П'ять несподіваних і грандіозних відкриттів фізики

Коли вас навчають науковому методу, ви звикаєте слідувати акуратною процедурою, щоб отримати уявлення про якомусь природному явищі нашого Всесвіту. Почніть з ідеї, проведіть експеримент, перевірте ідею або спростуйте її, в залежності від результату. Але в реальному житті все виявляється набагато складніше. Іноді ви проводите експеримент і його результати розходяться з тим, що ви очікували. Іноді підходяще пояснення вимагає прояву уяви, яке виходить далеко за рамки логічних суджень будь-якого розумного людини. Сьогоднішня фізична Всесвіт досить добре зрозуміла, але історія про те, як ми до цього прийшли, сповнене сюрпризів. Перед вами п'ять великих відкриттів, зроблених абсолютно непередбачуваним чином.

Коли ядро вилітає з гармати позаду вантажівки рівно з такою ж швидкістю, з якою той рухається, швидкість снаряда виявляється нульовий. Якщо ж вилітає світло, він завжди рухається зі швидкістю світла.

Швидкість світла не змінюється при прискоренні джерела світла

Уявіть, що ви кидаєте м'яч якомога далі. В залежності від того, у якому виді спорту ви граєте, м'яч можна розігнати до 150 км/год, використовуючи силу рук. А тепер уявіть, що ви на поїзді, який рухається неймовірно швидко: 450 км/ч. Якщо ви кинете м'яч з поїзда, рухаючись у тому ж напрямку, як швидко буде рухатися м'яч? Просто підсумуйте швидкість: 600 км/год, ось і відповідь. А тепер уявіть, що замість того, щоб кинути м'яч, ви испускаете промінь світла. Додайте швидкість світла до швидкості поїзда і отримаєте відповідь, який буде… абсолютно невірним.

Це була центральна ідея спеціальної теорії відносності Ейнштейна, але саме відкриття зробив не Ейнштейн, а Альберт Михельсон у 1880-х роках. І неважливо, випускали б ви пучок світла по напрямку руху Землі або перпендикулярно цьому напрямі. Світло завжди рухався з однаковою швидкістю: , швидкість світла у вакуумі. Михельсон розробляв свій інтерферометр для вимірювання руху Землі через ефір, а замість цього проклав шлях для відносності. Його Нобелівська премія 1907 року стала найвідомішим в історії нульовим результатом і найважливішим в історії науки.

99,9% маси атома зосереджена в неймовірно щільному ядрі

На початку 20 століття вчені вважали, що атоми зроблені зміни з негативно заряджених електронів (начинка торта), укладених позитивно зарядженої середовищі (торт), яка заповнює весь простір. Електрони можна відірвати або видалити, чим пояснюється явище статичної електрики. Довгі роки модель композитного атома на позитивно зарядженому субстраті Томпсона була загальноприйнятою. Поки Ернест Резерфорд не наважився її перевірити.

Обстрілюючи високоенергетичними зарядженими частинками (з радіоактивного розпаду) найтоншу пластинку золотої фольги, Резерфорд очікував, що всі частинки пройдуть наскрізь. І деякі пройшли, а деякі відскочили. Для Резерфорда це було абсолютно неймовірно: ніби ви вистрілили гарматним ядром в серветку, і воно відскочило.

Резерфорд виявив атомне ядро, яке містило практично всю масу атома, укладена в обсязі, який займав одну квадриллионную (10^-15) розміру атома. Це ознаменувало народження сучасної фізики і проклало шлях для квантової революції 20 століття.

«Відсутня енергія» привела до відкриття найдрібнішої, практично невидимою частинки

У всіх взаємодіях, які ми коли-небудь бачили між частинками, енергія зберігалася завжди. Вона може бути перетворена з одного типу в іншій — потенційний, кінетичний, маси, спокою, хімічний, атомний, електричний і т. д. — але ніколи не руйнується і не зникає. Близько сотні років тому спантеличив вчених один процес: при деяких радіоактивних распадах продукти розпаду мають меншу загальну енергію, ніж вихідні реагенти. Нільс Бор навіть стверджував, що енергія завжди зберігається… крім тих випадків, коли немає. Але Бор помилився і за справу взявся Паулі.

