Фрэнк Клоуз, профессор физики и блестящий популяризатор науки, в рамках юбилейной серии Рождественских лекций в The Royal Institution приглашает зрителей в путешествие к истокам мироздания. Используя масштабные декорации и захватывающие эксперименты, он объясняет, как современная физика реконструирует события первых мгновений после Большого взрыва и почему изучение антиматерии является ключом к пониманию нашего собственного существования.
🌌 Силы, управляющие Вселенной: от яблок до галактик 1:04
Лекция начинается эффектно: Фрэнк Клоуз появляется в зале, спускаясь с потолка на тросе . Этот трюк служит иллюстрацией противоборства двух фундаментальных сил: гравитации планеты весом в секстиллионы тонн, тянущей профессора вниз, и электромагнитных сил в тонкой веревке, удерживающих его вес .
По мнению профессора Клоуза, человечество сталкивается с четырьмя фундаментальными силами, которые определяют облик Вселенной:
- Гравитация. Самая знакомая сила, действующая на огромных расстояниях . Именно она заставляет планеты вращаться вокруг Солнца, а галактики — двигаться в космическом пространстве . Профессор отмечает, что сто лет назад аномалии в орбите Урана позволили ученым предсказать существование Нептуна и Плутона, не видя их. Аналогично, сегодня движение галактик указывает на наличие «темной материи» — невидимой субстанции, обладающей гравитацией .
- Электромагнетизм. Сила, ответственная за твердость тел . Она связывает атомы вместе, не давая нам провалиться сквозь пол к центру Земли. В отличие от гравитации, электромагнитная сила может быть как притягивающей (разноименные заряды), так и отталкивающей (одноименные) .
- Сильное взаимодействие. Эта мощнейшая сила действует только внутри атомного ядра . Она удерживает вместе положительно заряженные протоны, которые в противном случае разлетелись бы из-за электромагнитного отталкивания. Профессор сравнивает это взаимодействие с «клеем», исходящим от кварков .
- Слабое взаимодействие. Сила, управляющая процессами радиоактивного распада и ядерными реакциями в недрах Солнца .
🏹 Механизм действия сил: частицы-переносчики 22:21
Фундаментальный вопрос физики: как одна частица «узнает» о присутствии другой на расстоянии? Фрэнк Клоуз объясняет это через концепцию обмена частицами-посредниками .
Для наглядности профессор проводит эксперимент с двумя добровольцами, сидящими на креслах с колесиками . Когда они бросают друг другу тяжелый мяч, отдача заставляет их разъезжаться в разные стороны. Для стороннего наблюдателя, не видящего мяч, это выглядело бы как спонтанно возникшая сила отталкивания .
У каждой силы есть свой «мяч» (квант-переносчик):
- Для электромагнетизма это фотон (частица света) .
- Для сильного взаимодействия — частицы, удерживающие кварки.
- Для слабого взаимодействия — массивные бозоны.
Профессор подчеркивает, что увидеть эти «скрытые агенты» в обычном состоянии невозможно. Для этого необходимо воссоздать условия экстремального жара, царившего в первые доли секунды существования Вселенной .
🏎️ LEP: Воссоздание Большого взрыва под землей 30:38
Чтобы заглянуть в прошлое на миллиарды лет, ученые используют гигантские ускорители. В 1993 году главным таким инструментом был LEP (Large Electron Positron Collider), расположенный в CERN на границе Франции и Швейцарии .
Факты об ускорителе LEP:
- Длина кольца составляет 27 километров .
- Тоннель расположен на глубине около 50–100 метров под землей .
- Внутри него пучки электронов и позитронов сталкиваются, двигаясь со скоростью, близкой к световой.
- Частицы пересекают границу двух стран около 11 000 раз каждую секунду .
При столкновении материи (электронов) и антиматерии (позитронов) происходит аннигиляция — вспышка чистой энергии, в которой на мгновение возрождаются условия ранней Вселенной . Фрэнк Клоуз называет этот процесс «субатомным крушением поезда», следы которого фиксируют огромные детекторы размером с собор .
🔬 Анатомия микромира и загадка антиматерии 50:23
Используя аналогию с фокусом и шляпой, Фрэнк Клоуз демонстрирует современную периодическую таблицу элементарных частиц .
Состав «космического набора»:
- Кварки: (up, down — из них состоим мы; charm, strange, top, bottom — их тяжелые копии) .
- Лептоны: электрон и его тяжелые собратья (мюон и тау-лептон), а также три вида нейтрино .
- Переносчики сил: фотон (свет), глюоны (сильное взаимодействие), W и Z-бозоны (слабое взаимодействие) .
Профессор отмечает странную закономерность: природа создала три «поколения» частиц, причем для существования привычного нам мира достаточно всего одного (up/down кварки и электроны) . Зачем нужны остальные пять шестых материи — остается загадкой.
В финале лекции Клоуз поднимает одну из самых глубоких проблем физики: симметрию материи и антиматерии. В экспериментах на ускорителях они всегда рождаются парами в равных количествах . Однако наш мир состоит почти исключительно из материи. «Куда делась вся антиматерия?» — задается вопросом ученый . По его мнению, ответ на этот вопрос может потребовать создания совершенно новой физики, подобно тому как открытия рубежа XIX–XX веков разрушили классические представления о мире .
