Введение в вопросы о Вселенной 0:00 Люди часто не задумываются о природе мира и его устройстве. Вопросы о происхождении космоса и времени остаются без ответов. Некоторые дети задают вопросы о черных дырах и атомах.
Влияние вопросов на науку 0:59 Вопросы о Вселенной и времени стимулируют развитие философии и науки. Взрослые начинают интересоваться этими вопросами, находя неожиданные ответы. Физика последних лет позволяет получить ответы на некоторые из этих вопросов.
Аристотель и шарообразная Земля 2:53 Аристотель доказал, что Земля имеет форму шара, основываясь на лунных затмениях и положении Полярной звезды. Он также предположил, что Земля неподвижна, а планеты и звезды движутся вокруг нее.
Птолемей и его модель Вселенной 4:50 Птолемей развил идею Аристотеля, создав модель с семью сферами, на которых расположены планеты и звезды. Его модель позволяла предсказывать положение небесных тел, но имела недостатки.
Коперник и его гелиоцентрическая модель 6:45 Коперник предложил, что Солнце находится в центре, а планеты вращаются вокруг него. Его теория была принята не сразу, но позже подтверждена Галилеем и Кеплером.
Кеплер и эллиптические орбиты 7:42 Кеплер модифицировал теорию Коперника, предположив, что планеты движутся по эллипсам. Его гипотеза была принята для объяснения наблюдаемых орбит.
Ньютон и закон всемирного тяготения 8:40 Ньютон разработал теорию движения и закон всемирного тяготения. Его закон объяснил, почему Луна и планеты движутся по эллиптическим орбитам.
Проблемы статической Вселенной 10:36 Ньютон понимал, что звезды должны притягиваться друг к другу, что делает статическую Вселенную невозможной. В начале XX века ученые пытались модифицировать теорию, чтобы учесть расширение Вселенной.
Возражения против статической Вселенной 13:32 Генрих Ольберс возражал против статической Вселенной, утверждая, что звезды должны светить ярко. Контр-аргумент состоял в том, что звезды могли загореться в определенный момент времени в прошлом.
Проблема возникновения Вселенной 14:30 Вопрос о возникновении Вселенной занимал умы людей с древних времен. Ранние кос
Первопричина существования Вселенной 15:29 Любое событие во Вселенной можно объяснить, указывая на его причину. Блаженный Августин считал, что Вселенная не могла существовать вечно, так как цивилизация прогрессирует. Аристотель и другие греческие философы не верили в сотворение Вселенной, считая, что она существует вечно.
Антиномии Канта 17:25 Кант в "Критике чистого разума" рассматривал вопросы о начале Вселенной как антиномии. Он утверждал, что если Вселенная не имела начала, то всякому событию предшествовал бы бесконечный период времени. Кант считал, что время до возникновения Вселенной лишено смысла.
Открытие Хаббла 19:21 В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется. Это открытие перевело вопрос о начале Вселенной в область науки. Большой взрыв можно считать началом отсчета времени, так как более ранние времена не определены.
Научная теория 22:19 Теория — это модель Вселенной, дополненная правилами, связывающими теоретические величины с наблюдениями. Хорошая теория должна точно описывать широкий класс наблюдений и давать предсказания. Теория Ньютона предсказывает движение планет, но может быть опровергнута новыми наблюдениями.
Создание единой теории 26:12 Наука стремится создать единую теорию, описывающую всю Вселенную. Теория должна учитывать законы изменения Вселенной со временем и начальное состояние. Некоторые считают, что наука должна заниматься только первой частью, а вторая — дело метафизики и религии.
Частные теории 28:11 Наука делит задачу на части и строит частные теории для описания отдельных классов наблюдений. Общая теория относительности описывает гравитационное взаимодействие и крупномасштабную структуру Вселенной. Квантовая механика описывает явления в крайне малых масштабах.
Поиск единой теории 30:08 Современная физика стремится объединить общую теорию относительности и квантовую механику в единую теорию. Если Вселенная развивается по определенным законам, то все частные теории должны быть объединены в единую полную теорию. Однако, единая теория должна влиять на наши действия, что создает парадокс.
Естественный отбор и научные открытия 31:08 Дарвиновский принцип естественного отбора объясняет, почему некоторые индивидуумы более способны делать правильные выводы. Научные открытия могут как помочь, так и погубить нас, но способность к рассуждению помогает избегать неправильных выводов. Поиск единой теории Вселенной не всегда практичен, но стремление к знанию остается важным.
