Аннотация: Отредактированное и дополненное введение к книге "Интуитивная модель Вселенной"
Данное издание выпущено в рамках проекта
"Человек.Земля..Вселенная."
Международного системного информационно -аналитического центра.
Президент ЕвтуховВ.И.
Ген.директор Сорока М.Г.
Киев
Йосиф Вакс
Интуитивная модель Вселенной
закон всемирного сжатия
Рамат- Ган - Киев 2011
ISBN 978-965-91577-0-9
ivaks@yahoo.co.uk
c Иосиф Вакс , 2010
Все права принадлежат автору
Интуитивная модель Вселенной
Закон Всемирного сжатия
Интуитивная модель Вселенной основана на интуитивном предположении автора, что во Вселенной между телами действует не Всемирное тяготение, а Всемирное сжатие и, поэтому, Вселенная - это особая среда: вечная, не имеющая начала и бесконечная в пространстве, свойства которой определяют и объясняют все явления в окружающем нас Мире. . Книга состоит из двух частей. Первая часть работы - строение и свойства Вселенной (среды). Вторая часть - проверка соответствия Интуитивной модели Вселенной главному требованию - каждая новая модель Вселенной должна объединять четыре известных в настоящее время взаимодействия: гравитационное,электромагнитное, сильное и слабое ядерные взаимодействия.
Краткие сведения об авторе:
Иосиф Вакс - военный инженер связи, подполковник в отставке - после 29 -летней службы в Советской армии(1943-1972). .
В годы Второй Мировой войны - старший сержант в роте автоматчиков 349 гвардейского стрелкового полка, 105 гвардейской стрелковой дивизии , принимавшей участие в боевых действиях по освобождению Венгрии,Австрии,Чехословакии. После войны закончил Ленинградское офицерское училище связи, затем в дальнейшем Военную Инженерную Академию связи. . После выхода в отставку в 1972 г. проживал с семьей в Ленинграде и работал ведущим инженером в отделе электронных систем управления ЦКБ спецтехнологического оборудования, объединения "Позитрон". С 1990 года с семьей в Израиле, пенсионер. В центре интересов - анализ моделей Вселенной, космологических теорий формулировка и проверка на соответствие основных понятий Интуитивной модели Вселенной.
Публицистика - цикл статей и книга" Сто лет лжи и насилия" (Иерусалим,2005), посвященных логическому анализу арабоизраильского конфликта .
Часть первая. Интутивная модель Вселенной..................................... 37
Глава1. Определение понятия "Вселенная"............................................37
Глава2. Строение и свойства Первичной Материнской Субстанции Вселенной. Дозвездный период .................... ................................... 40
Глава3. Образование вещества ................................................. 46
Глава4. Образование звезд, галактик и их скоплений ........ ................ 51
Глава5. Закон Всемирного сжатия тел .......................................... 53
Глава6. Плотность ПМС- темной материи в сфере сжатия притяжения Галактики.................................................................. 61
Глава7. Плотность ПМС - темной энергии в межгалактическом пространстве.................................................................... 65
Часть вторая. Объединение четырех видов взаимодействия - на основе квантово- механических свойств Интутивной модели Вселенной......................................................................... 73
8.1 Современная физическая теория гравитации.......................... 73 8.2Структура гравитационных полей в Интутивной модели Вселенной......................................................................... 74
8.4 Закон инерции. ................................................... 84
Глава9. Электромагнитные взаимодействия ............. 88
9.1 Электромагнитные взаимодействия в современной физике................................................................... .............88
9.2 Электромагнитные взаимодействия с учетом строения и свойств Интутивной модели Вселенной............................................................. 90
9.3 Постоянство скорости света.......................................... ..... 92 9.4 Электрический заряд и электрическое поле ................................... 94
9.5 Постоянный и переменный ток................................................. 101
Глава10. Слабые и сильные взаимодействия ........................... 106
10.1 Стандартная модель элементарных частиц ....................................106
10.2 Строение и взаимодействие элементарных частиц в Интутивной модели Вселенной......................................................................... 108
10.3Три поколения элементарных частиц.......... 111
Литература ....................................................................... 116
Введение
Поиски первоисточника, первопричины рождения материального мира от элементарных частиц и атомов до, состоящих из них, небесных тел и всего сущего - владеют умами людей, в первую очередь мыслителей-ученых всех времен и народов. Благодаря этому были открыты законы природы, на основании которых стал возможен научнотехнический прогресс, фантастические достижения которого преобразили нашу жизнь: новые технологии и автоматизация, микроэлектроника и компьютерная техника,интернет, радиэлектроника и связь, атомная энергетика и освоение космоса - далеко неполный перечень научнотехнических достижений только за последние сто лет. Современная физика, продолжая развиваться все более быстрыми темпами , все глубже проникает в тайны природы. Однако до настоящего времени не создана единая непротиворечивая общая теория, охватывающая все мироздание, объясняющая все явления в окружающем нас мире и в первую очередь - явления гравитационных и электромагнитных взаимодействий, установленных законами, проверенными экспериментально и на практике.
Объединительная теория, по мнению ряда исследователей, должна быть основана на такой модели Вселенной, из свойств которой вытекали бы все известные физические законы и явления. В настоящее время ни одна из теорий о происхождении, эволюции и строении Вселенной(например,теории - Большого взрыва, Горячей Вселенной или Пульсирующей Вселенной) этому требованию не соответствует, несмотря на то, что открытые ими новые закономерности и свойства Вселенной оказали огромное влияние на возможное решение этой ключевой проблемы космологии- части физики и астрономии, изучающей законы Вселенной как единого целого . В связи с этим в научном мире повысился интерес к возможности использования в научной деятельности интуитивного мышления, когда эмпирические методы исследования ограничены и не дают желаемых результатов. . Еще в 30-е годы прошлого века А.Эйнштейн, который последние десятилетия своей жизни занимался поисками единой теории, которая бы объединила теорию тяготения и теорию электромагнитного поля, в итоге пришел к выводу, что: "К основным положениям физической теории ведет не логический путь, а интуиция, основанная на вчуствовании в опыт".
По определению понятие "интуиция": "...постижение истины путем непосредственного ее усмотрения без обоснования с помощью доказательства; субъективная способность выходить за пределы опыта путем мысленного схватывания ("озарения")или обобщения в образной форме непознанных связей,закономерностей".
По мнению известного российского ученого, одного из основателей теоретической астрофизики В.А. Амбарцумяна( 1908-1996) : "Вопрос о роли интуиции в естественнонаучном исследовании представляет большой интерес. Иногда дело изображается таким образом, что интуиция- это какое-то прозрение, ни на чем объективном не основанное . Однако пророческие выводы в естествознании, намного опережающие свое время, чаще всего основаны на тщательном продумывании имеющихся фактических данных и умении из многих возможных вариантов их объяснения выбрать тот, который имеет некоторый, быть может, едва заметный перевес по сравнению с другими, являясь более близким к истине. В этом умении правильно оценить ситуацию и состоит интуиция естествоиспытателя..." [1].
