Квантовая электродинамика. Теория всего-не законченная теория Эйнштейна.

Введение в окончательную теорию

0:00

Теория должна была объединить все силы космоса и элементарные частицы.
Стивен Хокинг сделал доклад о возможности создания такой теории.
Успех теории стал бы венцом науки и целью физики.

История и сложность задачи

0:53

Исследования ведутся уже две тысячи лет.
Эйнштейн не смог завершить единую теорию поля.
Попытки решить задачу были неудачными, но теория струн считается главным кандидатом.

Теория струн и её особенности

2:32

Вселенная состоит из колеблющихся струн, каждая нота которых соответствует элементарной частице.
Все законы физики могут быть сведены к гармониям струн.
Теория струн объясняет, как все законы физики связаны с колебаниями струн.

Влияние научных открытий

3:24

Ньютоновые законы заложили основу для промышленной революции.
Фарадей и Максвелл создали теорию электричества и магнетизма.
Квантовая механика привела к современным технологиям.

Современные исследования и критика

4:21

Наука близка к созданию теории, объединяющей все четыре силы природы.
Теория струн вызывает много критики из-за отсутствия надежных доказательств.
Большой адронный коллайдер не оправдал надежд на подтверждение теории.

Проблема мультивселенной

6:19

Теория струн предсказывает существование мультивселенной.
Вопрос о том, почему наша вселенная уникальна, остается открытым.
Теория струн используется как основа для новых исследований.

Эйнштейн и его поиски

7:11

Эйнштейн искал единый принцип для теории всего, но не нашел его.
Большинство физиков игнорировали его поиски.
Шредингер и другие физики предлагали свои версии единой теории поля, но они не были успешными.

Дискуссия о безумности теории

10:44

Паули предложил теорию, которая была признана безумной.
Бор утверждал, что истинная теория должна быть радикально отличной от предыдущих.
Все простые теории уже были опробованы и не оправдали надежд.

Квантовая электродинамика

12:21

В послевоенную эпоху была создана квантовая электродинамика КЭД.
Цель КЭД - объединить теорию электрона Дирака с теорией света Максвелла.
В 1949 году Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и С. Томогака решили эту задачу.

Теория перенормировки

14:09

Ученые смогли рассчитывать магнитные свойства электрона с высокой точностью.
Метод перенормировки включает вычисление тысяч слагаемых с высокой точностью.
Дирак критиковал метод за его искусственность и сложность.

Революция высоких технологий

17:26

КЭД привела к созданию транзисторов и лазеров.
Транзисторы управляют потоком электронов, усиливая слабые сигналы.
Лазеры создают мощные световые лучи, используемые в различных областях.

Квантовая механика и жизнь

20:16

Эрвин Шредингер считал, что квантовая механика может объяснить происхождение жизни.
В 1944 году он написал книгу "Что такое жизнь?", предложив использовать квантовую механику для понимания генетического кода.
Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик расшифровали структуру ДНК, используя рентгеновскую кристаллографию.

Проект "Геном человека"

24:47

Уотсон и Крик показали, что жизнь зашифрована в ДНК.
Проект "Геном человека" позволил получить полное атомное описание ДНК любого человека.
Квантовая механика помогла построить древо жизни на Земле.

Ядерное взаимодействие

25:49

В послевоенную эпоху физики начали применять квантовую теорию к ядерным взаимодействиям.
Это была сложная задача, требующая новых инструментов и подходов.

Ядерные взаимодействия

26:38

Существуют два типа ядерных взаимодействий: сильное и слабое.
Сильное ядерное взаимодействие удерживает ядро атома, противостоя электростатическому отталкиванию.
Некоторые ядра нестабильны из-за избытка протонов или нейтронов.

Распад нейтронов и изучение ядерных взаимодействий

27:37

Избыток протонов может разорвать ядро, а избыток нейтронов приводит к их распаду.
При распаде нейтрона образуются протон, электрон и антинейтрино.
Для изучения ядерных взаимодействий используются ускорители частиц.

Циклотрон и его роль в физике

28:33

В 1929 году Эрнест Лоуренс изобрел циклотрон, предшественник современных ускорителей частиц.
Циклотрон использует магнитное поле для ускорения протонов, которые затем сталкиваются с мишенью.
Процесс бомбардировки мишени протонами позволяет идентифицировать новые частицы.