Законы движения Галилея и Ньютона 34:02 Галилей и Ньютон изменили представления о законах движения, опровергнув Аристотеля. Галилей показал, что скорость тела увеличивается по одному и тому же закону независимо от веса. Ньютон вывел законы движения, включая первый закон, который утверждает, что тело движется по прямой с постоянной скоростью при отсутствии силы.
Законы Ньютона и гравитация 36:57 Второй закон Ньютона гласит, что тело ускоряется пропорционально действующей на него силе. Закон тяготения Ньютона утверждает, что сила притяжения пропорциональна массам взаимодействующих тел. Эти законы позволяют предсказывать орбиты планет и объясняют, почему все тела падают с одинаковой скоростью.
Относительность движения и абсолютное пространство 39:54 Законы Ньютона показывают, что нет абсолютного эталона покоя. Невозможно определить, произошло ли событие в одной и той же точке пространства для разных наблюдателей. Ньютон не принял отсутствие абсолютного пространства, что вызвало критику.
Скорость света и теория Максвелла 44:42 Оле Кристенсен Рёбер доказал, что свет распространяется с конечной скоростью. Джеймс Кларк Максвелл объединил теории электрических и магнитных сил, создав теорию электромагнитного поля. Теория Максвелла объясняет, что свет распространяется как волны с постоянной скоростью.
Теория эфира и эксперимент Майкельсона-Морли 47:34 Теория Максвелла предсказывала фиксированную скорость света. Эфир был постулирован для объяснения этой скорости. Эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света одинакова для всех направлений.
Теория относительности Эйнштейна 49:31 Эйнштейн предложил отказаться от понятия абсолютного времени. Пуанкаре поддержал эту идею. Теория относительности утверждает, что законы физики одинаковы для всех наблюдателей.
Эквивалентность массы и энергии 51:28 Энергия и масса эквивалентны. Масса объекта увеличивается с приближением к скорости света. Объект не может достичь скорости света из-за увеличения массы.
Пространство и время в теории относительности 53:25 Время и пространство не абсолютны. Наблюдатели могут измерять время и расстояние по-разному. Метод радиолокации позволяет точно определять события.
Пространство-время 57:21 Время и пространство образуют единое пространство-время. Положение события можно задать четырьмя координатами. Пространство-время можно представить графически.
Световые конусы 1:00:20 Свет образует световые конусы будущего и прошлого. Световые конусы делят пространство-время на три области. События вне световых конусов недостижимы для сигналов.
Световые конусы и их влияние 1:03:15 Световые конусы прошлого и будущего определяют, что может влиять на события в точке R. События вне световых конусов не влияют на события в точке R. Пример: если солнце погаснет, это не повлияет на земную жизнь сразу, так как свет от солнца достигнет Земли через 8 минут.
Специальная теория относительности 1:04:15 Специальная теория относительности утверждает, что скорость света одинакова для всех событий. Траектории объектов должны лежать внутри световых конусов. Теория объясняет постоянство скорости света и поведение объектов при близких к скорости света скоростях.
Общая теория относительности 1:06:11 Общая теория относительности утверждает, что гравитация — это следствие искривления пространства-времени. Тела движутся по геодезическим линиям в пространстве-времени. Пример: Земля движется по прямой в четырехмерном пространстве, но в трехмерном пространстве кажется, что она движется по круговой орбите.
Подтверждение общей теории относительности 1:09:07 Общая теория относительности предсказывает отклонение света в гравитационных полях. Пример: свет от звезды, проходящей рядом с Солнцем, отклоняется, что можно наблюдать во время солнечного затмения. В 1919 году английская экспедиция подтвердила отклонение света, что стало важным шагом в подтверждении теории.
Замедление времени вблизи массивных тел 1:12:06 Вблизи массивных тел, таких как Земля, время течет медленнее. Пример: часы на вершине водонапорной башни идут медленнее, чем часы у ее подножия. Это предсказание имеет практическое значение для навигационных систем.
Парадокс близнецов 1:13:06 Парадокс близнецов: один близнец, путешествующий со скоростью близкой к скорости света, будет моложе другого. В общей теории относительности нет единого абсолютного времени, каждый индивидуум имеет свой масштаб времени. Пространство и время динамичны и изменяются под влиянием событий во Вселенной.