Интуиция, утверждает Бергсон, дает "непосредственное" восприятие истины вне процесса чувственного и рационального познания и лежащей в его основе практики". (БЕРГСО́Н Анри-Луи 1859 -1941, французский философ)[2].
В книге "Правила для руководства ума" Рене Декарт пишет : "Под интуицией я подразумеваю не зыбкое свидетельство чувств и не обманчивое суждение неправильно слагающего воображения, а понимание (conceptum) ясного и внимательного ума, настолько легкое и отчетливое, что не остается совершенно никакого сомнения относительно того, что мы разумеем..."[3 ] .
Следовательно, интуиция не чувственное, а только умственное, чисто интеллектуальное знание .
В действительности "интуитивное прозрение" - результат длительных( на протяжении многих лет) размышлений "на заданную тему", сбор и изучение информации по этой теме и "вчуствование в опыт ".
Это необходимо ,в первую очередь,чтобы убедиться, что подсказанное интуицией решение не противоречит принципу соответствия, согласно которому любая новая теория должна в некотором пределе воспроизводить(включать) результаты старой проверенной теории, например, любая теория гравитации в пределе малых скоростей и слабых гравитационных полей должна сводиться к гравитации Ньютона.
Поэтому прежде чем приступить к описанию и обоснованию Интуитивной модели Вселенной, следует в кратком обзоре рассмотреть историю развития космологических представлений.
В древние времена представления об окружающем нас мире формировались исключительно на основании наблюдаемой реальности и интуитивных ощущений.
Несмотря на это, а возможно благодаря этому, великие мыслители прошлого создали классические труды по философии, этике, логике, математике физике,в том числе о происхождении и строении Вселенной как они ее себе представляли. В IV в. до н. э. величайший древнегреческий философ Аристотель (384-322 гг. до н. э.), систематизировал и объединил, накопленные на протяжении веков, знания и создал универсальную картину мира, в которой впервые была высказана идея взаимосвязи свойств материи, пространства и времени.
Принципы, которыми руководствовалсяАристотель:
" ...в науке о природе надо попытаться определить прежде всего то, что относится к началам".
"...природа всегда осуществляет наилучшую из всех возможностей ".
"...природе свойственно сходное поведение во всех случаях" .
Модель Вселенной Аристотеля сформулированна им в основном в его физических трактатах: "Физика", "О происхождении и уничтожении", "О небе"[4] .
В геоцентрической системе мира Аристотеля центральное положение Земли следовало из общих свойств Вселенной- в частности ее шарообразности и органиченности. При этом под Вселенной он подразумевал всю существующую материю ,состоявшую по его теории, из четырех обычных элементов ( земли, воды, воздуха и огня) и пятого - небесного -эфира, который от обычной материи отличался тем, что не имел свойств "легкости и тяжести". . Запоняющий мировое пространство эфир находился в вечном круговом движении и из него состояли все небесные тела сферической формы. При этом каждое небесное тело имеет скрепленную с ней сферу (оболочку) из того же эфира, вместе с которой оно перемещается по небу.
Источником всякого движения Аристотель считал "перводвигатель" мира- неподвижное, но движущее начало .
Аристотель различал четыре рода движения: качественное, количественное, перемещение, возникновение и уничтожение .
В космологии Аристотеля планетные сферы имеют реальное физическое существование: Вселенная состоит из ряда концентрических сфер, движущихся с различными скоростями и приводимых в движение крайней сферой неподвижных звёзд. Земля как наиболее тяжёлый элемент занимает центральное место, над ней последовательно располагаются оболочки воды, воздуха и огня. Область между орбитой Луны и крайней сферой неподвижных звёзд, есть область вечноравномерных движений, а сами звёзды состоят из пятого совершеннейшего элемента - эфира.
Такое определение Вселенной подтверждали наблюдения и оно не вызывало сомнений, поскольку "видно было невооруженным глазом".
Из суждений Аристотеля, которые относятся к строению и свойствам Вселенной, как он их понимал, можно сделать следующее краткое обобщение :
1 Вселенная конечна и ограничена сферой ,за пределами которой нет ничего ни пространства, ни времени. Однако в пределах Вселенной невозможно существование пустоты: "... не существует пустоты ни в отдельности (ни вообще, ни в редком), ни в возможности, - разве только пожелает кто-нибудь во что бы то ни стало называть пустотой причину движения ..." [4].
2 Время -мера движения связанного с материей. Оно бесконечно - у него нет ни начала, ни конца.
3 Вселенная никогда не возникала -она вечна и неуничтожима.
4 Источником всего возникающего (всякого возникновения и уничтожения ) может быть только нечто бесконечное.
5 Бесконечное существует как свойство чего-то неделимого, бессмертного и неразрушимого, не имеющего начала, но являющееся началом всего другого("все объемлет и всем управляет").
6 Мировое пространство Вселенной заполняет эфир, который, вместе с закрепленными в нем небесными телами, находится в вечном круговом движении вокруг неподвижной Земли - центра Вселенной. Эфир отличается от обычной материи тем , что у него нет "ни легкости ни тяжести ".
7 Все небесные тела состоят из этого эфира и имеют сферическую форму. При этом каждое небесное тело имеет, скрепленную с ней сферу (оболочку) из того же эфира, вместе с которым оно перемещалось по небу.
8 Вечное круговое движение эфира, заполняющего Вселенную, поддерживает "первый двигатель", обладающий свойством приводить в движение и поддерживать его вечно, оставаясь при этом неподвижным.
9 "Первый неподвижный двигатель" сохраняет это свойство в течении бесконечного времени, поэтому "он неделим, не имеет ни частей ни какой- либо величины" .
Аристотель величайший мыслитель своего времени, сформулировал основные принципы философии, логики, физики, биологии, этики, политики, поэзии, риторики и космологии, которые остаются актуальными и в новое время.
Только в 15 веке на смену геоцентрической теории,представленной в трудах Аристотеля, а позднее в трудах александрийского астронома Птоломея, пришла гелиоцентрическая теория строения Вселенной. Эту новую, революционную в его время, теорию создал гениальный польский астроном Николай Коперник (1473-1543).
Гелиоцентрическая система Вселенной Коперника также включала всю существующую материю, однако в ее центре он поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты,- и среди них Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от планетной системы находилась сфера с неподвижными звездами. Коперник, так же представлял Вселенную конечным пространством , а движения небесных тел равномерными и круговыми. Одно из достоинств космологической концепции Коперника - это логическая простота планетной теории, которая быстро получила всеобщее признание.[5]
В 1584 году Джордано Бруно (1548-1600)- представил миру новую концепцию Вселенной, которую изложил в двух книгах: "О причине, начале и едином" и "О бесконечности, вселенной и мирах". Эта концепция существенно меняла астрономическую картину мира. Она содержала идею множественности миров, отрицала существование какого бы то ни было центра Вселенной, утверждала ее бесконечность во времени и пространстве. Все пространство Вселенной, "единое и безмерное", Бруно представлял заполненной космическим веществом(эфиром ), в котором, взамодействуя с ним, движутся "бесчисленные звезды, созвездия, шары, солнца и земли" , а в основе всех вещей, всех элементов, из которых состоит Земля и все другие небесные тела, лежит вечная - неисчезающая и неизменная первичная материальная субстанция.[6] Иоганн Кеплер (1571 - 1630), немецкий математик и астроном, используя огромный материал астрономических наблюдений датского астронома Тихо Браге (1546-1601), открыл законы движения планет, в соответствии с которыми все орбиты планет - эллипсы, общим фокусом орбит является Солнце(первый закон). Второй закон установил, как меняется скорость планеты при удалении или приближении к Солнцу - в первом случае они движутся медленнее. Третий закон установил строгую зависимость между временем обращения планет и их расстоянием от Солнца: квадраты периодов обращения любых двух планет относятся между собой как кубы их средних расстояний от Солнца[7].
