Пять неожиданных и грандиозных открытий физики

8 Ноября 2017 в 15:00, Илья Хель 16 100 просмотров 26

Когда вас учат научному методу, вы привыкаете следовать аккуратной процедуре, чтобы получить представление о каком-то естественном явлении нашей Вселенной. Начните с идеи, проведите эксперимент, проверьте идею или опровергните ее, в зависимости от результата. Но в реальной жизни все оказывается гораздо сложнее. Иногда вы проводите эксперимент, и его результаты расходятся с тем, что вы ожидали. Иногда подходящее объяснение требует проявления воображения, которое выходит далеко за рамки логических суждений любого разумного человека. Сегодняшняя физическая Вселенная довольно хорошо понята, но история о том, как мы к этому пришли, полна сюрпризов. Перед вами пять великих открытий, совершенных совершенно непредсказуемым образом.

Когда ядро вылетает из пушки сзади грузовика ровно с такой же скоростью, с какой тот движется, скорость снаряда оказывается нулевой. Если же вылетает свет, он всегда движется со скоростью света.

Скорость света не меняется при ускорении источника света

Представьте, что вы бросаете мяч как можно дальше. В зависимости от того, в каком виде спорта вы играете, мяч можно разогнать до 150 км/ч, используя силу рук. А теперь представьте, что вы на поезде, который движется невероятно быстро: 450 км/ч. Если вы бросите мяч из поезда, двигаясь в том же направлении, как быстро будет двигаться мяч? Просто суммируйте скорость: 600 км/ч, вот и ответ. А теперь представьте, что вместо того, чтобы бросить мяч, вы испускаете луч света. Добавьте скорость света к скорости поезда и получите ответ, который будет… совершенно неверным.

Это была центральная идея специальной теории относительности Эйнштейна, но само открытие сделал не Эйнштейн, а Альберт Михельсон в 1880-х годах. И неважно, выпускали бы вы пучок света по направлению движения Земли или перпендикулярно этому направлению. Свет всегда двигался с одинаковой скоростью: с, скорость света в вакууме. Михельсон разрабатывал свой интерферометр для измерения движения Земли через эфир, а вместо этого проложил путь для относительности. Его Нобелевская премия 1907 года стала самым известным в истории нулевым результатом и важнейшим в истории науки.

99,9% массы атома сосредоточено в невероятно плотном ядре

В начале 20 века ученые считали, что атомы сделаны из смены отрицательно заряженных электронов (начинка торта), заключенных в положительно заряженной среде (торт), которая заполняет все пространство. Электроны можно оторвать или удалить, чем объясняется явление статического электричества. Долгие годы модель композитного атома в положительно заряженном субстрате Томпсона была общепринятой. Пока Эрнест Резерфорд не решился ее проверить.

Обстреливая высокоэнергетическими заряженными частицами (из радиоактивного распада) тончайшую пластинку золотой фольги, Резерфорд ожидал, что все частицы пройдут насквозь. И некоторые прошли, а некоторые отскочили. Для Резерфорда это было совершенно невероятно: будто бы вы выстрелили пушечным ядром в салфетку, и оно отскочило.

Резерфорд обнаружил атомное ядро, которое содержало практически всю массу атома, заключенное в объеме, который занимал одну квадриллионную (10-15) размера всего атома. Это ознаменовало рождение современной физики и проложило путь для квантовой революции 20 века.

«Недостающая энергия» привела к открытию мельчайшей, практически невидимой частицы

Во всех взаимодействиях, которые мы когда-либо видели между частицами, энергия сохранялась всегда. Она может быть преобразована из одного типа в другой — потенциальный, кинетический, массы, покоя, химический, атомный, электрический и т. д. — но никогда не разрушается и не исчезает. Около сотни лет назад ученых озадачил один процесс: при некоторых радиоактивных распадах продукты распада имеют меньшую общую энергию, чем исходные реагенты. Нильс Бор даже постулировал, что энергия всегда сохраняется… кроме тех случаев, когда нет. Но Бор ошибся и за дело взялся Паули.

