Стівен Гокінг на шляху до єдиної фізичної теорії
Кінцевою метою природничих наук є створення єдиної теорії, яка б описувала весь Всесвіт. Шлях до цієї теорії - це шлях в історію людства. Але від цієї теорії залежить наше майбутнє та чи стане доступною фізика для кожного з нас.
Фізика для всіх
У XVIII столітті філософи вважали все людське знання, в тому числі і науку, своєю сферою впливу. В ті часи філософи займалися обговоренням питань, таких як: чи був початок у Всесвіту? Але розрахунки і математичний апарат науки XIX-XX ст. став складним для філософів і взагалі для всіх, за винятком спеціалістів. Філософи настільки звузили коло своєї діяльності, що Людвіг Вітґенштайн з цього приводу сказав: «Єдине, що залишається філософії, - це аналіз мови». На думку Стівена Гокінга ось таким є великим приниження для філософії, з її великими традиціями від Аристотеля до Канта!
Тому для того, щоб такі важкі науки, як фізика/астрофізика були зрозумілими, Гокінг почав писати книги. Першою з них стала «Коротка історія часу» (1988). Потім «Чорні діри та молоді всесвіти» (1993) та лекція «Теорія всього» (ці праці знаходяться у книзі Вселенная Стивена Хокинга. Три книги о пространстве и времени. Санкт-Петербург «Амфора» 2014). Гокінг вважає, щоб пересічна людина могла впливати на суспільне життя та політику, вона має знати також і фізику. Ми не будемо розглядати тут всі питання, які заторкнув Гокінг: чорні діри, час, свобода волі людини, автобіографічні дані Гокінга і так далі. Але тут буде розказано про шлях науковців від примітивних уявлень про Всесвіт до єдиної фізичної теорії Всесвіту. Автор статті і в даному нарисі не мав змоги передати всі деталі, а тому рекомендує читати твори Стівена Гокінга. Далі постараємся зосередитися на шляху до єдиної фізичної теорії Всесвіту.
Еволюція світогляду про Всесвіт
Давньогрецький філософ Аристотель ще у 340 р. до н.е. у творі «Про небо» говорить про те, що Земля кругла, а не плоска. Але для нього вона була центром Всесвіту. Птолемей розвинув ідею Аристотеля в повну космологічну модель. Земля стоїть в центрі світу, і навколо неї є вісім сфер: Місяця, Сонця, Меркурія, Венери, Марсу, Юпітера та Сатурна. Останньою сферою була сфера нерухомих зірок. Тому, що перебуває за останньою сферою Птолемей не дає пояснення. Церква прийняла цю модель Всесвіту, бо вона не суперечила Біблії. Для Церкви ця теорія була добра тим, що залишала багато місця для раю та пекла.
У 1514 році польський священник Микола Копернік висунув теорію з більш простою моделлю Всесвіту. Ця теорія була підтверджена у 1609 році. Тоді італієць Галілео Галілей почав спостерігати нічне небо за допомогою щойно придуманого ним телескопа. Він направив його на планету Юпітер, де побачив кілька супутників. Це означало, що не всі небесні тіла мають обов’язково обертатися навколо Землі, як вважали Птолемей та Аристотель. А тому в центрі нашої галактики має бути планета Сонце.
В той же час Йоган Кеплер модифікував модель Коперніка, висунувши гіпотезу, що орбіти планет рухаються не по колу, а еліпсу. 1687 року Ісак Ньютон опублікував книгу «Математичні начала натуральної філософії». У ній він описав закон всесвітнього тяжіння, згідно з яким всяке тіло у Всесвіті притягується до ще більшого тіла з тим більшою силою, чим більша маса цих тіл і чим менша відстань між ними. Ця ж сила змушує тіла падати на землю. Також Ньютон показав, що, відповідно до закону гравітації, Земля і планети рухаються по еліптичній орбіті навколо Сонця.
Теорія відносності Ейнштейна
У XVIII ст. було відкрито, що світло рухається зі швидкістю близько
У 1905 році Альберт Ейнштейн показав, що всі спостерігачі можуть виміряти одну і ту ж саму швидкість світла, якщо для цього доведеться відмовитися від універсального поняття часу. Замість нього у кожного буде свій індивідуальний час, який вони можуть виміряти своїми годинниками. Таким чином Енштейн зі своєю новою теорією відносності (теорію 1905 року називають спеціальною теорією відносності) покінчив з поняттям абсолютного часу. Також ця теорія показує, як об’єкти рухаються в часі та просторі. Час не є універсальною величиною, яка існує сама по собі, окремо від простору. А майбутнє і минуле – це не просто напрямки, як вверх або вниз, вправо та вліво, вперед та назад, в так званому часопросторі. В часі ми можемо рухатися лише в напрямку майбутнього. Але не просто лінійно, а у напрямку під кутом
У 1915 році Енштейн ввів поняття загальної теорію відносності. Він висунув ідею про те, що гравітація – це не просто сила, яка діє в часопросторі, а викривлення часопростору. З цього випливає, що Земля могла би рухатися по прямій траекторії, але викривлення, яке викликане масою Сонця, заставляє її рухатися по колу.