Таким образом была окончательно подтверждена гелиоцентрическая система Коперника.Законы планетной кинематики, открытые Кеплером, послужили позже Ньютону основой для создания теории тяготения. Ньютон математически доказал, что все законы Кеплера являются следствиями закона тяготения.
Классическая физика нового времени была подготовлена научными открытиями великого итальянского физика, астронома и философа Галилео Галилея(1564-1642) . Сформулировав принцип относительности движения, закон свободного падения тел, механику их падения по наклонной плоскости, идею инерции - Галлилей заложил основы классической динамики.
В основе его мировоззрения лежит признание объективного существования мира, который бесконечен и вечен. В природе, по Галилею, ничто не уничтожается и не порождается, происходит лишь изменение взаимного расположения тел или их частей. Материя состоит из неделимых атомов, ее движение - универсальное механическое передвижение. Небесные светила подобны Земле и подчиняются единым законам механики. Все процессы в природе обусловлены строгой механической причинностью. Отсюда подлинная цель науки-отыскать причины явлений [8]. . Первую универсальную физико-космологическую и космогоническую картину мира на основе гелиоцентризма пытался построить великий французский ученый и философ, физик, математик, физиолог Рене Декарт (в латинизированной транскрипции - Картезиус, 1596-1650). В книге "Мир или трактат о свете" Декарт предложил механическую теорию распространения света путем мгновенной передачи давления от одной частицы материи к другой[3]. . На основе своей физики Декарт попытался построить первую материалистическую космогоническую модель мира, в которой небесные тела и их системы рассматривались их развитиии. . По Декарту, вся Вселенная пронизана вихревыми движениями материи. Движение во Вселенной вечно, так же как и сама материя, и все явления в мире сводятся к движениям частиц материи . В физике Рене Декарта нет места силам действующим на расстоянии через пустоту. Все явления мира сводятся к движениям и взаимодействию соприкасающихся частиц Такое физическое воззрение получило в истории науки название картезианского, от латинского произношения имени Декарта-Картезий. Декарт внес новую идею для объяснения тяжести: он считал, что в вихрях, возникающих вокруг планет, частицы давят друг на друга и тем вызывают явление тяжести, в том числе на Земле.Таким образом Декарт рассматривал тяжесть как свойство присущее не телам, а окружающему тело пространству Вселенной
Три основных закона механики и закон всемирного тяготения, которые сфомулировал великий английский ученый, физик и математик Иссак Ньютон (1643-1727), определили новую гравитационную физическую картину мира, на основе которой формировались все более сложные и совершенные модели Вселенной [9]. . "Общая картина мира, нарисованная в трудах Ньютона, представлялась ясной и очевидной: в бесконечном абсолютном неизменном пространстве с течением времени происходит движение миров. Движение их может быть весьма сложным, процессы на небесных телах весьма многообразны, но это никак не влияет на бесконечную сцену - пространство, в котором развертывается в неизменном времени драма бытия Вселенной. С такой точки зрения для материалиста абсолютно ясно, что у времени (как и у пространства) не может быть границ; не может быть истоков реки времени. Ибо это означало бы нарушение принципа неизменности времени. Означало бы возникновение - "создание" движения материального мира Вселенной. Заметим, что уже философам-материалистам Древней Греции тезис о бесконечности мира представлялся доказанным. Поэтому в ньютоновской картине абсолютно ясными были понятия "сейчас", "раньше" и "позже". Для всех событий во Вселенной можно было использовать единые точные часы, чтобы установить однозначную хронологию "[10].
На протяжении более двух веков, законы Ньютона применяются на практике и благодаря им стали возможны огромные достижения в физике, астрономии и космологии. Однако, что такое сила тяготения, почему и посредством чего два тела притягивают друг друга, каким образом вообще возможно действие через пустое пространство или движение по инерции - классическая физика Ньютона обяснить не могла. .
Вплоть до середины 19 века в научном мире допускалась возможность мгновенного воздействия одного тела на другое без промежуточной среды. При этом Ньютон понимал, что такая среда-эфир должна существовать. Проблема заключалась в том, что все попытки обнаружить эфир или вызываемые им явления были безуспешными. В 1692 году, в одном из писем своему другу Ричарду Бентли (1668- 1742) , (английский ученый- в это время глава Тринити-колледжа в Кембридже) Ньютон писал: "То что, тяготение должно быть внутренне присущим, неотъемлемым необходимым для материи, так, чтобы одно тело могло действовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства чего-либо еще, представляется мне столь большой нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; а материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям" [11]. . Таким же образом, согласно гипотезе излучения Ньютона, происходило распостранение света: светящиеся тела излучают во всех направлениях мельчайшие частицы особой световой субстанции, которые распространяются в пустом пространстве с огромной скоростью. . Только в конце 19 века получила запоздалое признание гипотеза, выдвинутая голландским физиком Гюйгенсом о распространении света волнами в среде(эфире). Подобно тому, как звук распространяется благодаря колебаниям(сжатие -разрежение) частиц воздуха или иной упругой среды, так, согласно этой гипотезе, и свет есть результат колебаний молекул светящегося тела, а его распространение происходит благодаря колебаниям чрезвычайно упругого эфира, заполняющего как межзвездные, так и межмолекулярные, межатомные пространства. Предполагалось, что эфир непрерывен и заполняет все бесконечное пространство Вселенной. Он обладает особыми свойствами, благодаря которым все земные и небесные тела проходят сквозь него, не испытывая заметного противодействия своему движению. .
В истории развития космологии важное место занимает знаменитая гипотеза Лапласа(ЛАПЛАС, ПЬЕР СИМОН ,1749-1827, французский математик, физик и астроном) о формировании Солнечной системы (небулярная гипотеза)[12;13]. Лаплас предположил, что Солнечная система рождена из горячей газовой туманности, окружавшей молодое Солнце. Постепенно туманность остыла и под действием тяготения начала сжиматься. С уменьшением её размеров она вращалась всё быстрее. Из-за быстрого вращения центробежные силы стали сравнимыми с силой тяготения, и туманность сплющилась, превратилась в околосолнечный диск, который начал разбиваться на кольца. Чем ближе к Солнцу было кольцо, тем быстрее оно вращалось. Вещество каждого кольца постепенно остыло. Так как вещество в кольце не было распределено однородно, отдельные его сгустки благодаря тяготению начали сжиматься и собираться вместе. В конце концов кольцо из сгустков превратилось в протопланету. Каждая протопланета вращалась вокруг оси и в результате этого могли образоваться её спутники.