Динамическая Вселенная 1:16:03 Общая теория относительности изменила представление о Вселенной. Вселенная динамична и расширяется, возникла в прошлом и, возможно, закончит свое существование в будущем. Пример: звезды на небе не неподвижны, а движутся из-за вращения Земли вокруг Солнца.
Спиральные галактики 1:17:00 Звезды образуют спиральные галактики, такие как Млечный Путь. Уильям Гаршин подтвердил существование спиральных галакти
Открытие других галактик 1:18:57 Эдвин Хаббл показал, что наша галактика не единственная, существуют другие галактики, разделенные пустыми областями. Для измерения расстояний до галактик Хаббл использовал косвенные методы, измеряя яркость звезд. Светимость звезд в других галактиках можно вычислить, если они находятся достаточно близко для измерения.
Расчет расстояний до галактик 1:19:54 Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звезд одинакова на близких расстояниях. Если такие звезды обнаруживаются в другой галактике, можно вычислить расстояние до нее. Хаббл рассчитал расстояния до 9 разных галактик, подтвердив, что наша галактика одна из нескольких сотен тысяч миллионов.
Структура нашей галактики 1:20:53 Наша галактика имеет около 100,000 световых лет в поперечнике и медленно вращается. Солнце находится в одном из спиральных рукавов галактики. Звёзды в галактике делают один оборот вокруг её центра каждые несколько сотен миллионов лет.
Спектры звезд 1:21:51 Ньютон открыл, что свет разлагается на спектры при прохождении через призму. Спектры звезд различаются, но относительная яркость цветов одинакова. Спектры звезд можно использовать для определения их температуры и химического состава.
Эффект Доплера 1:23:48 Эффект Доплера объясняет, почему спектры удаляющихся звезд смещены к красному концу. Приближающиеся звезды имеют спектры, смещенные к фиолетовому концу. Хаббл использовал этот эффект для определения расстояний до галактик.
Открытие расширяющейся Вселенной 1:26:46 Хаббл обнаружил, что большинство галактик удаляются от нас. Величина красного смещения пропорциональна расстоянию до галактики. Это означало, что Вселенная расширяется, а не статична.
Теория Фридмана 1:29:43 Фридман предсказал, что Вселенная не должна быть статичной. Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях. Это предположение подтвердилось в 1965 году, когда был обнаружен микроволновый фон.
Микроволновый фон 1:31:40 Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили микроволновый фон, который был одинаковым во всех направлениях. Это подтвердило, что Вселенная одинакова во всех направлениях. Излучение фона проходит через всю наблюдаемую Вселенную, что подтверждает гипотезу Фридмана.
Исследование микроволнового излучения 1:34:35 Джордж Гамел предположил, что Вселенная была горячей и плотной в прошлом. Пензиас и Вильсон нашли это излучение, за что получили Нобелевскую премию 1978 года. Дикий и Пиблс готовились к поиску, но Пензиас и Вильсон уже нашли это излучение.
Модель Фридмана 1:35:32 Вселенная кажется одинаковой во всех направлениях, что может указывать на её центр. Модель Фридмана предполагает, что галактики удаляются друг от друга пропорционально расстоянию. Красное смещение галактик пропорционально их удаленности, что соответствует открытиям Хаббла.
Три модели Фридмана 1:37:30 Первая модель: Вселенная расширяется и сжимается, пространство искривляется. Вторая модель: Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено. Третья модель: Вселенная расширяется с критической скоростью, пространство плоское.
Будущее Вселенной 1:41:25 Если плотность Вселенной меньше критической, расширение прекратится. Если плотность больше критической, расширение прекратится и начнется сжатие. Современные данные указывают на то, что Вселенная будет расширяться вечно.
Большой взрыв 1:44:20 В прошлом 10-20 тысяч миллионов лет назад расстояние между галактиками было нулевым. В этот момент плотность и кривизна пространства-времени были бесконечными. Теория Большого взрыва предполагает, что до этого момента события не могут быть предсказаны.
Модель стационарной Вселенной 1:46:19 Модель стационарной Вселенной предполагает, что галактики образуются непрерывно. Эта модель предсказывает постоянное число галактик в любом объеме пространства. Наблюдения показали, что число галактик в удаленных областях больше, что противоречит этой модели.
Микроволновое излучение 1:49:16 Микроволновое излучение указывает на большую плотность Вселенной в прошлом. Модель стационарной Вселенной была отвергнута из-за противоречий с наблюдениями. Лившиц и Халатников предложили, что Большой взрыв — особенность моделей Фридмана.
