Аудиокнига. Почему физика становится странной в конце Вселенной？

• Современное представление о законах движения тел восходит к Галилею и Ньютону.  

• Аристотель считал, что тела падают с разной скоростью в зависимости от веса.  

• Галилей проводил эксперименты, чтобы доказать, что скорость тела увеличивается по одному и тому же закону независимо от веса.  

• Ньютон вывел свои законы движения на основе экспериментов Галилея.  

• Первый закон Ньютона: тело движется с постоянной скоростью, если на него не действует сила.  

• Второй закон Ньютона: ускорение тела пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально его массе.  

• Закон тяготения Ньютона: тела притягиваются с силой, пропорциональной их массам.  

• Чем больше масса тела, тем меньше ускорение при той же силе.  

• Закон позволяет предсказать орбиты планет и объясняет, почему все тела падают с одинаковой скоростью.  

• Законы Ньютона показывают, что нет абсолютного эталона покоя.  

• Невозможно определить, произошло ли событие в одной и той же точке пространства.  

• Ньютон не принял отсутствие абсолютного пространства, что противоречило его идее абсолютного бога.  

• Ньютона критиковали за его иррациональное упорство.  

• Аристотель и Ньютон верили в абсолютное время, но это оказалось неверным при скоростях, близких к скорости света.  

• Датский астроном Оле Рёмер установил, что свет распространяется с конечной скоростью, что изменило представления о пространстве и времени.  

• Ремер доказал, что свет распространяется с конечной скоростью.  

• Джеймс Кларк Максвелл объединил теории электрических и магнитных сил в 1865 году.  

• Теория Максвелла предсказывала фиксированную скорость света.  

• Теория Ньютона покончила с абсолютным покоем.  

• Эфир был постулирован для объяснения скорости света.  

• Наблюдатели с разными скоростями должны видеть свет с разной скоростью относительно эфира.  

• В 1887 году Майкельсон и Морли измерили скорость света в разных направлениях.  

• Они обнаружили, что скорость света одинакова в обоих направлениях.  

• Это противоречило теории эфира.  

• Эйнштейн и Пуанкаре предложили отказаться от понятия абсолютного времени.  

• Законы науки должны быть одинаковыми для всех наблюдателей.  

• Скорость света одинакова для всех наблюдателей независимо от их движения.  

• Энергия и масса эквивалентны.  

• Чем больше энергия, тем труднее увеличить скорость.  

• Объект не может достичь скорости света из-за увеличения массы.  

• Теория относительности покончила с понятием абсолютного времени.  

• Время и расстояние зависят от наблюдателя.  

• Наблюдатели могут определить время и положение события методом радиолокации.  

• Расстояние определяется через время и скорость света.  

• Теория относительности не требует эфира.  

• Время и пространство образуют единое пространство-время.  

• Положение точки в пространстве задается координатами.  

• Координаты имеют ограниченную область применимости.  

• Событие происходит в определенной точке пространства и времени.  

• Событие можно задать положением точки на поверхности Земли.  

• Четыре координаты события определяют его положение в четырехмерном пространстве-времени.  

• Двумерное пространство, например, поверхность Земли, можно изобразить графически.  

• Ось времени направлена вверх, а одна из пространственных осей горизонтально.  

• Уравнение Максвелла предсказывает постоянство скорости света.  

• Свет распространяется во все стороны, образуя световую сферу.  

• Свет образует трехмерный конус в четырехмерном пространстве-времени.  

• Световые конусы будущего и прошлого делят пространство-время на три области.  

• Абсолютное будущее и прошлое определяют, на что может повлиять событие.  

• Внешняя область не влияет на события в точке Р.  

• Пример: если Солнце перестанет светить, это не повлияет на Землю сразу.  

• Мы видим Вселенную в прошлом, так как свет от далеких объектов идет к нам долго.  

• Пренебрегая гравитационными эффектами, можно построить световой конус для каждого события.  

• Скорость света одинакова для всех событий и направлений.  

• Ничто не может двигаться быстрее света, траектория объекта должна лежать внутри световых конусов.  

• Специальная теория относительности объясняет постоянство скорости света.  

• Теория противоречит ньютоновской теории гравитации, требуя бесконечной скорости гравитационных эффектов.  

• Эйнштейн пытался создать модель гравитации, согласующуюся со специальной теорией относительности, с 1908 по 1914 годы.  

• Эйнштейн предположил, что гравитация — это следствие искривления пространства-времени.  

• Тела движутся по геодезическим линиям, которые являются кратчайшими путями в искривленном пространстве.  