Физические эффекты "остывания" и "гравитационного сжатия", которыми пользовался Лаплас, являются главными и в современных моделях образования Солнечной системы.
Следует также отметить, что решая главную задачу - объяснение происхождения Солнечной системы, Лаплас обращает внимание на поразительную гармонию ее организации и выражал уверенность, что эти явления не случайны и "что некая первопричина направляет движение планет". Такой первопричиной по Лапласу является всемирное тяготение, что подтверждали астрономические факты и расчеты. Принципом тяготения Ньютона Лаплас объяснял также движение планет, их спутников, комет, океанские приливы на Земле и сложное движение Луны.
Большое влияние на дальнейшее развитие всей физики оказали идеи английского ученого Фарадея (1791-1867) об электрическом и магнитном полях и о волновом процессе распространения электромагнитных взаимодействий. Ему принадлежат открытие магнитной индукции, законов электролиза и прохождения тока в различных электрических цепях. Он указал на чрезвычайно важную роль в явлениях электричества и магнетизма промежуточной среды, которая заполняет пространство между телами, как будто бы действующими друг на друга непосредственно. Фарадей ввел в физику новое понятие -концепцию поля, описываемого им с помощью силовых линий. Он был убежден, что окружающее магнит пространство(среда)- "... играет столь же существенную роль, как и самый магнит, будучи частью настоящей и полной магнитной системы".
В качестве примера Фарадей рассматривает поле, образованное излучением Солнца :
"В этом случае лучи (которые представляют собой силовые линии) проходят через промежуточное пространство; но здесь мы можем оказывать на эти линии действие при помощи различных сред, расположенных на их пути. Мы можем изменить их направление посредством отражения или преломления; мы можем заставить их идти по криволинейным или ломаным путям. Мы можем отрезать их от их источника и затем искать их и найти, прежде чем они достигнут своей конечной цели. Они связаны с временем и требуют 8 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли; таким образом, они могут существовать независимо и от своего источника и от места, в которое в конце концов приходят. Таким образом, они имеют ясно различимое физическое существование".
Фарадей установил, что "пустое" пространство между обкладками конденсатора ведет себя себя как диэлектрик и предположил, что оно заполнено эфиром и, следовательно : "Если эфир существует, то, вероятно, передача излучений не есть его единственное назначение" [14].
Джеймс Максвелл (1831-1879) математически развил идею Фарадея о роли промежуточной среды в электрических и магнитных взаимодействиях и попытался (вслед за Фарадеем) истолковать эту среду как всепроникающий мировой эфир. . Электромагнитную теорию Максвелл развивает в работах "О физических линиях силы" (1861-1862) и "Динамическая теория поля" (1864-1865). Максвелл сформулировал математические законы единого электромагнитного поля - взаимосвязанных колебаний электрического и магнитного полей.
Уравнения Максвелла связывают величины характеризующие электромагнитное поле с его источниками, то есть с распределением в пространстве электрических зарядов и токов. Анализ этих уравнений позволил Максвеллу предсказать многие неизвестные до того явления и закономерности. Из них следовало, что электромагнитные колебания от источника распространяются в некой гипотетической упругой среде в виде поперечных электромагнитных волн, скорость распространения которых в вакууме равна скорости света. Это подтверждало электромагнитную природу света. "Если что-то распространяется на расстояние от одной частицы к другой, то в каком оно будет состоянии, когда оно покинуло одну частицу и не достигло еще другой?". Максвелл считает, что ответом на этот вопрос является гипотеза промежуточной среды, передающей действие от одной частицы к другой, гипотеза близкодействия, которая "должна занять видное место в наших исследованиях, и мы должны попытаться составить себе мысленное представление о всех деталях этого действия"[15,16]. . Таким образом , для распространения электромагнитных волн требовалась среда, то-есть эфир, поиски которого продолжались .
В 1881 году американские ученые Майкельсон и Морли в течение длительного времени пытались обнаружить какие-либо явления,подтверждающие существование эфира, однако безуспешно.
Было установлено, что общий закон сложения скоростей, который является основой классической механики, к скорости света не применим : луч света, двигавшийся вместе с Землей, ничем не отличался от луча света, двигавшегося под прямым углом к движению Земли по орбите[17]. Кроме того, оказалось, что скорость света представляет собой постоянную и максимальную величину, увеличить которую невозможно. В 1888году максвелловская теория электромагнитных волн получила подтверждение в опытах Г.Герца (1857-1894)-немецкого физика и инженера.
Герц получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, придал удобную форму его уравнениям и дополнил теорию Максвелла теорией электромагнитного излучения. Полученные им результаты,стали основой развития беспроводной телеграфной и телефонной связи. . В 1901 году русский физик П.Н. Лебедев экспериментально подтвердил, предсказанное в теории Макссвелла, давление электромагнитных волн на твердое тело.
Проблемы, с которыми столкнулся научный мир на рубеже 19 - 20 веков, подрбно анализируются в книге А.Эйнштейна и Л.Инфельда - "Эволюция физики". Суммируя результаты экспериментов они пришли к следующим выводам : "Если мы хотим объяснить оптические явления механистически, то следует предположить, что эфир существует повсюду. Если свет передается только в среде, то не может быть никакого пустого пространства..... В оптике мы должны отдать предпочтение волновой теории света перед корпускулярной. Волны, распространяющиеся в среде, состоящей из частиц, между которыми действуют механические силы,- это, конечно, механическое понятие. Но что это за среда, в которой распространяется свет, и каковы ее механические свойства". Пока этот вопрос остается без ответа, нет никаких надежд свести оптические явления к механическим...... .Фундаментальные проблемы еще стоят перед нами. Мы знаем, что все вещество состоит лишь из частиц немногих видов. Как различные формы вещества построены из этих элементарных частиц? Как эти элементарные частицы взаимодействуют с полем? Поиски ответа на эти вопросы привели к новым идеям в физике, идеям квантовой теории... Если бы мы должны были характеризовать основные идеи квантовой теории в одном предложении, мы могли бы сказать: следует предположить, что некоторые физические величины, до тех пор считавшиеся непрерывными, состоят из элементарных квантов"[18].
Идею квантового характера процессов излучения и поглощения света дискретными порциями, которые состоят из целого числа квантов с энергией пропорциональной частоте световых колебаний , предложил в 1900 г. выдающийся немецкий физик Макс Планк (1858- 1947). В 1905 году для объяснения явлений фотоэффекта Альберт Эйнштейн, использовав квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет также состоит из квантов, которые впоследствии назвали фотонами. В том же 1905 г. в своей фундаментальной физической теории, получившей наименование Специальной теории относительности , он отказался от идеи мирового эфира и сформулировал новые законы механики , когда скорость движения частиц (тел) приближается к скорости света.
