Кирпичики вселенной: Элементарные частицы из которых состоит мир. Лекция профессора Дэвида Тонга.

YOUTUBE · 16.11.2025 07:39

Ключевые темы и таймкоды

Введение

0:25

Обсуждение важного вопроса науки: из чего мы состоим?
Вопрос актуален с древних времён и остаётся актуальным сегодня.
План лекции: текущее понимание вопроса и перспективы будущего прогресса.

Большой адронный коллайдер

0:58

Упоминание Большого адронного коллайдера БАК, расположенного в ЦЕРН.
Эксперименты на БАК позволяют заглянуть в прошлое, в момент Большого взрыва.

Периодическая таблица химических элементов

3:21

Периодическая таблица описывает около 120 элементов.
Критика классификации элементов по таблице: «вещества слева взрываются, вещества справа мало что делают».

Открытие электрона

5:24

Джозеф Джон Томпсон открыл электрон в 1897 году.
Эрнест Резерфорд определил состав атомов: ядро, протоны, нейтроны и электроны.

Кварки

6:55

В 1970-х годах обнаружены кварки внутри протонов и нейтронов.
Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего, нейтрон — из двух нижних кварков и одного верхнего.

Основные структурные элементы

8:00

Основные структурные элементы природы: электрон и два кварка.
Проблема упрощённого представления о частицах как о «кирпичиках Лего».

Поля

10:07

Лучшие теории физики основаны на полях, а не на частицах.
Поля — это текучие вещества, распространяющиеся по вселенной.

Майкл Фарадей и поля

11:23

Майкл Фарадей ввёл понятие электрических и магнитных полей.
Идея Фарадея о невидимых силовых линиях между магнитами.

Демонстрация с магнитами

13:32

Пример с магнитами иллюстрирует идею Фарадея о силовых линиях.
Осознание невидимой силы между магнитами как гениальное открытие Фарадея.

Майкл Фарадей и его открытия

14:10

Фотография Майкла Фарадея, читающего лекцию.
Демонстрация индукции: перемещение катушки создаёт движущееся магнитное поле, которое вызывает ток в другой катушке и колебание иглы.
Открытие Фарадея: индукция позволяет влиять на предметы на расстоянии без прямого контакта.

Наследие Фарадея

15:52

Принцип индукции применим к современным технологиям, например, к телефону.
Фарадей предположил, что свет состоит из колебаний электрического и магнитного поля.
Максвелл и Герц подтвердили эту идею спустя 50 лет.

Квантовая механика и теория квантового поля

17:40

В 1920-х годах Гейзенберг и Шрёдингер открыли квантовую механику.
Квантовая механика объясняет, что энергия упакована в неделимые порции — кванты.
Теория квантового поля объединяет идеи квантовой механики и полей Фарадея.

Структура частиц

19:12

Световые волны состоят из частиц фотонов.
Электроны и другие частицы — это колебания полей.
Кварковые поля дают начало верхнему и нижнему кваркам.

Вакуум и квантовые флуктуации

22:10

Вакуум — это пустое пространство, которое всё равно содержит поля.
Квантовые флуктуации вакуума подчиняются принципу неопределённости Гейзенберга.
Сила Казимира — пример измерения квантовых флуктуаций.

Сложность квантовых полей

24:14

Математика, описывающая квантовые поля, сложнее любой другой области физики.
Понимание квантовых флуктуаций требует решения сложных математических задач.
Задача понимания квантовых флуктуаций остаётся нерешённой.

Пример прецессии электрона

27:26

Электрон вращается вокруг своей оси, которая прецессирует в магнитном поле.
Скорость прецессии определяется числом g.
Этот пример иллюстрирует, как квантовые поля могут быть поняты через конкретные свойства частиц.

Важность числа в физике

28:12

Число, которое не кажется важным в общей картине, оказалось критически важным для физики.
Оно позволило с высокой точностью проверить теории квантового поля.

Эксперименты и расчёты

28:42

Первое число — результат десятилетий экспериментов по измерению магнитного момента электрона.
Второе число — результат расчётов на основе теории квантового поля.

Совпадение результатов

29:12

Теоретические расчёты и экспериментальные измерения совпали с точностью до 12–13 цифр после запятой.
Это демонстрирует высокое развитие теории физики частиц.

Сложности расчётов

29:52

Пример сложности: расчёт массы протона с точностью до 3% занимает 40 лет.
Несмотря на наличие правильного уравнения, пока не удаётся достичь более высокой точности.

Квантовые поля и частицы

31:47

Все состоит из квантовых полей, которые сложно понять.
Основные частицы: электрон, кварки верхний и нижний, нейтрино.