• В трехмерном пространстве тела движутся по искривленным траекториям, как самолет над холмистой местностью.  

• Орбиты планет, предсказываемые общей теорией относительности, почти совпадают с предсказаниями Ньютона.  

• Меркурий имеет вытянутую орбиту, которая должна поворачиваться на один градус в десять тысяч лет.  

• Свет должен изгибаться в гравитационных полях, что было подтверждено наблюдениями во время солнечного затмения.  

• Вблизи массивных тел, таких как Земля, время течет медленнее.  

• Это было проверено в 1962 году с помощью часов на водонапорной башне.  

• Разница в ходе часов на разной высоте важна для навигационных систем.  

• Пространство и время теперь динамические величины, изменяющиеся под влиянием движения и сил.  

• Пространство и время влияют на все, что происходит во вселенной, и сами изменяются под влиянием событий.  

• Это изменило представление о вселенной, сделав ее динамической и расширяющейся.  

• Звезды на небе не неподвижны, а движутся из-за вращения Земли вокруг Солнца.  

• Самая близкая звезда — Проксима Центавра, на расстоянии около четырех световых лет.  

• Млечный Путь — это спиральная галактика, подтвержденная Уильямом Гершелем.  

• Эдвин Хаббл показал, что наша галактика не единственная, а существует множество других галактик.  

• Он использовал косвенные методы для измерения расстояний до галактик.  

• Хаббл рассчитал расстояния до девяти галактик, подтвердив, что наша галактика — одна из многих миллионов.  

• Галактика имеет диаметр около 100 тысяч световых лет и медленно вращается.  

• Звезды в спиральных рукавах делают один оборот вокруг центра каждые несколько сотен миллионов лет.  

• Солнце — обычная желтая звезда средней величины, расположенная на внутренней стороне одного из спиральных рукавов.  

• Свет звезд можно разложить на спектр, как в призме.  

• Разные звезды имеют разные спектры, но относительная яркость цветов одинакова.  

• Спектры звезд зависят от их температуры и химического состава.  

• Свет — это электромагнитные волны с высокой частотой.  

• При движении источника света его спектр смещается: красное смещение для удаляющихся звезд и фиолетовое для приближающихся.  

• Эффект Доплера используется для определения скорости движения объектов.  

• Хаббл обнаружил, что большинство галактик удаляются от нас.  

• Величина красного смещения пропорциональна расстоянию до галактики.  

• Это означало, что Вселенная расширяется, а не статична.  

• Фридман предположил, что Вселенная одинакова во всех направлениях.  

• Он показал, что Вселенная не может быть статичной.  

• В 1922 году Фридман предсказал открытие Хаббла, что Вселенная расширяется.  

• Число галактик во всех направлениях примерно одинаково.  

• Вселенная одинакова во всех направлениях в крупном масштабе.  

• Гипотеза Фридмана оказалась удивительно точной.  

• Пензиас и Вильсон обнаружили микроволновый шум в детекторе.  

• Шум был одинаковым во всех направлениях и в любое время суток.  

• Источник шума находился за пределами Солнечной системы.  

• Шум изменялся не более чем на одну десятитысячную.  

• Пензиас и Вильсон подтвердили первое предположение Фридмана.  

• Дики и Пиблс искали свечение ранней Вселенной, но Пензиас и Вильсон уже нашли его.  

• Вселенная одинакова во всех направлениях с любой точки.  

• Галактики удаляются друг от друга, как надутый шарик.  

• Модель Фридмана предсказывает пропорциональность красного смещения удаленности галактики.  

• Три модели Фридмана: медленное расширение, быстрое расширение, критическая скорость.  

• В первой модели вселенная расширяется и сжимается.  

• Во второй модели вселенная расширяется бесконечно.  

• Вопрос о будущем Вселенной: расширение или сжатие.  

• Необходимость измерения скорости расширения и средней плотности.  

• Неопределенность в современном значении средней плотности Вселенной.  

• Сумма масс всех звезд в галактиках недостаточна для прекращения расширения Вселенной.  

• Темная материя влияет на орбиты звезд и движение галактик.  

• Возможно существование другой формы материи, которая могла бы остановить расширение.  

• Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно.  

• Сжатие Вселенной произойдет не раньше, чем через 10 тысяч миллионов лет.  

• К тому времени человечество, вероятно, исчезнет.  

• В момент Большого взрыва плотность Вселенной и кривизна пространства-времени были бесконечными.  

• В этой точке теория относительности неприменима.  

• События до Большого взрыва не имеют последствий для нас.  

• Модель стационарной Вселенной предполагает, что галактики образуются непрерывно.  