Специальная, теория относительности основывается на двух фундаментальных положениях- физические законы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга; скорость света всегда имеет одно и то же значение и не зависит от скорости движения наблюдателя или источника света.
Дальнейшее следствие специальной теории относительности - это связь между массой тел и их энергией. "Масса - это энергия, а энергия имеет массу. Оба закона сохранения - закон сохранения массы и закон сохранения энергии - объединяются теорией относительности в один закон, в закон сохранения массы-энергии ".
В 1916 г. Эйнштейн завершил создание своей Общей теории относительности, в которой устанавливает связь между тяготением и неразрывным понятием - "пространство - время". Материальным носителем тяготения оказалось само пространство (точнее, пространство-время), а "всемирное тяготение" объясняется как результат движения тел в искривленном вблизи другого тела пространстве. Причиной искривления пространства-времени является присутствие материи, и чем больше её масса , тем искривление сильнее. Распространение возмущений гравитации, то есть изменений метрики при движении тяготеющих масс, происходит с конечной скоростью.Таким образом, из физики исключалась ньютоновская теория дальнодействия, в соответствии с которой сила притяжения между телами передавалась мгновенно непонятно как, через совершенно пустое пространство.
Одним из основных положений общей теории относительности является принцип эквивалентности сил гравитации и инерции : силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции - инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить какая сила действует на данное тело - гравитационная или сила инерции. Падение всех тел с одинаковым ускорением является достаточным условием равенства гравитационной и инертной массы. Общая теория относительности стала фундаментом для обнаружения новых общих свойств и закономерностей Вселенной и создания релятивистской картины мира для скоростей движения, близких к скорости света.
Касаясь фундаментального вопроса о форме мира, Эйнштейн пишет:
"Если поразмыслить над вопросом о том, в каком виде следует представлять себе Вселенную как целое, то первым ответом напрашивается следующий: что касается пространства и времени, то Вселенная бесконечна. Везде есть звезды, так что плотность материи, хотя местами и самая разнообразная, в среднем остается одной и той же. Иными словами, как бы далеко мы ни удалились в пространстве, повсюду мы встретим разреженные скопления неподвижных звезд примерно одного типа и плотности..."[18].
Необходимо отметить, что несмотря на то, что в теории относительности Эйнштейна не нашлось места понятию "эфир", он понимал, что гравитационные и электромагнитные взаимодействия невозможны в пустом пространстве.
В 1920 года в своей работе "Эфир и теория относительности" Эйнштейн заявил: "...Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира; действительно, в таком пространстве не только было бы невозможно распространениесвета, но не могли бы существовать масштабы и часы и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле слова. Однако этот эфир нельзя представить себе состоящим из прослеживаемых во времени частей; таким свойством обладает только весомая материя; точно так же к нему нельзя применять понятие движения. Эфир объективная реальность непрерывности субстрата световых и гравитационных явлений..." [19].
В 1922 советский математик и геофизик А. А. Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной . Модель Фридмана описывает однородную изотропную Вселенную с веществом, обладающей положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной.[20].
Независимо от него описываемую модель позднее разрабатывали Леметр (1927), Робертсон и Уокер (1935).
В этой модели наблюдаемая нами сейчас часть Вселенной возникла 13,73 млрд лет назад из некоторого начального "сингулярного" состояния с температурой примерно 10^32 K (Планковская температура) и плотностью около 10^93 г/см3 (Планковская плотность).
В результате Большого взрыва, Вселенная расширялась, заполняя пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела -звезды и планеты.
В 1946 году американский физик Г.А.Гамов дополнил теорию Фридмана предположением, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. [21].
Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной ,после Большого взрыва, обладали высокой плотностью и температурой. После образования ядер лёгких элементов ( примерно через 100 секунд после Большого взрыва) вещество ещё длительное время (около 1 млн. лет) представляло собой плазму, в термодинамическом равновесии с которой находилось излучение. Высокие плотность и температура излучения не позволяли образовываться нейтральным атомам. .При достижении температуры около 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, электроны смогли присоединиться к ядрам элементов - наступила эпоха разделения вещества и излучения. Фотоны перестали активно взаимодействовать с веществом, начали распространяться свободно и наблюдаются сейчас в виде равновесного микроволнового фонового излучения (реликтового излучения). Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила около 3К. Это реликтовое излучение сохранилось до наших дней - после эпохи рекомбинации и образования нейтральных атомов водорода гелия.
В 1965 году американские ученые А. Пензиас и Р.Вилсон подтвердили теорию Гамова, обнаружив реликтовое излучение во Вселенной, температура которого действительно оказалась равной 3 К. Спектр реликтового излучения хорошо изучен в диапазоне длин волн от 3 мм до 21 см. Интенсивность реликтового излучения в этом диапазоне не зависит от направления на небесной сфере. Это было самое крупное открытие в космологии со времён открытия американским астроном Э.Хабблом в 1929 году общего расширения Вселенной.
В соответствии с законом Хаббла галактики находящиеся на расстоянии одного мегапарсека,удаляются друг от друга со скоростью 75-100 км в сек , на 2-3млрд км в год. Таким образом, Метагалактика рассширяется несмотря на то, что в соответствии с Законом всемирного тяготения, силам тяготения, стремящимся ее сжать, ничего не препятствует. Выяснение причин этого космологического расширения - одна из проблем современной физики.
Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция Вселенной зависит от средней плотности вещества в современной Вселенной. Существуют три космологические модели, зависящие от отношения средней плотности вещества Вселенной к критической, названные по имени их создателя- фридмановскими. В первой фридмановской модели средняя плотность вещества Вселенной меньше критической: расширение Вселенной будет вечным, пространство в такой модели - бесконечное, имеет отрицательную кривизну и описывается геометрией Лобачевского. Во второй фридмановской модели средняя плотность вещества Вселенной равна критической: расширение Вселенной будет вечным, но в бесконечности его скорость будет стремиться к нулю. Пространство в такой модели - бесконечное, плоское, описывается геометрией Евклида. В третьей фридмановской модели средняя плотность вещества Вселенной больше критической: расширение Вселенной сменится сжатием, коллапсом и закончится тем, что вселенная сожмётся в сингулярную точку . Пространство в такой модели - конечное, имеет положительную кривизну, по форме представляет из себя трёхмерную гиперсферу, описывается сферической геометрией Римана. 30 июня 2001года на орбиту спутника Земли был выведен космический аппарат WMAP,который с высокой степенью точности измерил анизотропию реликтового излучения, возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи. Данные WMAP показали, что Вселенная в основном заполнена невидимым веществом, заполняющим межгалактическое пространство: 4 % - обычное вещество; 23 % - так называемая тёмная материя и 73 % - ещё более таинственная тёмная энергия, вызывающая ускоренное расширение Вселенной. Возраст Вселенной по данным WMAP 13.73 миллиардов лет; отношение средней плотности к критической: 1,02 .
Среди других параметров, определены: постоянная Хаббла: 71 +_ 4 км/с/Мпк.[22].