Приближенное описание Вселенной 1:50:16 Модели Фридмана предполагают, что галактики удаляются друг от друга по прямой. В реальной Вселенной галактики имеют небольшие составляющие скорости под углом. Возможно, расширение Вселенной началось не с Большого взрыва, а с более ранней фазы сжатия.
Модели Лившица и Халатникова 1:51:14 Лившиц и Халатников изучали модели, учитывающие нерегулярности скоростей галактик. В таких моделях Большой взрыв мог быть началом Вселенной. Позднее они нашли модели, содержащие сингулярности без особого движения галактик.
Теорема Пенроуза 1:53:11 Пенроуз показал, что при гравитационном коллапсе звезды возникает сингулярность. Теорема Пенроуза утверждает, что в любой модели Фридмана конечным состоянием должна быть сингулярность. Вселенная должна быть бесконечной в пространстве, чтобы избежать повторного сжатия.
Общая теория относительности 1:55:07 Общая теория относительности не дает ответа на вопрос о начале Вселенной. В ранней Вселенной могли быть существенны мелкомасштабные эффекты, изучаемые квантовой механикой. В начале 70-х годов исследования переключились с теории большого на теорию малого.
Научный детерминизм 1:57:06 Лаплас считал Вселенную полностью детерминированной. Результаты расчетов Роллея и Джинса показали, что горячие объекты должны излучать бесконечно большую энергию. Планк предложил гипотезу квантов, чтобы избежать бесконечного излучения.
Принцип неопределенности Гейзенберга 2:00:03 Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, который ограничивает точность измерений. Чем точнее измеряется положение частицы, тем менее точными будут измерения скорости. Принцип неопределенности означает конец мечтам Лапласа о полностью детерминированной модели Вселенной.
Квантовая механика 2:03:00 Квантовая механика основана на принципе неопределенности. Частицы характеризуются квантовым состоянием, а не определенными характеристиками. Квантовая механика предсказывает вероятность различных результатов измерений, что вносит элемент непредсказуемости в науку.
Квантовая механика и её влияние 2:05:00 Квантовая механика объясняет многие явления, включая работу полупроводниковых схем и современных технологий. Она не используется должным образом в теории гравитации и крупномасштабной структуре Вселенной.
Волновой дуализм и интерференция 2:06:00 Свет ведет себя как частицы, а частицы как волны. Интерференция возможна между волнами и частицами, что объясняет радугу и другие явления.
Опыт с двумя щелями 2:07:58 Электроны могут проходить через две щели, создавая интерференционную картину. Это явление важно для понимания структуры атомов и молекул.
Модель Бора и квантовая механика 2:10:54 Нильс Бор предложил, что электроны могут двигаться только по определенным орбитам. Квантовая механика объяснила, что электроны могут быть представлены как волны, что позволило предсказать разрешенные орбиты.
Суммирование по траекториям 2:12:51 Ричард Фейнман предложил суммирование по траекториям для объяснения дуализма волна-частица. Это позволило вычислить разрешенные орбиты для сложных атомов и молекул.
Квантовая механика и общая теория относительности 2:15:48 Общая теория относительности не учитывает квантовые эффекты, что может привести к противоречиям. Квантовые эффекты могут быть существенными в сильных гравитационных полях, таких как черные дыры и Большой взрыв.
История атомизма 2:17:42 Аристотель считал, что вещество непрерывно, а Демокрит — что оно состоит из атомов. Джон Дальтон показал, что атомы объединяются в молекулы, что подтвердило существование атомов. Эйнштейн объяснил броуновское движение ударами атомов, что подтвердило их делимость.
Открытие электрона 2:19:40 В 1897 году Томпсон открыл электрон, который оказался меньше атома. Экспериментальная установка напоминала современный кинескоп. Резерфорд доказал в 1911 году, что атомы состоят из ядра и электронов.
Открытие нейтрона 2:20:40 Резерфорд изучал отклонение альфа-частиц. В 1932 году Червик открыл нейтрон, который не имеет заряда. Червик был удостоен Нобелевской премии за это открытие.
Открытие кварков 2:21:37 В 1964 году Гелл-Манн предложил теорию кварков. Кварки состоят из трех ароматов и могут быть разных цветов. Протоны и нейтроны состоят из кварков.
Элементарные частицы 2:23:34 Протоны и нейтроны не являются неделимыми. Вопрос о том, что такое элементарная частица, остается открытым. Квантовая механика объясняет, что все частицы являются волнами.
