor; burada neredeyse hiç galaksinin bulunmadığı filamentler, katmanlar ve dev boşluklar da oluşuyor.

Kozmoloji ve parçacık fiziğinin son 30 yıldaki bu olağanüstü yakınsaması, birincil tekillikten sonraki 10 -43 ile 10 -35 saniye arasındaki kısa bir aralıkta uzay-zaman ve maddenin doğuş süreçlerinin özünü anlamayı mümkün kılmıştır. , isminde Büyük patlama. 10 (süper çekim) veya 506 (süper sicim teorisi) boyutlarının sayısı nihai değildir; daha karmaşık geometrik görüntüler ortaya çıkabilir, ancak birçok ek boyut doğrudan tespit edilemez. Evrenin gerçek geometrisi muhtemelen üç uzamsal boyuta sahip değildir; bu, yalnızca Evrenin gözlemlenebilir kısmı olan Metagalaksi için tipiktir.

Ve Büyük Patlama sırasında (10-15 milyar yıl önce) üçü hariç hepsi Planck boyutlarına kıvrılmıştı. Büyük mesafelerde (Metagalaxy 10.28 cm boyutuna kadar) geometri Öklidyen ve üç boyutludur, Planck mesafelerinde ise Öklidyen değildir ve çok boyutludur. Şu anda geliştirilmekte olan Var Olan Her Şeyin Teorilerinin (TEC), parçacıklar arasındaki tüm temel etkileşimlerin tanımlarını birleştirmesi gerektiğine inanılmaktadır.

Araştırma konusunun tesadüfü bilimlerin yerleşik metodolojisini değiştirdi. Astronomi gözlemsel bir bilim olarak görülüyordu ve hızlandırıcılar parçacık fiziğinde bir araç olarak görülüyordu. Artık parçacıkların özellikleri ve kozmolojideki etkileşimleri hakkında varsayımlarda bulunmaya başladılar ve şimdiki nesil bilim adamlarının bunları test etmesi mümkün hale geldi. Dolayısıyla kozmolojiden temel parçacıkların sayısının küçük olması gerektiği sonucu çıkar. Bu tahmin, Evren'in yaşının yaklaşık 1 saniye olduğu dönemdeki nükleonların ilkel füzyon süreçlerinin analiziyle ilgiliydi ve hızlandırıcılarda daha büyük güçlere ulaşmanın sayılarda artışa yol açacağının görüldüğü bir zamanda yapıldı. temel parçacıklardan oluşur. Eğer çok sayıda parçacık olsaydı, Evren şimdi farklı olurdu.