Открытие новых частиц

30:13

В 1950-х годах физики обнаружили множество новых частиц при столкновении протонов.
Роберт Оппенгеймер и Энрико Ферми выразили удивление количеством новых частиц.
Некоторые физики считали, что человеческий разум не может понять субатомное царство.

Кварковая модель и её значение

31:08

Мари Гелман и его коллеги предложили, что протон и нейтрон состоят из кварков.
Кварковая модель объяснила множество частиц и предсказала новые.
В 1964 году была обнаружена частица омега-минус, подтвердившая теорию.

Ричард Фейнман и Мари Гелман

33:05

Фейнман был эксцентричным и любил шутить, в отличие от Гелмана, который был более сдержанным.
Оба физика обладали энергией и упорством, необходимыми для изучения квантовой теории.

Загадки Вселенной и древние философы

34:42

Греки пытались упорядочить хаос окружающего мира, предлагая теории о четырех элементах и атомах.
Демокрит утверждал, что все состоит из атомов, а Пифагор связывал музыку с математикой колебаний.

Возрождение научных исследований

37:51

В XVII веке ученые, такие как Кеплер и Бруно, начали исследовать природу Вселенной.
Галилей, несмотря на преследования, оставил наследие в виде телескопа.
В год смерти Галилея родился ребенок, который завершил его теории и представил единую теорию небесной механики.

Ньютонова теория сил

40:31

Исаак Ньютон сформулировал универсальные законы небесной механики.
Он применил новые математические методы интегрального и дифференциального исчисления.
Ньютон предложил единую теорию, охватывающую и небеса, и землю.

Закон тяготения

41:21

Ньютон заметил, что яблоко падает, и задался вопросом о падении Луны.
Он предположил, что закон тяготения управляет движением и яблок, и Луны.
Ньютон ввел понятие сил, которые могут быть измерены и математически описаны.

Влияние на науку и общество

42:58

Ньютон был скрытным ученым, но его теория тяготения изменила ход истории.
В 1682 году он предсказал траекторию кометы, что укрепило его репутацию.
Его теория движения и гравитации стала одним из величайших достижений человечества.

Симметрия в теории Ньютона

46:07

Закон всемирного тяготения Ньютона симметричен.
Симметрия указывает на глубокий физический принцип, действующий во Вселенной.
Уравнение Ньютона сохраняет симметрию при перестановке частей.

Подтверждение законов Ньютона

48:56

В XIX веке законы Ньютона были подтверждены открытием планеты Нептун.
Эти законы помогли понять природу теплоты и заложили основу для современных технологий.
Законы Ньютона изменили ход развития цивилизации и способствовали промышленной революции.

Прорыв в изучении электричества и магнетизма

53:18

Майкл Фарадей, бедный, но изобретательный, заложил основы изучения электричества и магнетизма.
Фарадей показал, что перемещение магнита внутри проволочной петли вызывает электричество.
Это открытие стало началом века электричества с гигантскими гидроэлектростанциями.

Концепция поля и её значение

55:17

Фарадей придумал концепцию поля, состоящего из силовых линий.
Магнитные линии окружают каждый магнит, а магнитное поле Земли исходит из северного полюса.
Открытие Фарадея помогло объяснить происхождение магнитного поля Земли.

Вклад Фарадея и его влияние

57:07

Фарадей был объявлен величайшим ученым-экспериментатором всех времен.
Он привлекал публику к своим опытам, включая рождественские лекции и демонстрации.
Эффект Фарадея используется для защиты микроволновых печей и самолетов.

Вклад Джеймса Клерка Максвелла

58:54

Максвелл обобщил поведение электричества и магнетизма, описанное Фарадеем.
Он понял, что переменное электрическое поле создает магнитное поле, которое порождает новое электрическое поле.
Максвелл рассчитал скорость этой бегущей волны, которая оказалась близкой к скорости света.

Уравнения Максвелла и их значение

1:00:36

Уравнения Максвелла лежат в основе телевидения, лазеров и других технологий.
Симметрия в уравнениях Максвелла позволяет объединить электричество и магнетизм.
Генрих Герц доказал существование электромагнитных волн в 1886 году.

