Физика - от Галилея и Ньютона до Хокинга и Виттена

[Риббонс Альмарк]

Разве установленный? Насколько я знаю, общепринятый, однако не доказанный. Да и противоречащий религии.

Религия вообще не аргумент, там мертвые с косами стоят    Большой взрыв найден, увиден, обмерян, взят на анализ... чего там доказывать, если явление налицо?

Вижу что назрел серьезный вопрос.  Посему предлагаю эту тему. Для начала проведу небольшой ликбез, так как вижу, что не все хорошо себе представляют что такое наука вообще, не говоря уже о каких-либо ее частных достижениях/неудачах.

Здесь я буду говорить в основном о физике ( естествознании ), а также о тех науках, которые из нее проистекают - химии, астрономии, в какой-то мере биологии.

Так что же все-таки такое наука? Как отличить науку от не науки? В современном мире принято считать примерно следуююще :

1. Наука экспериментальна - в основе какой-либо научной теории всегда лежит опыт/эксперимент. Эксперимент же являеется высшей инстанцией в научных спорах.
2. Логика. Считается, что если у нас есть предположение, проверенное экспериментом, то если мы будем на его основе выстраивать другие предположения по законам логики, то мы получим тоже верные утверждения.
3. Математика. Наука в том виде, в каком мы ее знаем, основана на численных, количественных экспериментах и соответствующих моделях. Для науки это крайне важно. Цель научного эксперимента - выявить зависимость одних численных величин от других. Бывают и качественные эксперименты - но если бы не было количественных, не было бы и науки. Цель теории - объяснить наблюдаемые зависимости и предложить математическую модель, которая бы позволяла предсказывать результаты других экспериментов.
4. Всякая теория может считаться верной ( или хотя бы приближенно верной ) лишь в той области, где она проверена экспериментально. Пример - хорошо известная ньютоновская механика, которая может считаться верной лишь в случае :
а) малых ( по сравнению со скоростью света ) скоростей.
б) слабых гравитационных полей
в) больших ( по сравнению с элементарными частицами ) объектов.
При невыполнении хотя бы одного из этих условий "школьная" ньютоновская механика становится совершенно неприменеима.
5. Очень часто ( почти всегда  ) нельзя ( или очень трудно ) проверить экспериментально основные положения какой-либо теории. Вместо этого экспериментальной проверке подвергают следствия теории. Если все следствия теории верны, то теорию принято считать верной, даже если основные ее положения не проверены экспериментально. А вот если есть эксперимент, опровергающий хоть одно из следствий теории, то либо теория не верна, либо мы вышли за пределы применимости данной теории.

Для начала хватит.  Хотя это только самые общие представления, да и то не все - наверняка что-нибудь забыл.

Осюда кстати сразу видно, что магия и оккультизм науками не являются, как считают некоторые малограмотные люди. Хотя бы потому, что магия не удовлетворяет пункту 3. Эксперименты в области магии и оккультизма и данные полученные в ходе таких экспериментов не могут быть обратотаны численно, количественно. На основе таких экспериментов невозможно постоить количественных моделей, которые давали бы количественные предсказания.

Теперь ближе к вопросу. Про ньютоновскую механику я думаю все слышали, поэтому останавливаться подробно пока не буду, хотя должен сказать там море нюансов и сложностей, о которых обычные школьники даже не подозревают. Раз речь шла о Большом Взрыве про него и расскажу пока.