Дополнительные частицы

33:29

Природа создала дополнительные копии некоторых частиц: мион, странный кварк, очарованный кварк, боттом-кварк и топ-кварк.
Причины существования этих частиц остаются загадкой.

Силы взаимодействия

34:41

Двенадцать полей взаимодействуют через четыре силы: гравитацию, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия.
Каждая сила связана с определённым полем.

Стандартная модель

37:43

Стандартная модель — самая великая теория в истории науки.
Она объясняет взаимодействие полей и частиц.

Поле Хиггса

37:55

Поле Хиггса было предсказано Питером Хиггсом в 1960-х годах.
Экспериментальное подтверждение его существования произошло в 2012 году в ЦЕРНе.

Значение частицы Хиггса

39:29

Частица Хиггса отвечает за массу во Вселенной.
Её обнаружение подтвердило верность стандартной модели.
Поведение частицы точно соответствует прогнозам теории.

Введение в стандартную модель физики

40:50

Обсуждение уравнения стандартной модели физики.
Уравнение верно предсказывает результаты всех научных экспериментов.
В уравнении собраны все основные физические взаимодействия.

Структура уравнения

41:42

Первый член уравнения создан Эйнштейном для описания гравитации.
Второй член создан Максвеллом для описания электромагнетизма.
Третий член описывает сильное и слабое ядерные взаимодействия.
Четвёртый член описывает материю и взаимодействие с частицей Хиггса.

Ограничения стандартной модели

43:36

Уравнение объясняет все эксперименты на Земле, но не все явления в космосе.
Примеры непознанных явлений: тёмная материя и тёмная энергия.
Инфляция — явление, которое невозможно объяснить текущей моделью.

Космическое фоновое излучение

45:29

Вселенная в первые 380 тысяч лет была огненным шаром.
Космическое фоновое излучение содержит информацию о первых моментах существования Вселенной.
Мерцание излучения вызвано квантовыми флуктуациями вакуума.

Квантовые флуктуации

47:28

Квантовые флуктуации возникли в первые доли секунды после Большого взрыва.
Расширение Вселенной разнесло флуктуации по всему пространству.
Теория квантового поля объясняет наблюдаемые колебания.

Эксперименты и новые открытия

49:13

Эксперименты на Земле направлены на выход за рамки стандартной модели.
БАК открыл бозон Хиггса в 2012 году и модернизирован в 2015 году.
Цель экспериментов — лучше понять Хиггса и открыть новую физику.

Закономерности в уравнении

50:42

Теоретики ищут закономерности в уравнении, которые могут указывать на существование более глубокой структурирующей системы.
Пример закономерности: уравнения для электричества и магнетизма, сильного и слабого ядерного взаимодействия похожи.
Возможно, во Вселенной существует одна сила, которую мы воспринимаем как три из-за разных углов наблюдения.

Уравнение Дирака и теория великого объединения

52:03

Уравнение Дирака применимо к двенадцати материальным полям вселенной: нейтрино, электронам и кваркам.
Теория великого объединения предполагает, что три силы могут быть одной силой, рассматриваемой с разных сторон.
Математически теория великого объединения проста и может объяснить все силы как одну.

Суперсимметрия и теория струн

52:59

Суперсимметрия связывает материю и силы, предлагая концептуально глубокую теорию.
Теория струн стремится объединить все концепции в одно простое уравнение, описывающее гравитацию, силы и частицы.

Проверка теорий экспериментами

53:54

Эксперименты помогают проверить верность теорий, но теория струн пока не имеет способа экспериментальной проверки.
БАК создан для обнаружения хикса и проверки теорий, но пока не дал результатов.

Реакция на отсутствие результатов БАК

54:53

Отсутствие результатов БАК вызывает вопрос о дальнейшем продвижении в понимании физики.
Три основные реакции на ситуацию: терпение, необходимость более мощного устройства и необходимость изменения парадигм.

Третья реакция — изменение парадигм

57:44

Автор считает, что нужно изменить некоторые предположения и парадигмы, которыми мы руководствовались последние 30 лет.
Возможно, нужно сделать шаг назад и начать выдвигать новые идеи, основанные на других математических закономерностях и связях с другими областями науки.

Оптимизм и новые идеи

59:09

Автор оптимистично настроен и видит новые идеи в физико-конденсированном состоянии и квантовой информатике.
Новые идеи могут привести к продвижению вперёд, хотя и не так, как представляли несколько лет назад.

Заключение

1:00:03

Величайшее уравнение — это лишь начало, и автор надеется на лучшее будущее.