Радио и его влияние

1:02:07

Гульельмо Маркони представил радио в 1894 году, показав возможность передачи сообщений без проводов.
Радио стало сверхбыстрым и удобным способом дальней связи.
Уравнения Максвелла открыли весь электромагнитный спектр, включая видимый свет и радио.

Открытие инфракрасного света

1:04:47

В 1800 году Уильям Гершель обнаружил, что за красным цветом радуги температура начинает расти.
Это открытие привело к пониманию инфракрасного света, невидимого, но несущего энергию.
Сегодня известно, что существует целый спектр электромагнитного излучения, большая часть которого невидима.

Электромагнитный спектр и его восприятие

1:05:42

Длины волн цветов радуги больше, чем у ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей.
Реальность, которую мы видим, является лишь частью полного электромагнитного спектра.
Некоторые живые существа, такие как пчелы, могут воспринимать ультрафиолетовое излучение, что помогает им ориентироваться.

Ограничения человеческого зрения

1:06:39

Длина электромагнитной волны соответствует размеру антенны, например, антенны сотового телефона.
Размер клеток сетчатки глаза определяет длины волн, которые мы можем различать.
Мы видим только те цвета, длины волн которых равны размерам клеток сетчатки.

Применение электромагнитного спектра

1:07:28

Если бы клетки наших глаз были больше, мы могли бы видеть радио- и микроволновое излучение.
Если бы клетки были меньше, мы могли бы видеть рентгеновские лучи.
Применение уравнений Максвелла позволяет передавать электрическую энергию по проводам, обеспечивая освещение городов.

Противостояние Эдисона и Теслы

1:08:15

Томас Эдисон и Никола Тесла были ключевыми фигурами в развитии электричества.
Эдисон изобрел множество электрических устройств и первым электрифицировал улицу.
Тесла поддерживал использование переменного тока, что привело к знаменитому противоборству между их технологиями.

Влияние на будущее электричества

1:09:01

Будущее электрической революции зависело от того, кто победит в этом конфликте.
Эдисон не до конца понимал уравнения Максвелла, что привело к его ошибкам.
Тесла, несмотря на поддержку, не получил признания из-за недоверия Эдисона к ученым, понимавшим математику.

Эдисон и высоковольтные линии

1:10:02

Эдисон использовал простой метод для определения объема лампочки.
Высоковольтные линии Теслы были экономически предпочтительнее, но опасны для жилых домов.
Решение: использование трансформаторов для преобразования высокого напряжения в низкое.

Трансформаторы и переменный ток

1:11:00

Максвелл показал, что переменное магнитное поле порождает электрический ток.
Трансформаторы могут быстро преобразовывать напряжение.
Переменный ток легко преобразуется в магнитные и электрические поля.

Проигрыш Эдисона и теория Максвелла

1:11:56

Эдисон проиграл сражение и потерял средства из-за игнорирования уравнений Максвелла.
Уравнения Ньютона и Максвелла дали убедительную теорию всего.
В 1900 году многие ученые считали, что наука достигла своего конца.

Эйнштейн и его вопрос о свете

1:12:49

Эйнштейн задался вопросом, можно ли обогнать луч света.
Он представлял полет вдоль светового луча, который должен казаться неподвижным.
Эйнштейн понял, что это противоречит наблюдениям.

Трудности Эйнштейна и его работа в патентном бюро

1:13:45

Эйнштейн был безработным и считал себя обузой для семьи.
Он получил работу в патентном бюро, где смог вернуться к своим исследованиям.
В патентном бюро он начал революцию в физике.

Теория относительности Эйнштейна

1:15:35

Эйнштейн рассчитал скорость светового луча, связанного с движущимся объектом.
Он обнаружил, что свет продолжает распространяться с одинаковой скоростью, независимо от скорости движения.
Это противоречило Ньютону, и Эйнштейн понял, что пространство и время должны искривляться.

Специальная теория относительности

1:17:27

Эйнштейн осознал, что пространство и время искривляются для обеспечения постоянства скорости света.
Время замедляется на быстро движущемся объекте.
Специальная теория относительности объясняет, как время и пространство изменяются в зависимости от скорости движения.