• Эта модель требует модификации теории относительности.  

• Предсказания модели противоречат наблюдениям.  

• Лившиц и Халатников предположили, что Большой взрыв — особенность модели Фридмана.  

• Галактики могут не разбегаться по прямой, что исключает необходимость Большого взрыва.  

• Их работа показала, что общая теория относительности может иметь сингулярность.  

• Теорема Пенроуза утверждает, что любое тело в процессе гравитационного коллапса должно сжаться в сингулярную точку.  

• При обращении времени эта теорема применима к расширяющейся Вселенной.  

• Теорема требует, чтобы Вселенная была бесконечной в пространстве.  

• Общая теория относительности неполна и не объясняет начало Вселенной.  

• Квантовая механика может объяснить мелкомасштабные эффекты на ранней стадии Вселенной.  

• В начале 19 века Пьер Лаплас предложил детерминированную модель вселенной.  

• Лаплас считал, что можно предсказать все события во вселенной, зная её состояние в любой момент времени.  

• Эта идея встретила сопротивление, так как ограничивала свободное вмешательство Бога.  

• Джон Релей и Джеймс Джинс показали, что горячие объекты должны излучать бесконечно большую энергию.  

• Макс Планк предложил гипотезу квантов, согласно которой свет и другие волны излучаются порциями, квантами.  

• Кванты несут определенное количество энергии, что ограничивает интенсивность излучения.  

• Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, согласно которому точное измерение положения частицы невозможно без изменения её скорости.  

• Принцип неопределенности утверждает, что неопределенность положения и скорости частицы не может быть меньше определенного значения.  

• Этот принцип означал конец мечтам Лапласа о полностью детерминированной модели вселенной.  

• Гейзенберг, Шредингер и Дирак пересмотрели механику, приняв принцип неопределенности.  

• Квантовые частицы не имеют определенных характеристик, таких как положение и скорость.  

• Квантовая механика предсказывает вероятность различных результатов измерений, что вносит элемент случайности в науку.  

• Эйнштейн выступал против квантовой механики, считая, что вселенной управляет случай.  

• Квантовая механика лежит в основе современной науки и техники, включая электронику и химию.  

• Единственные области, где квантовая механика пока не используется, это теория гравитации и крупномасштабная структура вселенной.  

• Квантовая механика использует новый математический аппарат, описывающий частицы и волны.  

• Частицы могут вести себя как волны, что приводит к интерференции.  

• Пример интерференции частиц — опыт с двумя щелями, где электроны ведут себя как волны.  

• Интерференция частиц помогла понять структуру атомов.  

• Атомы сравнивались с солнечной системой, где электроны вращаются вокруг ядра.  

• Проблема коллапса атомов была решена Нильсом Бором в 1913 году.  

• Квантовая механика объяснила, что электроны могут двигаться только по определенным орбитам.  

• Эти орбиты называются боровскими разрешенными орбитами.  

• Волновая природа электрона объясняет, почему некоторые орбиты разрешены, а другие нет.  

• Ричард Фейнман предложил суммирование по траекториям для понимания дуализма волна-частица.  

• Частица может перемещаться по разным траекториям, и вероятности переходов складываются.  

• Это позволяет вычислить разрешенные орбиты для сложных атомов и молекул.  

• Квантовая механика позволяет предсказать все, что мы видим, с точностью до принципа неопределенности.  

• Общая теория относительности Эйнштейна не учитывает квантовый эффект, что может привести к противоречиям.  

• В сильных гравитационных полях, таких как черные дыры и Большой взрыв, квантовый эффект становится существенным.  

• Аристотель считал, что вещество состоит из четырех элементов, а Демокрит — из атомов.  

• Джон Дальтон показал, что атомы объединяются в молекулы, но спор между атомистами и материалистами не был решен.  

• Эйнштейн объяснил броуновское движение ударами атомов, что подтвердило существование атомов.  

• Томпсон открыл электрон, а Резерфорд доказал, что атомы состоят из ядра и электронов.  

• Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые были открыты в 1932 году.  

• Протоны и нейтроны состоят из кварков, которые были открыты в 1964 году.  

• Протоны и нейтроны состоят из кварков, которые делятся на шесть ароматов.  

• Кварки могут быть трех цветов, но это не влияет на их свойства.  

• Вопрос о том, что такое элементарные частицы, остается открытым.  

• Длины световых волн больше размеров атома, поэтому мы не можем увидеть его составные части.  

• Квантовая механика утверждает, что все частицы являются волнами, и чем выше энергия частицы, тем меньше длина волны.  