Началось все с того, что некто Эйншетейн создал общую теорию относительности ( далее в этой теме - ОТО ). Теория была естественным продолжением и расширением его специальной теории относительности ( далее - СТО ), которая, в свою очередь была нужна для того, чтобы адекватно и непротиворечиво объяснить ряд экспериментов, которых физика 19-го века объяснить была не в состоянии. ОТО создана в начале 20 века ( по-моему в первом десятилетии, может во втором, не позже ). Тогда же ОТО была подтверждена экспериментально - в соответствии с п. 5. А именно - ОТО верно объяснила орбиту Меркурия ( что в ньютоновской небесной механики было невозможно ) и, кроме того, было экспериментально обнаружено искривление лучей света в гравитационном поле Солнца - как это предсказывала ОТО. В соответствии с этим ОТО можно считать не гипотезой, а экспериментально доказанной ( более 70 лет назад ) теорией. Одним из следствий ОТО, как показал математик Фридман, было то, что Вселенная должна расширяться, Вселенная не может оставаться постоянной. Эйншетйну этот вывод из его собственной теории не понравился, он не верил, что Вселенная может меняться со временем. Тогда он слегка переделал ОТО, добавив в главное уравнение так называемый лямбда-член ( космологическую постоянную ), после этого переделывания ОТО допускала существование неизменной Вселенной, сохраняя также свое значения в более привычных и простых областях ( та же орбита Меркурия, то же искривление лучей и т.п. ). Однако, нескоторое время спустя, в 20-х годах, Эдвин Хаббл - американский астроном - экспериментально обнаружил расширение Вселенной - им было установлено, что галактики удаляются друг от друга. Доказательством разбегания галактик было экспериментально обнаруженное допплеровское красное смещение галактик. Было экспериментально обнаружено, что Вселенная расширяется, а значит, в прошлом должен быть Большой Взрыв ( условно говоря - момент времени, когда расстояние между любыми двумя точками во Вселенной было равно нулю ). Другое дело, что сам Большой Взрыв никто не видел и не измерял - мы наблюдаем лишь его последствия. Но объяснить наблюдаемое разбегание галактик в рамках современных научных теорий ( доказанных ) нельзя никак иначе, кроме как с помощью предположения о Большом Взрыве. Другое дело, что теории, необходимые для изучения самых ранних стадий эволюции Вселенной еще не созданы, и что там было на самом деле, в самом начале существования Вселенной - никто не знает. Существует масса разных гипотез ( но все они в рамках модели Большого Взрыва ), но все они не подтверждены, и вряд ли будут в обозримом будущем.

Что касается религии, по крайней мере христианства. Я вас уверяю, Большой Взрыв христианству не противоречит ни в малейшей мере. Это я вам говорю как человек, дважды прослушавший гуманитарный курс "Наука и религия - христианская апологетика". К слову преподаватель курса - человек с тремя высшими образованиями - ФИЗТЕХ ( это тот ВУЗ, где я сейчас учусь ), МГУ и, наконец, духовная семинария ( названия не помню  ). Ну это так, лирическое отступление.

P.S. По поводу личностей, упомянутых в названии темы. Галилея и Ньютона наверное все знают. Стивен Хокинг - один их крупнейших американских физиков-теоретиков второй половины двадцатого века, предложил механизм квантового испарения черных дыр. Эдвард Виттен - его идеи легли в основу второй революции теории суперструн в начале 90-х годов 20-го века.

P.P.S. В этой теме, если будет время, буду отвечать на вопросы пользователей и давать консультации ( если смогу конечно, чего не обещаю ), иногда буду что-нить рассказывать интересненькое ( вот как сегодня  ), а заодно сам задавать вопросы. 

[Риббонс Альмарк]

И вот мой первый вопрос. Что такое энергия? Я не знаю. Прошу дать определение этому понятию.

ВНИМАНИЕ! Данный вопрос адресован исключительно для людей завершивших обучение в техническом ( физическом ) ВУЗе, либо для тех кто учится в таком ВУЗе в данный момент. Рассчитываю на Ronnie, julik, Эдарну. 

[Egwene]

Доказательства теории Большого взрыва (в продолжение поста Элана )

Существуют две принципиально разные возможности для условий, в которых протекало начало расширения Вселенной: ее вещество могло быть либо холодным, либо горячим.

В первых предположениях считалось, что все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Но было доказано, что в этом случае разнообразия элементов не создается.
Дело в том, что нейтрон в свободном состоянии распадается в среднем за 15 минут после возникновения, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино.  А соединение протонов с оставшимися нейтронами приведет к образованию ядер гелия. Более сложные атомные ядра при этом практически не возникают. Распространенность же химических элементов в природе отвергает гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.

Из теории горячей вселенной следует, что высокая температура вещества препятствует превращению всего вещества в гелий. Из работ Гамова, Альфера и Хермана 1948 года следовало: если теория горячей Вселенной предсказывает возникновение 30% гелия и 70% водорода как основных химических элементов природы, но при этом современная Вселенная неизбежно должна быть заполнена остатком («реликтом») первобытного горячего излучения, причем Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К.