Взаимосвязь вещества и энергии

1:19:23

Чем быстрее вы движетесь, тем тяжелее становитесь.
Энергия движения превращается в массу.
Формула E=mc^2 объясняет, почему светит солнце.

Солнце и симметрия

1:20:03

Солнце светит из-за превращения массы в энергию при сжатии ядер водорода.
Симметрия важна для физики, как и для искусства.
Уравнения красивы, если они инвариантны при перестановке компонентов.

Симметрия в физике

1:20:57

Симметрия делает хаос упорядоченным, как в калейдоскопе.
Снежинка и сфера обладают симметрией, что делает их красивыми.
Уравнения симметричны, если их части можно поменять местами без изменения результата.

Красота в математике

1:21:47

Математик Годфри Харди считал, что идеи должны быть гармоничными.
Симметрия в уравнениях, как в теореме Пифагора, важна для физики.
Уравнения Эйнштейна симметричны в четырех измерениях.

Уравнения Максвелла

1:23:42

Уравнения Максвелла симметричны в четырех измерениях.
Эйнштейн хотел обобщить свою теорию, включив гравитацию и ускорения.
Макс Планк предупреждал Эйнштейна о трудностях создания такой теории.

Принцип эквивалентности

1:26:16

Эйнштейн понял, что гравитация и ускорение эквивалентны.
В космосе невесомость возникает из-за одинакового ускорения корабля и астронавтов.
Принцип эквивалентности объясняет гравитацию через искривление пространства.

Искривление пространства

1:29:13

Искривление пространства создает иллюзию гравитации.
Центробежная сила на карусели эквивалентна гравитации.
Гравитация — это иллюзия, вызванная искривлением пространства.

Гравитация как иллюзия

1:31:08

Гравитация толкает объекты из-за искривления пространства.
Эйнштейн отказался от статичной картины мира Ньютона.
Гравитационное притяжение — это иллюзия, вызванная искривлением пространства-времени.

Общая теория относительности

1:33:14

Гравитация Солнца искривляет свет звезд, что можно заметить во время затмения.
Муравьи на смятом листе бумаги не могут двигаться по прямой, что создает иллюзию гравитационной силы.
Общая теория относительности описывает гравитацию, действующую на все объекты в пространстве-времени.

Специальная и общая теории относительности

1:34:14

Специальная теория относительности описывает объекты, движущиеся равномерно.
Общая теория относительности работает с ускорениями, непрерывно меняющимися в пространстве-времени.
Параллельно с работой Эйнштейна над общей теорией относительности, физики искали ответы на вопрос о составе вещества.

История химии и периодическая таблица Менделеева

1:35:09

Ньютон проводил алхимические эксперименты, но они не внесли значительного вклада в понимание вещества.
К началу XIX века химики начали находить и выделять основные элементы природы.
В 1869 году Дмитрий Менделеев создал периодическую таблицу элементов, предсказывая свойства недостающих элементов.

Открытие радиоактивности и ядерное взаимодействие

1:37:19

В 1898 году Мария и Пьер Кюри выделили новый ряд нестабильных элементов, нарушающих закон сохранения энергии.
Радиоактивный распад элементов, таких как уран, мог разогревать ядро Земли, что объясняет медленные геологические процессы.
В 1910 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что атомы состоят в основном из пустого пространства.

Квантовая механика и теория Планка

1:42:02

В 1900 году Макс Планк предложил гипотезу, что энергия излучается дискретными пакетами, квантами.
Планк рассчитал постоянную Планка, которая позволяет точно вычислять энергию, излучаемую нагретыми объектами.
В 1905 году Эйнштейн показал, что свет ведет себя как отдельный пакет энергии или фотон.

Двойственность света и электронов

1:46:41

Свет состоит из фотонов, которые создают вокруг себя электрические и магнитные поля.
Если свет существует в двух формах, то не присуща ли та же двойственность электронам?
Ответ на этот вопрос потряс мир современной физики и цивилизации.

Волновые свойства электронов

1:47:37

Электроны могут вести себя как волны, что противоречит ньютоновской физике.
Эксперимент с двойной щелью показывает интерференцию электронов, что невозможно в классической физике.
Это явление является основой квантовой механики.

Парадоксы квантовой механики

1:48:31

Электроны могут интерферировать друг с другом, проходя через обе щели одновременно.
Это приводит к парадоксу: как точечная частица может интерферировать сама с собой?
Другие эксперименты показали, что электроны могут исчезать и появляться в другом месте.