Принцип Паули 2:28:23 Принцип Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном состоянии. Принцип объясняет, почему частицы не коллапсируют в однородную массу. Без принципа Паули частицы не могли бы объединяться в атомы.
Теория Дирака 2:30:20 Дирак предложил теорию для описания частиц со спином 1/2. Теория предсказала существование позитрона. Открытие позитрона подтвердило теорию Дирака.
Взаимодействие частиц 2:32:16 Силы между частицами переносятся частицами с целочисленным спином. Виртуальные частицы создают силы между частицами вещества. Частицы переносчики могут быть реальными или виртуальными.
Гравитационные силы 2:35:10 Гравитационные силы действуют на все частицы. Гравитация слабее других сил, но действует на больших расстояниях. Гравитация может быть объединена с другими силами в единую теорию.
Гравитационные силы 2:36:09 Гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения. Гравитационное взаимодействие между Землей и Солнцем объясняется обменом гравитонами. Гравитоны не обладают массой и переносят дальнодействующие силы.
Электромагнитные силы 2:37:07 Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными частицами. Электромагнитные силы в миллионы раз сильнее гравитационных. В больших телах, таких как Земля и Солнце, электромагнитные силы почти компенсируются.
Слабые взаимодействия 2:40:03 Слабые взаимодействия отвечают за радиоактивность и существуют между частицами со спином 1/2. В 1967 году Стивен Вайнберг и Абдус Салам предложили теорию, объединяющую слабое и электромагнитное взаимодействия. Теория предсказывает существование трех тяжелых векторных бозонов W+, W- и Z0.
Сильные ядерные взаимодействия 2:43:57 Сильные ядерные взаимодействия удерживают кварки внутри протонов и нейтронов. Переносчиком сильного взаимодействия является частица со спином 1, называемая глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и другими глюонами, создавая бесцветные комбинации.
Теория Великого объединения 2:46:52 Теория Великого объединения пытается объединить электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. При высоких энергиях сильное взаимодействие ослабевает, а электромагнитные и слабые силы усиливаются. При энергии Великого объединения все три силы могут сравняться и стать одной силой.
Экспериментальная проверка теории Великого объединения 2:49:48 Протоны могут спонтанно распадаться на более легкие частицы при энергии Великого объединения. Вероятность такого распада крайне мала, но эксперименты могут увеличить вероятность наблюдения. Несколько экспериментов уже выполнены, но не дали определенных результатов.
Эксперимент с водой в соляной шахте 2:51:45 Эксперимент с 8 тысячами тонн воды в соляной шахте штата Огайо не обнаружил распада протона. Время жизни протона должно быть больше 10^31 лет, что превышает предсказания теории Великого объединения. Для проверки более сложных теорий потребуются более точные эксперименты с большими количествами вещества.
Образование протонов и кварков 2:52:44 Земное вещество состоит из протонов и нейтронов, состоящих из кварков. В нашей Галактике нет антипротонов и антинейтронов, за исключением небольшого количества античастиц, возникающих при высоких энергиях. Если бы в Галактике были большие участки антивещества, это вызвало бы сильное излучение.
Теория Великого объединения 2:54:42 Теория Великого объединения объясняет, почему кварков должно быть больше, чем антикварков. При высоких энергиях кварки могут превращаться в антиэлектроны и обратно. Законы физики не одинаковы для частиц и античастиц, что приводит к различиям в их поведении.
Симметрии и слабые взаимодействия 2:55:40 Симметрии S, R и T не инвариантны для частиц и античастиц. Слабое взаимодействие не подчиняется симметрии R, что приводит к различиям в развитии Вселенной. В 1956 году Ли и Янг доказали, что слабое взаимодействие не подчиняется симметрии S.
Нарушение симметрии CP 2:57:37 В 1964 году Кронен и Вэлфич обнаружили нарушение симметрии CP в распаде частиц. Это нарушение приводит к тому, что Вселенная ведет себя иначе при замене частиц античастицами и зеркальном отражении. Законы физики должны измениться при обращении времени, что объясняет, почему кварков больше, чем антикварков.
Гравитация и эволюция Вселенной 3:00:32 Гравитационные силы могут стать доминирующими при достаточном количестве вещества. Эволюция Вселенной определяется гравитацией, что может привести к коллапсу звезд. Исследования черных дыр и гравитационных полей могут привести к разработке квантовой теории гравитации.
