Скорость света — постоянна и нерушима

Еще в девятнадцатом веке, когда Джеймс Клерк Максвелл составлял свои уравнения, оказалось, что электричество и магнетизм можно объединить в одну теорию только при условии, что скорость света постоянна и не зависит от скорости его источника. Это было подтверждено более поздними экспериментами, в т.ч. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли.

Кроме того, оказалось, что скорость света — это максимально возможная скорость в известной Вселенной, определенный предел, который нельзя превышать. Время от времени появляются сенсационные сообщения о «превышении» скорости света, например, нейтрино в экспериментах, проводимых в Италии. Однако после проверки неизменно выясняется, что «рекорд не побит», потому что ученые что-то упустили или неправильно измерили.

Из постоянной скорости света следует:

Специальная теория относительности (СТО)

Два объекта, приближающиеся друг к другу со скоростью 90% скорости света, согласно «здравому смыслу» должны иметь относительные скорости больше скорости света. Ничего подобного, заявил он в 1905 году. Альберт Эйнштейн. Время и пространство искривляются таким образом, что скорость света всегда остается постоянной, как непреодолимый предел.

Специальная теория относительности также является уравнением E = MC²что масса и энергия по существу одинаковы, только в разных формах концентрации. Это используется Большим адронным коллайдером, который, сообщая частицам большие энергии, создает новые частицы. На этих основаниях было построено Стандартная модель конструкция атома. Дальнейшие следствия специальной теории относительности и дальнейшие открытия можно найти в общая теория относительности и квантовые теории поля (об этом ниже).

А ускоренное движение? В специальной теории относительности пренебрегали гравитацией. Согласно Исаак Ньютон гравитация работает мгновенно, т.е. быстрее света. Таким образом, при удалении удаленного источника света и массы, такого как Луна, гравитация исчезнет раньше, чем сама Луна исчезнет из нашего поля зрения. По словам Эйнштейна, это невозможно. Таким образом, он имел дело как с гравитацией, так и с ускоренным движением.

Однородность, или космологический принцип

Вера в то, что Вселенная одинакова вдоль и поперек и состоит из элементов, похожих друг на друга, увековечена веками наблюдений. Тем не менее, некоторые люди сомневаются в однородности космоса, указывая на то, что мы все же знаем лишь малую часть Вселенной. — примером могут служить недавно обнаруженные гигантские сооружения, такие как Великая стена Геркулеса-Северная Корона, длина которой оценивается более чем в 10 миллиардов световых лет. При таких больших масштабах мы уже не можем судить об однородности пространства.

Космологический принцип имеет значение в строительстве стандартная космологическая модельо чем мы напишем ниже как о следствии эквивалентности силы тяжести и ускорения.

Эквивалентность силы тяжести и ускорения

Когда нет сопротивления воздуха, падающие предметы — будь то камень или перо — ускоряются с одинаковой скоростью. Этот факт уже был замечен Галилео. Это было экспериментально подтверждено астронавтами на Луне.

Ньютон доказал, что это происходит потому, что инерционная масса объекта, то есть сопротивление ускорению, равна его гравитационной массе и, следовательно, реакции объекта на силу тяжести. Несмотря на долгую историю изучения этой проблемы, взаимосвязь до конца не изучена, и до сих пор нет ответа, почему это так.

Альберт Эйнштейн считал рассматриваемую эквивалентность законом природы. Его общая теория относительности говорит, что гравитация и ускоренное движение — две стороны одной и той же силы. Обе силы эквивалентны друг другу. Это фундамент общей теории относительности принцип эквивалентности. Если вы сидите в кресле, вы также ускоряетесь, потому что чувствуете силу тяжести. Вы ускоряетесь относительно наблюдателя, на которого не действует никакая сила. Мы чувствуем влияние гравитации только тогда, когда противостоим ей.