Уравнение Шредингера

1:50:18

Уравнение Шредингера описывает движение частиц-волн, включая атом водорода.
Оно объясняет уровни энергии электрона в атоме и систему Менделеева.
Электроны могут двигаться только в определенных дискретных оболочках вокруг ядра.

Ограничения уравнения Шредингера

1:52:05

Уравнение Шредингера не учитывает релятивистские эффекты и взаимодействие со светом.
Поль Дирак предложил уравнение, объединяющее пространство и время, что сделало его более элегантным.
Уравнение Дирака предсказывает существование антивещества и объясняет происхождение магнетизма.

Принцип неопределенности Гейзенберга

1:57:23

Макс Борн предположил, что колеблется вероятность нахождения электрона в данной точке.
Вернер Гейзенберг закрепил это положение в принципе неопределенности, утверждая, что невозможно точно знать скорость и местоположение электрона одновременно.
Это привело к философским спорам о детерминизме и предсказании будущего.

Черные дыры и общественное сознание

2:00:14

В 2019 году астрономы впервые сфотографировали черную дыру, что вызвало большой интерес.
Черные дыры интригуют физиков и вошли в общественное сознание благодаря научно-популярным передачам и фильмам.

Фотография черной дыры

2:01:37

Телескоп Event Horizon сфотографировал черную дыру в галактике M87 на расстоянии 53 миллионов световых лет от Земли.
Черная дыра в 6 миллиардов раз массивнее Солнца, и вся Солнечная система поместилась бы внутри её силуэта.
Для получения изображения астрономы использовали супер-телескоп, объединив сигналы пяти телескопов и суперкомпьютеры.

Возрождение интереса к теории гравитации

2:02:22

Объединение сигналов телескопов создало гигантский радиотелескоп, способный различить детали на Луне.
Это открытие возродило интерес к общей теории относительности Эйнштейна, которая была в упадке последние 50 лет.
Уравнения теории были сложными, а эксперименты дорогими, но применение квантовой теории к общей теории относительности привело к новым открытиям.

Идея черной дыры

2:03:58

Идея черной дыры возникла из закона всемирного тяготения Ньютона.
Если придать ядру достаточную энергию, оно достигнет скорости убегания и унесется в пространство.
Джон Митчелл в 1783 году предположил, что свет не сможет покинуть звезду, если её гравитация равна скорости света.

Открытие Шварцшильда

2:05:42

В 1916 году Карл Шварцшильд нашел точное решение уравнений Эйнштейна для точечных частиц.
Это решение позволило проводить точные расчеты искривления света и орбитального движения планет.
Шварцшильд назвал воображаемую сферу вокруг звезды "магической сферой", которая сегодня известна как горизонт событий.

Горизонт событий

2:08:35

За горизонтом событий гравитационное поле напоминает поле обычной звезды.
Все, что попадает внутрь горизонта событий, никогда не возвращается.
При приближении к горизонту событий происходят странные вещи, такие как растяжение и захват световых лучей.

Черные дыры и их восприятие

2:09:16

Спагтификация может разорвать атомы тела.
Время внутри космического корабля замедляется для внешнего наблюдателя.
Для астронавта все выглядит нормально до разрыва.

История черных дыр

2:10:13

Артур Эддингтон и Эйнштейн считали, что черные дыры не могут образоваться.
В 1939 году Оппенгеймер и Снайдер показали, что черные дыры могут образовываться.

Образование черных дыр

2:11:01

Гигантские звезды могут взорваться в сверхновые и коллапсировать в черные дыры.
Солнце недостаточно массивно для взрыва сверхновой.
Существуют два типа черных дыр: остатки звезд и галактические черные дыры.

Галактические черные дыры

2:11:55

Галактические черные дыры могут быть в миллионы раз массивнее Солнца.
В центре Млечного Пути находится черная дыра, масса которой в 2-4 миллиона раз больше массы Солнца.

Квантовая теория и черные дыры

2:12:51

Применение квантовой теории к гравитации привело к неожиданным явлениям.
Хокинг задался вопросом о квантовых поправках для атомов внутри черной дыры.