• Энергия частиц измеряется в электрон-вольтах, и чем выше энергия, тем меньше масштаб наблюдаемых длин.  

• В XIX веке атомы считались самыми мелкими частицами материи.  

• Эксперименты Резерфорда показали, что альфа-частицы состоят из меньших частиц.  

• С увеличением энергии частиц, мы узнали, что эти частицы также состоят из еще меньших частиц.  

• Частицы можно представить как маленькие волчки, вращающиеся вокруг своей оси.  

• Спин частицы определяет, как она выглядит с разных сторон.  

• Существуют частицы со спином одна вторая, которые не принимают прежний вид после полного оборота.  

• Принцип Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии.  

• Этот принцип объясняет, почему частицы материи не коллапсируют в состояние с высокой плотностью.  

• Без принципа Паули кварки и атомы не могли бы существовать в виде отдельных частиц.  

• Поль Дирак предложил теорию для описания частиц со спином одна вторая.  

• Теория Дирака предсказала существование античастиц, что подтвердилось открытием позитрона.  

• Каждая частица имеет античастицу, с которой она может аннигилировать.  

• Силы взаимодействия переносятся частицами с целочисленным спином.  

• Эти частицы не подчиняются принципу Паули, что позволяет им создавать большие силы.  

• Виртуальные частицы создают силы, действующие между частицами вещества.  

• Гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.  

• Гравитационная сила переносится частицей со спином два, называемой гравитоном.  

• Гравитоны не обладают собственной массой и создают дальнодействующие силы.  

• Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными частицами.  

• Они сильнее гравитационных сил и действуют между электронами и протонами.  

• В больших телах, таких как Земля и Солнце, электромагнитные силы почти компенсируются.  

• Фотоны являются виртуальными частицами, участвующими в электромагнитных силах.  

• При переходе электрона с одной орбиты на другую освобождается энергия, что приводит к излучению реального фотона.  

• Слабое взаимодействие отвечает за радиоактивность и существует между частицами со спином 1/2.  

• В 1967 году Вайнберг и Салам предложили теорию, объединяющую слабое и электромагнитное взаимодействия.  

• Они предположили существование трех тяжелых векторных бозонов, которые являются переносчиками слабого взаимодействия.  

• Теория предсказывала, что при высоких энергиях эти частицы ведут себя одинаково, а при низких энергиях симметрия нарушается.  

• В 1979 году теория Вайнберга-Салама была подтверждена экспериментально.  

• В 1983 году в ЦЕРНе были открыты три массивных партнера фотона, подтвердив теорию.  

• В 1984 году Карло Руби и Симон ван дер Мер получили Нобелевскую премию за это открытие.  

• Сильное взаимодействие удерживает кварки внутри протонов и нейтронов.  

• Переносчиком сильного взаимодействия является частица глюон.  

• Глюоны взаимодействуют только с кварками и другими глюонами, создавая бесцветные комбинации.  

• Конфайнмент удерживает кварки и глюоны в бесцветных комбинациях.  

• При высоких энергиях сильное взаимодействие ослабевает, и кварки и глюоны ведут себя почти как свободные частицы.  

• Это позволяет объединить электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия в теории великого объединения.  

• Сильное взаимодействие при высоких энергиях становится слабее.  

• Электромагнитные и слабые силы растут при высоких энергиях.  

• При энергии великого объединения эти три силы могут сравняться и стать одной силой.  

• Энергия великого объединения составляет около 10^18 ГэВ.  

• Современные ускорители достигают энергий около 100 ГэВ.  

• Для достижения энергии великого объединения нужен ускоритель размером с Солнечную систему.  

• Протоны могут спонтанно распадаться на антиэлектроны.  

• Вероятность такого распада крайне мала.  

• Эксперименты не подтвердили распад протона.  

• Возможно, наше существование связано с образованием протонов.  

• Земное вещество состоит из протонов и нейтронов, но не из антипротонов и антинейтронов.  

• В галактике нет больших участков антивещества.  

• Законы физики не одинаковы для частиц и античастиц.  

• Слабое взаимодействие не инвариантно относительно симметрии C.  

• Вселенная, состоящая из античастиц, ведет себя иначе.  

• Слабое взаимодействие нарушает симметрию CP.  

• Вселенная ведет себя иначе при замене частиц античастицами.  

• Нарушение симметрии T приводит к превращению антиэлектронов в кварки.  

• Гравитационные силы могут стать доминирующими при большом количестве частиц.  

• Эволюция вселенной определяется гравитацией.  

• Гравитация может привести к коллапсу звезд и образованию черных дыр.