Казалось бы, решающим тестом для выбора между холодной и горячей моделями Вселенной мог стать поиск реликтового излучения. Но почему-то долгие годы после предсказания Гамова и его коллег никто сознательно не пытался обнаружить это излучение. Открыто оно было совершенно случайно в 1965 радиофизиками из американской компании «Белл» Р.Уилсоном и А.Пензиасом, награжденными в 1978 Нобелевской премией.

Теперь что такое реликтовое излучение – это космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см3.

Его открытие имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания 20 в. и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несет нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей, и в ней еще не существовало ни планет, ни звезд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосферных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого рождения Вселенной.

Более подробно о нем можно узнать здесь
http://www.krugosvet.ru/articles/97/1009704/1009704a1.htm

[Varcom]

Было экспериментально обнаружено, что Вселенная расширяется, а значит, в прошлом должен быть Большой Взрыв ( условно говоря - момент времени, когда расстояние между любыми двумя точками во Вселенной было равно нулю ). Другое дело, что сам Большой Взрыв никто не видел и не измерял - мы наблюдаем лишь его последствия. Но объяснить наблюдаемое разбегание галактик в рамках современных научных теорий ( доказанных ) нельзя никак иначе, кроме как с помощью предположения о Большом Взрыве.

История человечества слишком коротка для экстраполяции... Представьте синусоиду с периодом в 10^16 лет. То, что галактики разбегаются сейчас, и разбегались десяток миллиардов лет назад, еще не значит, что это было всегда. Слишком большие цифры.

А по поводу энергии... Может начнем с более простых вещей? Например, откуда берется эл.ток?
"Мы научились пользоваться электричеством, но в понимании того, что это такое, мы ни на шаг не ушли от людей, живших в каменном веке" - это была вводная фраза на первой лекции по электронике. :-)

[Sovin Nai]

История человечества слишком коротка для экстраполяции... Представьте синусоиду с периодом в 10^16 лет. То, что галактики разбегаются сейчас, и разбегались десяток миллиардов лет назад, еще не значит, что это было всегда. Слишком большие цифры.

А как отличить большое число от маленького?   

[Сrusader]

зависит от системы отсчёта ,то есть в некоторых случаях мало,а в некоторых много.это всего лишь числа, а мало или много сравнительно от условий примения.(мор вроде понятно обьяснил).
Что касаетя энергии я не буду вдаваться в подробности,но скажу что учёными принимаются несколько орпеделений.что вполне логично для физики).Для удобства также! определение зависит от поля деятельности.
Определения типа такого:
Энергия - характеристика движения и взаимодействия тел, их способности совершать изменения во внешней среде; количественная мера материи.
Или вообще способность тела совершать работу.

И хотелось бы слышать сообственные соображения ,а не копии из учебника по физике или энциклопедии.Также не следует принимать все выше (или потом ниже) за истину , так как профессоров среди нас пока нет,а даже они эээ..заблуждаются.Любую истину следует подвергать сомнению.(или знания но это вопрос диалектики)

[Денис II]

Один товарищ сказал интересную вещь: современная астрофизика сильно напоминает модель Птолемея.

Кто не в курсе: Клавдий Птолемей - античный астроном, который во 2 веке создал модель Солнечной системы. Не с нуля, конечно, используя наработки предшественников. Первоначально модель выглядела так: в центре Земля, вокруг неё вращаются по круговым орбитам, которые он назвал деферентами, планеты - Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн (с тех пор представление о том, что такое планета, несколько изменились ). Понятно, что такая модель не работала - получавшиеся по ней движение планет не соответствовало реально наблюдаемому. Тогда Птолемей добавил эпициклы: по деференту двигалась не планета, а некая абстрактная точка, а планета движется вокруг неё по круговой орбите, называемой эпициклом. Кроме того, он сместил Землю, теперь она находилась не в центре деферентов, а на некотором расстоянии от него. Такая модель уже неплохо работала. Но, всё же, не совсем. Поэтому со временем появились вторые эпициклы - по эпициклу двигалась не планета, а центр второго эпицикла, а затем и третьи, четвёртые... К 13 веку количество эпициклов дошло до 75! Тем не менее, весь этот ужос работал, то есть адекватно описывал наблюдаемое движение планет. Более того, система Коперника в своём первоначальном виде работала хуже.