В 1981 Алан Гут и Андрей Линде предложили Инфляцио́нную моде́ль Вселе́нной - гипотезу о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 10^28 K). В ней предполагается период ускоренного расширения, по сравнению со стандартной моделью горячей однородной и изотропной Вселенной. В Инфляцио́нной моде́ли в ходе инфляционного расширения должны возникать флуктуации плотности с такой амплитудой и формой спектра, при которых происходит развитие этих флуктуаций в наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной. Такой закон расширения может быть обеспечен состояниями физических полей, соответствующих уравнению состояния с отрицательным давлением. Эта стадия получила название инфляционной (лат. inflatio - раздувание), так как несмотря на расширение Вселенной плотность энергии в ней остаётся постоянной. В ходе дальнейшего расширения эта энергия, обусловливающая инфляционную стадию расширения, превращается в энергию обычных частиц [23].
Другую гипотезу предложил в сороковые годы 20-го века российский ученый, астрофизик В.А.Амбарцумян(1908-2003). Расширение некоторых скоплений галактик и возможно всей Метагалактики, по его мнению, является результатом грандиозных локальных взрывов, которые происходили и происходят в сверхплотном дозвездном состоянии вещества, в результате которого образуются разлетающиеся звезды.На основании обширных наблюдений распределения различных типов звезд в пространстве, Амбарцумян предположил что открытые им звездные ассоциации возникли сравнительно недавно, по космологическим масштабам- примерно 10 млн. лет назад, в результате взрыва какого-то дозвездного тела. Он обнаружил также другие, недавно образовавшиеся звездные системы. На этой основе им были сделаны два важных для астрофизики вывода: звездообразование в Галактиках продолжается и в настоящее время,рождение звезд происходит группами .
Новую модель вечно пульсирующей Вселенной создали физики-теоретики Университета Северной Каролины в Чэпел-Хилле Лорис Баум и Пол Фрэмптон. В их модели Вселенная расширяясь увеличивает свои размеры до бесконечности и приближается к "Большому разрыву", но в последний момент до него она распадается на независимые "лоскутки" практически пустого пространства, которые удаляются друг от друга со сверхсветовыми скоростями и поэтому между собой никак не взаимодействуют. Таким образом, каждый "лоскут" превращается в самостоятельный мир. Материи в каждом "лоскутке" нет вообще, только темная энергия и электромагнитное излучение. Со временем они начинают сжиматься и дойдя до минимальных размеров, испытывают ряд фазовых переходов, в ходе которых происходит почти мгновенное рождение обычной материи, которая расширяясь, некоторое время с гигантским ускорением, образует вновь небесные тела(галактические скопления, галактики, звезды, , планеты) и переходит к спокойному расширению. В конце концов каждый такой мир, образовавшийся из своего "лоскутка" , приближается опять к своей точке разрыва, а дальше всё повторяется. Таким обазом каждая пульсация приводит к рождению множества новых пульсирующих Вселенных. . В 1992 году российский спутник "Реликт-1" и американский "COBE" обнаружили флуктуации температуры реликтового излучения. Это подтверждало предположения ученых - физиков, что уже на самых ранних стадиях эволюции Вселенной в ней существовали незначительные отклонения от однородности и изотропии(Области Повышенной Плотности) . Под действием гравитации эти изначально более плотные области сжимались и из них образовались звезды и галактики.
Известны различные гипотезы ,о том каким образом из однородной среды в раннюю эпоху существования Метагалактики ,образовались галактики и отдельные звезды. Например ,А.Г.Дорошевич, Я.Б.Зельдович и И.Д.Новиков предложили "гипотезу празвезд" , согласно которой в момент перехода от эпохи радиации к эпохе газа в расширяющейся Метагалактике существовали сгущения плотности, из которых гравитационно сконденсировались гигантские звезды с массой равной миллионам масс Солнца. Примерно через один милион лет ядерные реакции в этих "празвездах" завершаются колосальными взрывами , в результате которых образуется множество сгущений плотности, в которых формируются звездные системы - галактики.[25].
Другая гипотеза, первоначально предложенная К.Вейцзеккером, основана на предположении, что в догалактической стадии в Метагалактике происходили гигантские хаотические движения масс, то-есть она была охвачена турбулентностью.Эта гипотеза была развита Л.М. Озерным и А.Д.Черниным для горячей Вселенной, в которой в начальной стадии преобладала радиация и турбулентность проявлялась как вихревые движения фотонов, увлекавших за собой вещество(газ), масса которого достигала массы галактик и их скоплений. На этой стадии скорость вихревого движения была невелика -меньше скорости звука .Однако она резко возросла до сверхзвуковой, когда в процессе расширения Метагалактики она охладилась до температуры Т= 4х10^3 градусов К и произошла рекомбинация - объединение электронов и протонов в нейтральные атомы. Сверхзвуковые скорости вихревых движений порождали ударные волны, которые сжимали газ, образуя сгущения. Из этих сгущений, в результате гравитационной конденсации, сформировались галактики и их скопления[26].
Еще одна гипотеза основана на предположении о возможности спонтанного квантового возникновения Вселенной из вакуума. Релятивистская теория гравитации, развиваемая в трудах академика Анатолия Логунова в соавторстве с Семеном Герштейном основана на идее о особом характере гравитационного поля, которое является реальным физическим полем, обладающим плотностью энергии и импульса. С этим очень сильным гравитационным полем связаны возникновение и эволюция Вселенной . Сейчас большинство ученых-физиков придерживаются мнения, что в прошлом, 13 - 15 миллиардов лет назад Вселенная с огромной скоростью вышла из непонятного и неизвестного нам состояния сингулярности - то-есть теории Большого взрыва . Противники теории Большого взрыва считают, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует, и не имеет ни начала ни конца во времени. Сторонники такой точки зрения отвергают расширение Вселенной, а красное смещение объясняют гипотезой о "старении" света. Однако эта гипотеза не способна построить полную космологическую картину , альтернативную теории Большого Взрыва.
В настоящее время , подтверждается мнение астрофизиков, о бесконечности Вселенной , состоящей из множества галактик и их скоплений :
"... наша Метагалактика, являясь лишь историческим пределом обозреваемой нами части Вселенной, отнюдь не исчерпывает всю бесконечную Вселенную: кроме Метагалактики, за её пределами, безусловно, существует бесчисленное множество как подобных ей, так и отличных от неё космических систем... Вне Вселенной никакие другие формы материи вообще не могут существовать (Вселенная охватывает всё). Другими словами, никакого "начала" Вселенная заведомо не имеет. По аналогичной причине она не имеет и никакого "конца", т. е. существование Вселенной во времени безгранично, и космогония различных небесных тел не имеет никакого непосредственного отношения к космологии "[ 27].
Наблюдаемая в настоящее время область Вселенной - Метагалактика не превышает 10^28 см ,для прохождения которых свету требуется около 10 млрд. лет .
В Метагалактике имеется большое число Галактик и их скоплений. Каждая Галактика обычно состоит из системы звезд и центрального ядра .Наша Галактика, в которую входит Солнце, содержит более 100 млрд. звезд и принадлежит к Местной группе галактик, которая в свою очередь примыкает к скоплению галактик с центром в направлении созвездия Девы, расстояние до которого около 20 Мпк. (парсек - расстояние ,которое свет проходит за один год, равное 10^18 см или 10000 млрд км ).