Перетворення нейтрона в протон, електрон і антиэлектронное нейтрино є вирішенням проблеми збереження енергії при бета-розпаді

Паулі стверджував, що енергія повинна зберігатися, і ще в 1930 році запропонував нову частинку: нейтрино. Ця «нейтральна крихітка» не повинна взаємодіяти електромагнітно, а переносить невелику масу і забирає кінетичну енергію. Хоча багато хто були налаштовані скептично, експерименти з продуктами ядерних реакцій в кінцевому підсумку виявили як нейтрино, так і антинейтрино в 1950-х і 1960-х роках, що допомогло призвести фізиків як до Стандартної моделі, так і моделі слабких ядерних взаємодій. Це приголомшливий приклад того, як теоретичні передбачення іноді можуть приводити до вражаючого прориву при появі відповідних експериментальних методів.

Всі частинки, з якими ми співпрацюємо, мають високоенергетичні, нестабільні аналоги

Часто говорять, що прогрес у науці зустрічають не фрази «еврика!», а «дуже смішно», і це почасти правда. Якщо ви заряджаєте електроскоп — в якому два провідних металевих листа з'єднані з іншим провідником — обидва листи отримають один і той же електричний заряд і в результаті відштовхнуть один одного. Але якщо ви помістіть цей електроскоп у вакуум, листи не повинні розряджатися, але з часом розрядяться. Як це пояснити? Найкраще, що нам прийшло в голову, — з космосу на Землю потрапляють високоенергетичні частинки, космічні промені, і продукти їх зіткнень розряджають електроскоп.

У 1912 році ВікторГесс провів експерименти з пошуку цих високоенергетичних частинок на повітряній кулі та виявив їх в великому достатку, ставши батьком космічних променів. Побудувавши детекторну камеру з магнітним полем, ви можете виміряти як швидкість, так і відношення заряду до маси, грунтуючись на кривих рухах частинок. Протони, електрони і навіть перші частинки антиматерії були виявлені за допомогою цього способу, але найбільший сюрприз прийшов у 1933 році, коли Підлога Кунце, працюючи з космічними променями, виявив слід від частинки, схожої на електрон… тільки в тисячу разів важче.

Мюон з часом життя всього 2,2 мікросекунди було пізніше підтверджено експериментально та виявлено Карлом Андерсоном і його студентом Сетом Неддермайером, що використовують веб-камеру на землі. Пізніше з'ясувалося, що складові частинки (протон і нейтрон) та фундаментальні (кварки, електрон і нейтрино) — всі мають кілька поколінь більш важких родичів, причому мюон є першою часткою «покоління 2», коли-небудь виявленою.

Всесвіт почався з вибуху, але це відкриття було абсолютно випадковим

У 1940-х роках Георгій Гамов і його колеги запропонували радикальну ідею: що Всесвіт, який розширюється і охолоджується сьогодні, була гарячою і щільною в минулому. І якщо піти досить далеко в минуле, Всесвіт буде досить гарячою, щоб іонізувати всю матерію у ній, а ще далі — розбиває атомні ядра. Ця ідея стала відомою як Великий Вибух, і разом з нею виникло два серйозних припущення:

• Всесвіт, з якої ми почали, була не тільки з матерії з простими протонами і електронами, але складалася із суміші легких елементів, які синтезувалися в високоенергетичної юної Всесвіту.
• Коли Всесвіт охолола достатньо, щоб сформувалися нейтральні атоми, це високоенергетичне випромінювання було випущено і стало рухатися по прямій цілу вічність, поки не зіткнеться з чимось, пройде через червоне зміщення і втратить енергію у міру розширення Всесвіту.

Виникло припущення, що цей «космічний мікрохвильовий фон» усього на декілька градусів вище абсолютного нуля.

У 1964 році Арно Пензіас і Боб Уїлсон випадково виявили післясвічення Великого Вибуху. Працюючи з радиоантенной в лабораторії Белла, вони виявили однорідний шум скрізь, куди не дивилися на небі. Це не було Сонцем, галактикою або атмосферою Землі… вони просто не знали, що це. Тому вони помили антену, прибрали голубів, але від шуму так і не позбулися. І тільки тоді, коли результати показали фізику, знайомому з докладними передбаченнями всій Прінстонської групи, він з допомогою радіометра визначив тип сигналу і усвідомив важливість знахідки. Вперше вчені дізналися про походження Всесвіту.

Озираючись на ті наукові знання, які ми маємо сьогодні, з їх прогностичної силою, і на те, як століття відкриттів змінили наше життя, ми спокушаємося бачити в науці сталий розвиток ідей. Але насправді історія науки безладна, сповнена сюрпризів і насичена спорами.