Из принципа эквивалентности силы тяжести и ускорения следует:

Общая теория относительности (ОТВ)

Если, согласно СТО, движение объекта искривлено временем и пространством, то так действует и его ускорение. А поскольку ускорение неотличимо от силы тяжести, последняя искривляет пространство-время. Таким образом, общая теория относительности есть не что иное, как комбинация СТО и принципа эквивалентности силы тяжести и ускорения.

Гравитационные волны, возникающие при слиянии двух черных дыр

Понятие гравитации, самого слабого взаимодействия в природе, единственного, которое еще не объяснено квантовой механикой, связано с ГТА, и гравитационные волны, которые в последнее время стали громкими благодаря их первому обнаружению в 2015 году в эксперименте LIGO.

Общая теория относительности объясняет, как Вселенная работает в больших масштабах. Однако он делает это не полностью. Общая космологическая модель требует, например, объяснения того, как распределяется материя.

Согласно OTW, точкой отсчета для каждого вида движения (в том числе и ускоренного движения) являются свободно падающие наблюдатели, поддавшиеся гравитации и не чувствующие действия какой-либо силы. Эта гравитационная сила исходит от всей материи и энергии космоса. Итак: тело ускоряется относительно точки отсчета, на которую воздействует вся материя во Вселенной.

STR, OTW плюс космологический принцип приводят к:

Стандартная космологическая модель

Общепринятая ныне модель описывает Вселенную с началом в виде Большого Взрыва (13,8 млрд лет назад) — переход от невообразимо горячего и плотного состояния, через расширение, к тому образу, который мы имеем перед глазами (и приборами ) сегодня. Однако эта модель искажена многочисленными аномалиями и вопросами, на которые мы не можем найти удовлетворительных ответов.

Квантование

Рассуждения в терминах порционной энергии – кванты – начались с открытий Макс Планк и Альберт Эйнштейн с начала XNUMX века. Позднее оказалось, что таким образом делится не только свет, или, шире, энергия электромагнитных взаимодействий, но и другие величины, например, электрический заряд или спин элементарных частиц. И снова — распространенный в физике и космологии вопрос «почему так?» не находит ответа.

Под квантованием понимается существование конечного или счетного множества допустимых значений данной величины. Когда мы говорим, например, что энергия электрона в атоме квантуется, мы имеем в виду, что можно наблюдать только определенные ее значения, в данном случае называемые энергетическими уровнями.

В первой половине двадцатого века квантование физических полейкоторый состоит в переходе от понятия непрерывного физического поля к понятию поля, состоящего из индивидуально испускаемых и поглощаемых так называемых виртуальные частицы (обменное взаимодействие, квантовая электродинамика). Предпринимаются попытки квантифицировать пространство и время, т.е. ввести в теоретическое описание физических явлений зернистое, прерывистое пространство-время — масштаб зерен как временных (так называемое планковское время), так и пространственных (планковская длина) зерен очень мал .

Принцип неопределенности

Вообще говоря, этот принцип означает, что существует предел, который мы не можем переступить в познании и измерении мира, а значит — предел нашего познания действительности. Проблема неопределенности может быть описана и объяснена многими способами. В известной Вселенной это явление имеет вполне «практическое» измерение. Например, он позволяет частицам «туннелировать», то есть преодолевать атомно-энергетические барьеры, чтобы зажигать живительные звезды в реакциях термоядерного синтеза.

Из-за неуверенности в общем — казалось бы — ничего, то есть в идеальном вакууме, элементарные частицы вдруг появляются «из ниоткуда». Это означало бы, что этот принцип лежит в основе реальности вообще. Однако это только кажущееся удовлетворительным объяснением, потому что теория, в которой реальность не может быть полностью познана, не может быть использована в полной мере.

Дуализм частиц и волн

Квантованные объекты не только носят маски, которые делают невозможным их точное наблюдение, но и носят разные маски одновременно. Поэтому они кажутся частицей или волной одновременно. Согласно квантовой механике, вся материя характеризуется этим дуализмом, хотя напрямую он проявляется только в очень тонких экспериментах, проводимых с атомами, фотонами или другими квантовыми объектами. Корпускулярно-волновой дуализм тесно связан с волны де Бройля — концепция, которая способствовала развитию квантовой механики и, в частности, ее выводу уравнения Шредингера.