Кроме вещества, образующего звёзды галактик, в Метагалактике есть другие виды вещества и излучения: нейтральный и ионизованный газ (прежде всего в скоплениях галактик, а также и между скоплениями), пыль, космические лучи и слабые магнитные поля, очень важным компонентом является реликтовое радиоизлучение . Вклад этих видов вещества и излучения в общую плотность энергии незначителен. Неизвестен вклад в плотность энергии Метагалактики тех видов материи, которые слабо взаимодействуют с обычным веществом и, следовательно, трудно поддаются обнаружению.
Наблюдения сверхновых звезд проведённые в 1998 г. показали, что расширения Вселенной на современном этапе её эволюции происходит с ускорением, причиной которого может быть таинственная темная энергия Вселенной.
В работе "Новая модель Вселенной" Петр Успенский пишет: "Сегодня мы можем достаточно уверенно заключить: Вопрос о природе невидимого вещества-одна из самых загадочных проблем современной физики. Возможно, скрытая масса создаётся не открытыми пока элементарными частицами. Дело в том, что согласно современной теории горячей Вселенной, максимально возможная масса барионов (протонов и нейтронов - частиц, из которых состоят атомные ядра всех химических элементов) не превышает 10% от массы, необходимой для критической плотности, т. е. той плотности, какой теоретически должна обладать Вселенная. Поэтому остаётся либо предположить, что во Вселенной помимо обычной барионной (атомной) массы содержится ещё очень много вещества, не состоящего из атомов, либо считать, что пустое пространство (вакуум) обладает такими свойствами, что вносит свой вклад в полную плотность материи. В принципе небарионная скрытая масса может быть заключена в лёгких элементарных частицах (с массой в миллионы раз меньше массы покоя электрона), существование которых следует из современной физической теории элементарных частиц. Поиски таких частиц усиленно ведутся на самых мощных ускорителях, но пока не увенчались успехом.."[10]. .
После построения в конце XIX века электродинамики, объединившей на основе уравнений Максвелла в единой теории явления электричества, магнетизма и оптики, в физике стала очевидной необходимость объединения теорий электромагнетизма и гравитации. Однако в 1930-е годы выяснилось, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов) и ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре и, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Так были открыты еще два вида взаимодействий ( ядерных )- сильное и слабое.
Из атомарной структуры вещества следовало, что все разнообразие сил в окружающем нас мире,например, сила тяжести, упругие силы натяжения нити и сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва есть результат взаимодействия атомов друг с другом.
Поскольку атомы взаимодействуют в основном через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, все эти силы - лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Единственное исключение - сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя телами, обладающими массой.
"В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной. Существует ли между ними какая-нибудь связь? Не являются ли эти четыре фундаментальных взаимодействия всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы? Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной - от рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само "сотворение" мира"[27] .
Создание "теории всего", объединеняющей четыре известных в настоящее время фундаментальных взаимодействия: гравитационное , электромагнитное , сильное ядерное и слабое ядерное взаимодействие -стало главным направлением в современной физике.
В 1967 году Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия[28].
Позднее в 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия. Экспериментальная проверка Стандартной Модели заключается в обнаружении предсказанных ею множества частиц и их свойств.
В настоящий момент открыты все элементарные частицы за исключением хиггсовского бозона. Хиггсовский бозон- элементарная частица, обладающая нулевым спином - квант поля Хиггса, которое взаимодействует со всеми другими полями и через это взаимодействие сообщает массу калибровочным бозонам - переносчикам слабого взаимодействия в Стандартной Модели. Предполагаемое поле - поле Хиггса,было введено Питером Хиггсом в 1960 году. Однако, пока поиски хиггсовского бозона не увенчались успехом[29,30].
В настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной Моделью элементарных частиц. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации.
Два основных направления, пытающихся построить квантовую гравитацию, - это теория струн и петлевая квантовая гравитация. Теория струн- математическая теория основанная на понятии бесконечно тонких квантовых струн . В рамках этой теории существует идея, что все фундаментальные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в бесконечном спектре возбуждений взаимодействующих квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10^-33 см. Такая струна отвечает безмассовому гравитону со спином 2 - частице, переносящей гравитационное взаимодействие. Таким образом струнная теория включает в себя гравитацию как одно из фундаментальных взаимодействий. Струны бывают открытыми и замкнутыми. Двигаясь в пространстве-времени, они покрывают поверхность, называемую мировым листом .Эти струны имеют определенные колебательные моды, которые определяют присущие частице квантовые числа, такие, как масса, спин и другие. Основная идея состоит в том, что каждая мода несет в себе набор квантовых чисел, отвечающих определенному типу частиц и таким образом все частицы могут быть описаны через один объект - струну. . Струны взаимодействуют путем деления и слияния. Квантовые струны, как и обычные струны, обладают упругостью, которая считается фундаментальным параметром теории. Упругость квантовой струны стремится стянуть ее, то-есть связана с ее размером. Одно из предположений струнной теории -это описание Вселенной до Большого Взрыва.[31].
M-тео́рия (теория бран) - современная физическая теория, созданная с целью объединения фундаментальных взаимодействий. В качестве базового объекта используется так называемая "брана" (многомерная мембрана) - протяжённый двухмерный или с бо́льшим числом измерений (n-брана) объект. С ее развитием связаны надежды на успешное построение квантовой гравитации, которая в предельных случаях даст и классическую гравитацию, и квантовую теорию поля. [32].
Проблемы связанные с сложностью применения и понимания струнных теорий подробно анализирует Стивен Хокинг....: "Суперструны существуют в 10-мерном пространстве-времени, в то время как мы живем в 4-мерном. И если суперструны описывают нашу Вселенную, нам необходимо как-то связать между собой два эти пространства. Для этого свернем 6 измерений до очень маленького размера. Если при этом размер компактного измерения окажется порядка размера струн (10-33см ), то мы из-за малости этого измерения попросту не сможем никак его напрямую увидеть. В конечном итоге мы получим наше (3+1)-мерное пространство, в котором каждой точке нашей 4-мерной Вселенной отвечает крохотное 6-мерное пространство.... Из-за того, что мы все еще не полностью понимаем струнную теорию, вопросы типа 'как происходило нарушение суперсимметрии' или 'почему в Стандартной Модели именно три поколения частиц', остаются без ответа. ...Пока же ясно то, что струнная теория содержит все элементы, чтобы быть теорией объединенных взаимодействий, и можно сказать, что это пока единственная настолько завершенная теория подобного толка. Однако, мы не знаем, каким же образом эти все элементы описывают наблюдаемые явления" [33,34 ].