В той час була Перша світова війна, а тому ця обставина заважала Енштейнові підтвердити теорію відносності. У 1919 році вченим Артуром Еддінгтоном та іншими британськими вченими, які спостерігали за сонячним затемненням, була підтверджена емпірично ця теорія.
Безмежний динамічний Всесвіт
Про розширення Всесвіту, на основі теорії всесвітнього тяжіння Ньютона, можна б було говорити навіть у XVIII ст. Але віра в статичний Всесвіт була настільки велика, що була присутня навіть у світогляді фізиків XX ст. В тому числі сам Ейнштейн був впевнений у статичному Всесвіті. Для того, щоб не заперечувати статичність Всесвіту, він модифікував свою теорію та ввів космологічну сталу.
Але лише одна людина по-справжньому вірила загальній теорії відносності. І нею був російський фізик та математик Олександр Фрідман. Він став творцем теорії нестаціонарного всесвіту. Фрідман зробив припущення, що Всесвіт виглядає однаково, в якому напрямку ми б за ним не спостерігали.
Як вже ми знаємо, інші зірки в нашій Галактиці утворюють світлу смугу, яку видно на небі вночі, - Чумацький Шлях. Але якщо говорити про далекі галактики, то їх число приблизно однакове у всіх напрямках. Якщо ми бачимо, що всі інші галактики віддаляються від нас, то це означає, що ми знаходимся в центрі Всесвіту. Але є ще інша гіпотеза Фрідмана. Всесвіт буде виглядати однаково, якщо на нього дивитися з будь-якої іншої галактики. Було би дивно, якщо Всесвіт здавався тільки однаковим навколо нас, а в інших його точках цього не було б!
Теорія Фрідмана була підтверджена астронавтом Едвіном Хабблом. В 1929 році ним було зроблено епохальне відкриття. Виявилося, що всі дальні галактики швидко віддаляються від нас. Всесвіт розширюється. Це означає, що були часи, коли космічні об’єкти знаходилися близько один біля одного. Спостереження Хаббла свідчать про те, що був великий вибух, з якого почався Всесвіт. До цього моменту вважалося, що часу не існувало. І не можна говорити про початок Всесвіту до великого вибуху. Таким чином відкриття Хаббла перевело питання створення Всесвіту в область компетенції природничих наук.
Єдина теорія
Кінцевою ціллю науки є створення єдиної теорії, яка б описувала весь Всесвіт. Для створення цієї теорії одні вчені вивчають закони, які дають нам можливість дізнатися, як Всесвіт змінюється з часом. Але є такі, які зацікавлені у питанні виникнення Всесвіту та його початкового стану. Дехто вважає, що наука має займатися лише вивченням законів, а питання про те, що було на початку вважають справою метафізики та релігії. Прихильники такої думки говорять, що Бог всемогутній, то в Його волі було «запустити» Всесвіт як завгодно. Якщо вони праві, то у Бога була можливість зробити так, щоб Всесвіт розвивався зовсім випадково. Бог, як видно, віддав перевагу тому, щоб Всесвіт розвивався регулярно, згідно чітко визначених законів. Тоді логічно, що існують закони, які керують початковим станом Всесвіту.
Зараз є дві основні теорії для опису Всесвіту: загальна теорія відносності та квантова механіка. Вони є результатом творчих зусиль вчених першої половини XX ст. Загальна теорія описує гравітаційні взаємодії та Великомаштабну структуру Всесвіту (в масштабі від декілька кілометрів до мільйонів кілометрів (одиниця та двадцять чотири нулі). Квантова механіка має справу з явищами вкрай малих масштабів (як одна мільйонна одної мільйонної сантиметрів. І ці теорії несумісні – вони не можуть бути одночасно правильними. Одним із головних напрямків досліджень у новітній фізиці є пошук нової теорії, яка б об'єднала ці дві теорії в одну – теорію квантової гравітації.
Але, якщо ми дійсно відкриємо повну теорію, то з часом її принципи стануть відкритими для розуміння кожного, а не тільки для декількох спеціалістів. І тоді всі ми – філософи, вчені та звичайні люди – зможемо взяти участь в дискусії про те, чому так сталося, чому існуємо ми та існує Всесвіт. А якщо буде знайдена відповідь на це питання, це буде повним тріумфом людського розуму, бо лише тоді нам стане зрозумілий задум Бога.
Дмитро Тирусь
© md-eksperiment.org