Хокинговское излучение

2:13:45

Черные дыры должны испускать слабое квантовое излучение.
Хокинговское излучение подпитывается энергией гравитационного поля черной дыры.

Испарение черных дыр

2:15:41

Черные дыры испаряются, теряя материю и энергию.
Хокинг предположил, что информация теряется навсегда при падении в черную дыру.

Споры о потере информации

2:17:32

Хокинг изменил свою позицию, предположив, что информация может вернуться в форме излучения.
Вопрос о потере информации остается открытым.

Кротовые норы

2:20:06

Рой Кер нашел решение уравнений Эйнштейна для вращающейся черной дыры.
Вращающаяся черная дыра коллапсирует в кольцо, а не в точку.
Кротовые норы могут соединять параллельные вселенные.

Кротовые норы и их свойства

2:23:08

Кротовые норы теоретически позволяют путешествовать быстрее скорости света и перемещаться назад во времени.
Эти выводы основаны на решении уравнения Эйнштейна и описывают вращающиеся черные дыры.
Эйнштейн и Розан впервые описали кротовые норы в 1935 году.

Возможность существования кротовых нор

2:24:05

Если явление не запрещено физическим законом, оно может существовать во Вселенной.
Некоторые физики предполагают, что кротовые норы могли существовать в начале времен и расширились после Большого взрыва.
Возможно, в будущем телескопы смогут обнаружить кротовые норы.

Проблемы создания кротовых нор

2:24:58

Создание кротовой норы требует огромного количества энергии, сопоставимого с энергией черной дыры.
Кротовая нора будет нестабильной без добавления отрицательной материи или энергии.
Отрицательная материя и энергия обладают отталкивающими свойствами и могут удерживать кротовую нору от схлопывания.

Гравитонное излучение и белые дыры

2:26:52

Гравитонное излучение может вызвать взрыв кротовой норы.
Некоторые физики предполагают, что звезды могут выдуваться из черных дыр в белые дыры.
Белые дыры подчиняются тем же уравнениям, что и черные, но с обратным направлением времени.

Путешествия во времени

2:28:37

Эйнштейн опасался, что его теория гравитации может разрешить путешествия во времени.
В 1949 году Гёдель показал, что в вращающейся Вселенной можно проникнуть в прошлое.
Современные физики серьезно изучают возможность путешествий во времени, но пока не уверены.

Парадоксы путешествий во времени

2:32:13

Путешествия во времени могут привести к парадоксам, таким как "парадокс дедушки" и "парадокс бабушки".
Эти парадоксы могут быть разрешены с помощью теории квантовой гравитации.
Полная теория квантовой гравитации может объяснить природу Большого взрыва и происхождение Вселенной.

Происхождение вселенной

2:35:48

Древние египтяне и полинезийцы верили в различные теории происхождения вселенной.
Христиане считают, что вселенная была создана Богом.
Ньютон столкнулся с проблемами при применении своей теории всемирного тяготения к вселенной.

Письмо Ричарда Бентли

2:36:44

Бентли указал на недостаток теории Ньютона: если вселенная конечна, звезды должны слиться в одну гигантскую звезду.
Бентли утверждал, что даже в бесконечной вселенной звезды должны разорваться на части из-за бесконечных сил гравитации.

Ответ Ньютона

2:37:41

Ньютон признал, что его теория может быть ошибочной.
Он предположил, что вселенная может быть стабильной, если она однородна и бесконечна.
В такой вселенной силы гравитации компенсируют друг друга, предотвращая схлопывание.

Слабость решения Ньютона

2:38:31

Ньютон понимал, что его решение имеет слабость: вселенная не может быть абсолютно однородной.
Даже крохотные отклонения могут вызвать коллапс вселенной.
Ньютон пришел к выводу, что вселенная бесконечна и однородна, но иногда Бог встряхивает звезды, чтобы предотвратить их схлопывание.

Парадокс Ольберса

2:39:21

Если вселенная бесконечна и однородна, ночное небо должно быть белым из-за бесконечного количества звезд.
Парадокс Ольберса вызвал интерес у великих умов, таких как Кеплер и другие ученые.
Эдгар Алан По предложил решение: ночное небо черное, потому что возраст вселенной конечен и у нее нет бесконечно далекого прошлого.