В 1974 году Джон Шварц и Жоэль Шерк, а также независимо от них Тамиаки Ёнэя, изучая свойства некоторых струнных вибраций, обнаружили, что они в точности соответствуют свойствам гипотетической частицы-переносчика гравитационного взаимодействия, которая называется гравитон. ...На основе данной модели была создана теория бозонных струн, каждый способ вибрации которых генерирует отдельную элементарную частицу с определенной массой. Вместе с тем отмечается,что теория бозонных струн обладает фундаментальной нестабильностью, которая предполагает распад самого пространства-времени. Кроме того, спектр частиц в ней ограничивается только бозонами.
В середине 80−х годов прошлого века американцы Ли Смолин, Тед Джекобсон и итальянец Карло Ровелли при помощи математических расчетов показали, что при рассмотрении микроскопической структуры пространства-времени в масштабах планковской длины (около 1,6 x10-33см) наш мир выглядит как сеть взаимосвязанных ячеек-петель - дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, причем объем такой минимальной единицы примерно соответствует кубу планковской длины. Теория петлевой квантовой гравитация даёт космологическую модель альтернативную теории Большого Взрыва . Петлевая квантовая гравитация позволяет описать все частицы стандартной модели, не требуя для объяснения их масс введения бозона Хиггса. "....Если удивительная теория петлевой квантовой гравитации верна, то пространство и время, воспринимаемые нами как непрерывные, на самом деле состоят из дискретных частиц. Значит материя должна состоять из самых минимальных и неделимых частиц, только тогда вещество может концентрироваться в малом объеме с большой плотностью. Вся Вселенная должна состоять из неделимых элементарных частиц" . [ 35 ].
В научном мире, среди учёных существует точка зрения, что Вселенная никогда не возникала, а существовала вечно и будет существовать вечно, изменяясь лишь в своих формах и проявлениях. Многие полагают, что уже на самых ранних стадиях эволюции Вселенной существовали незначительные отклонения от однородности и изотропии, которые привели в конце концов к образованию наблюдаемой сейчас пространственной структуры в виде галактик и их скоплений.
"Ясно, что галактики и скопления не могли существовать тогда в их современном виде хотя бы потому, что средняя плотность мира в эпоху рекомбинации в тысячу раз выше средней плотности галактик. Ясно также, что они не могли возникнуть внезапно и из ничего. Какие-то локальные сгущения, отклонения от однородности и изотропии, охватывающие массы вещества, сравнимые с массами галактик, скоплений, сверхскоплений, должны были существовать и раньше, хотя, очевидно, соответствующий им контраст плотности был много меньше современного" [10].
В настоящее время ведутся интенсивные исследования, целью которых являются изучение строения и свойств "темных" материи и энергии. Некоторые результаты этих исследований и мнений опубликованны в многочисленных статьях, в том числе в интернете.
Например: "Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц... Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках....
В нашей Галактике в окрестности Солнца масса темной материи примерно равна массе обычного вещества... Что представляют из себя частицы темной материи?
Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах... Еще более загадочной представляется исследователям темная энергия как совершенно необычное сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную: начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно "разлита" во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. .."[36] .
Из краткого обзора развития космологических представлений от Аристотеля до наших дней можно сделать вывод - общей основой этих представлений была уверенность(интуитивная),что пространство и время -это исходная физическая реальность, субстанция(эфир), которая порождает и обусловливает все физические свойства реального мира.
Однако, эксперименты не подтверждали наличие "эфира" ( он не наблюдался и не проявлялся ) и Эйнштейн отверг субстанциальную трактовку строения Вселенной как базовой среды(некой субстанции) и создал теорию зависимости пространственно - временных свойств Вселенной от характера движения и взаимодействия материальных систем (Общая Теория Относительности ,1915г).
Вместе с тем, со второй половины 20 столетия начинается эра космических исследований. Подтвердились теории о распределении вещества во Вселенной (в Метагалактике) , 95 % которого приходится на "таинственные" темные энергию и темную материю. Создаются новые теории(струнная , петлевая и М-теория) и основанные на них модели Вселенной - бесконечной в пространстве и времени. Построена Стандартная Модель элементарных частиц,описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия.
Эти и ряд других теорий и открытий создали базу для новых ,в том числе интуитивных, идей о строении и свойствах Вселенной - такой какая она есть, была и будет вечно,основе всего сущего, в том числе звездно- планетарных миров, эволюционирующих и преходящих.
Основные проблемы современной физики связаны с созданием единой концепции охватывающей все мироздание-единой объединительной теорией, включающей все Законы современной физики и квантовой механики, объясняющей все явления во Вселенной: в первую очередь ее происхождение, эволюцию и строение; образованние элементарных частиц и атомов, из которых состоят все тела , весь материальный мир; как сформировались небесные тела- звезды и планеты; что представляла собой Вселенная до образования в ней галактик и скоплений, которые не могли возникнуть внезапно и из ничего.
Эта объединительная теория должна также ответить на вопросы, связанные с некой неизвестной пока промежуточной средой, в которой осуществляются гравитационные и электромагнитные взаимодействия : каким образом осуществлятся взаимное притяжение между телами; чем обусловлены постоянство скорости света ,электрические и магнитные явления; какова природа невидимого вещества, заполняющего Вселенную -темной материи и темной энергии, проявляющих себя по взаимодействию с видимым веществом посредством сил тяготения.
На эти и ряд других вопросов пытаются ответитить физики ,астрономы и астрофизики, используя весь современный арсенал средств - мощные телескопы, ускорители, компьютерную технику и базы данных, космические исследовательские станции и спутники.
Сделаны ошеломляющие открытия новых звездных образований и процессов во Вселенной. Однако на перечисленные выше вопросы однозначного ответа, кроме многочисленных гипотез, пока нет. Не дает всеобъемлющего ответа также ни одна из известных в настоящее время моделей Вселенной.
Этой проблеме посвящено большое количество интересных работ, не только физиков, но и специалистов смежных областей - радиоэлектроники и связи, химиков и биологов, а также философов. Например ,в статье "Проблема эфира..." А.Л.Симанов пишет,о назревшей необходимости: "...построить единую физическую теорию ...некоего общего основания, из которого "рождается" известный нам материальный мир, либо хотя бы такого формализма, который объединил бы известные нам четыре фундаментальных взаимодействия в единое описание. Но что может быть таким основанием? Каким требованиям оно должно соответствовать? Ответов на эти вопросы пока нет.... По мнению Эйнштейна, для признания истинности теории необходимо, чтобы она была простой. Он утверждал, что теория тем лучше, "чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения...".
В процессе совершенствования физической науки этот принцип получает все большее подтверждение... простая единая теория не только будет объединять все известные нам фундаментальные взаимодействия единым описанием или в единое взаимодействие, но и, возможно, выявит единую первооснову нашего мира " [37] .
Представленная ниже в двух частях "Интуитивная модель Вселенной" построена на интуитивных представлениях автора, обобщении и анализе космологических представлений , открытий современной физики. При этом она отличается простотой и объясняет основные физические законы, физические явления, константы и взаимодействия между телами .
Интуитивная модель Вселенной объединяет известные космологические теории - как общая основа, включая в себя их ключевые понятия. Однако ряд полученных результатов допускают экспериментальные проверки, которые могут подтвердить (или не подтвердить) степень ее достоверности.