Так вот, все эти принятые в современной астрофизике лямбда-члены, тёмные материи и тёмные энергии сильно смахивают на эпициклы.

[Риббонс Альмарк]

Кто не в курсе: Клавдий Птолемей - античный астроном, который во 2 веке создал модель Солнечной системы. Не с нуля, конечно, используя наработки предшественников. Первоначально модель выглядела так: в центре Земля, вокруг неё вращаются по круговым орбитам, которые он назвал деферентами, планеты - Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн (с тех пор представление о том, что такое планета, несколько изменились ). Понятно, что такая модель не работала - получавшиеся по ней движение планет не соответствовало реально наблюдаемому. Тогда Птолемей добавил эпициклы: по деференту двигалась не планета, а некая абстрактная точка, а планета движется вокруг неё по круговой орбите, называемой эпициклом. Кроме того, он сместил Землю, теперь она находилась не в центре деферентов, а на некотором расстоянии от него. Такая модель уже неплохо работала. Но, всё же, не совсем. Поэтому со временем появились вторые эпициклы - по эпициклу двигалась не планета, а центр второго эпицикла, а затем и третьи, четвёртые... К 13 веку количество эпициклов дошло до 75! Тем не менее, весь этот ужос работал, то есть адекватно описывал наблюдаемое движение планет. Более того, система Коперника в своём первоначальном виде работала хуже.

Да, я в курсе. 

Так вот, все эти принятые в современной астрофизике лямбда-члены, тёмные материи и тёмные энергии сильно смахивают на эпициклы.

А что еще нам остается делать? 

[Денис II]

А что еще нам остается делать? 

Как что? Искать! Искать своего Коперника. И Кеплера заодно.

[Риббонс Альмарк]

Как что? Искать! Искать своего Коперника. И Кеплера заодно.

Да уж... С Коперниками и Кепплерами будут проблемы... давно уже минули времена, когда один гений мог сделать что-либо серьезное... Последним гением-одиночкой был Эйнштейн, квантовую механику уже создавали "всем миром"... Там щас такие навороты, что тем людям и не снилось... 

И потом... а вдруг все так и есть на самом деле ( это про темную материю и, скажем, теорию струн с ее одинадцатимерными просранствами )?  Как показала квантовая механика, мир далеко не так прост и ествественен, как нам бы того хотелось.  Даже Эйнштейн, посмотрев на квантовую механику, сказал : "Нет ребята, это уже перебор" ( слегка перефразировал ) А ведь "ребята" были правы - квантовая миханика ничуть не менее истинна, чем ОТО... хотя обе они, скорее всего, лишь приближения чего-то другого, может быть, той самой теории струн... 

[julik]

Познание бесконечно, как бесконечен окружающий нас мир. И любая теория - всего навсего некое приближение, чуть более или чуть менее удачное.
Сейчас слишком мало времени, буду посвободее, расскажу про антропный принцип. Презабавная вещь.

[Денис II]

скажем, теорию струн с ее одинадцатимерными просранствами

Разве 11? Мне казалось, 12 - 10 пространственных и 2 временных.

[Риббонс Альмарк]

Разве 11? Мне казалось, 12 - 10 пространственных и 2 временных.

Про 2 времменых первый раз слышу. Вообще там до фига разных версий. В книге Брайана Грина "Элегантная Вселенная" во основном говорится о шести дополнительных пространственных измерениях, компактных пространствах, свернутых в так называемые Калаби-Яу многообразия. Итого 3+6+1 = 11, с учетом времени. Но вот недавно на лекции по терфизу рассказывали что есть модели и с 17 и даже с 24 пространственными измерениями. Про временные не слышал, а это вообще как? 

[Денис II]

Про временные не слышал, а это вообще как? 

Понятия не имею.

[Риббонс Альмарк]

Понятия не имею.

А откуда вообще инфа про 2 временных измерения?