Визуализация корпускулярно-волнового дуализма

В настоящее время у нас есть результаты многих экспериментов, подтверждающих корпускулярно-волновой дуализм. Интерферировать могут не только электроны, но и любые частицы, такие как нейтроны, протоны, частицы и даже целые атомы и химические молекулы.

Без учета как волновой, так и корпускулярной природы света мы не смогли бы описать такие общие эффекты, как фотохимическое явление, возникающее в процессе ассимиляции, а потому являющееся основой жизни на Земле. Необходимость учитывать как волновую, так и корпускулярную природу микрообъектов называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Принципы квантования, неопределенности и двойственности ведут к области, которую мы называем:

Квантовая механика

Именно для мира атома остается то, чем специальная и общая теория относительности остается для Вселенной. Для физиков было бы очень хорошо, если бы одно могло плавно перетекать в другое или логически, проверяемым образом вытекало бы одно из другого. К сожалению, это не случай. также квантовая механика полна загадочных и несовместимых с так называемыми явления здравого смысла. С другой стороны, разве теории Эйнштейна о скорости света не противоречат нашим привычкам мышления?

Вопрос возникает из квантовой механики запутанность квантовых состояний частиц. Этот эффект, несмотря на огромные возражения Эйнштейна, неоднократно подтверждался экспериментально. У Эйнштейна были основания возражать — теория предполагает, что две запутанные частицы взаимодействуют сразу, вне зависимости от их расстояния друг от друга. Это противоречит относительному пределу скорости света, по крайней мере, так кажется. Эффект запутанности связан с проблемой измерения, которую мы описываем в статье «Шесть космологических проблем».

Принципы квантования, неопределенности и дуализма, т. е. квантовая механика вместе с СТО, ведут к тематической области, называемой:

Квантовые теории поля

Предполагая, что масса и энергия по существу одинаковы, а частицы могут рождаться из «ничего» или из вакуума, в квантовых теориях поля логично, что элементарные частицы являются «возбуждениями» поля, лежащего в основе реальности. Теоретической основой этого направления послужило уравнение, разработанное британским физиком Паула Дирака в 20-х годах ХХ века. Его описание релятивистского поведения электронов впервые указало на существование античастицы — позитрона. Вскоре ее обнаружили. Антиматерия, а точнее ее дефицит во Вселенной, — одна из главных проблем современной физики.

Из приведенных выше теорий поля, квантовой механики, ее составляющих принципов и СТО вытекает следующее:

Стандартная модель физики элементарных частиц

Стандартная модель, закрытая не так давно открытием бозона Хиггса, суммирует то, что мы знаем сегодня об атомном мире. Она объединяет квантовую электродинамику (КЭД), объединяющую электромагнетизм и слабые ядерные взаимодействия, с квантовой хромодинамикой (КХД), теорией сильных ядерных взаимодействий. Таким образом, электромагнитные фотоны, W и Z бозоны слабых взаимодействий и глюоны — сильных входят в одну модель, «купающуюся» в творческом поле Хиггса. Остается только с сожалением отметить отсутствие серьезности в этой хорошей компании…

Что следует из вышесказанного? Очевидно, проблемы

Проблемы, с которыми сталкивается современная космология, описанные нами в следующей статье, вытекают из описанных выше принципов и их следствий…

Ze стандартный космологическая модель такие проблемы как:

• темная материя,
• темная энергия,
• инфляция,
• объединение взаимодействий,
• проблема идеальной настройки Вселенной.

Z Стандартная модель элементарных частиц текут следующие проблемы:

• объединение взаимодействий,
• проблема идеальной настройки Вселенной.

Z эффект квантовой запутанности:

• проблема измерения.