Преобразование нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино является решением проблемы сохранения энергии при бета-распаде

Паули утверждал, что энергия должна сохраняться, и еще в 1930 году предложил новую частицу: нейтрино. Эта «нейтральная крошка» не должна взаимодействовать электромагнитно, а переносит небольшую массу и уносит кинетическую энергию. Хотя многие были настроены скептично, эксперименты с продуктами ядерных реакций в конечном итоге выявили как нейтрино, так и антинейтрино в 1950-х и 1960-х годах, что помогло привести физиков как к Стандартной модели, так и к модели слабых ядерных взаимодействий. Это потрясающий пример того, как теоретические предсказания могут иногда приводить к впечатляющему прорыву при появлении подходящих экспериментальных методов.

Все частицы, с которыми мы взаимодействуем, имеют высокоэнергетические, нестабильные аналоги

Часто говорят, что прогресс в науке встречают не фразой «эврика!», а «очень смешно», и это отчасти правда. Если вы заряжаете электроскоп — в котором два проводящих металлических листа соединены с другим проводником — оба листа получат один и тот же электрический заряд и в результате оттолкнут друг друга. Но если вы поместите этот электроскоп в вакуум, листы не должны разряжаться, но со временем разрядятся. Как это объяснить? Лучшее, что нам пришло в голову, — из космоса на Землю попадают высокоэнергетические частицы, космические лучи, и продукты их столкновений разряжают электроскоп.

В 1912 году Виктор Гесс провел эксперименты по поиску этих высокоэнергетических частиц на воздушном шаре и обнаружил их в большом изобилии, став отцом космических лучей. Построив детекторную камеру с магнитным полем, вы можете измерить как скорость, так и отношение заряда к массе, основываясь на кривых движениях частиц. Протоны, электроны и даже первые частицы антиматерии были обнаружены при помощи этого способа, но самый большой сюрприз пришел в 1933 году, когда Пол Кунце, работая с космическими лучами, обнаружил след от частицы, похожей на электрон… только в тысячи раз тяжелее.

Мюон с временем жизни всего 2,2 микросекунды был позднее подтвержден экспериментально и обнаружен Карлом Андерсоном и его студентом Сетом Неддермайером, использующими облачную камеру на земле. Позже выяснилось, что составные частицы (такие как протон и нейтрон) и фундаментальные (кварки, электроны и нейтрино) — все имеют несколько поколений более тяжелых родственников, причем мюон является первой частицей «поколения 2», когда-либо обнаруженной.

Вселенная началась со взрыва, но это открытие было совершенно случайным

В 1940-х годах Георгий Гамов и его коллеги предложили радикальную идею: что Вселенная, которая расширяется и остывает сегодня, была горячей и плотной в прошлом. И если уйти достаточно далеко в прошлое, Вселенная будет достаточно горячей, чтобы ионизировать всю материю в ней, а еще дальше — разбивает атомные ядра. Эта идея стала известной как Большой Взрыв, и вместе с ней возникло два серьезных предположения:

  • Вселенная, с которой мы начали, была не только из материи с простыми протонами и электронами, но состояла из смеси легких элементов, которые синтезировались в высокоэнергетической юной Вселенной.
  • Когда Вселенная остыла достаточно, чтобы сформировались нейтральные атомы, это высокоэнергетическое излучение было выпущено и стало двигаться по прямой целую вечность, пока не столкнется с чем-то, пройдет через красное смещение и потеряет энергию по мере расширения Вселенной.

Возникло предположение, что этот «космический микроволновый фон» будет всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.

В 1964 году Арно Пензиас и Боб Уилсон случайно обнаружили послесвечение Большого Взрыва. Работая с радиоантенной в лаборатории Белла, они обнаружили однородный шум везде, куда ни смотрели на небе. Это не было Солнцем, галактикой или атмосферой Земли… они просто не знали, что это. Поэтому они помыли антенну, убрали голубей, но от шума так и не избавились. И только тогда, когда результаты показали физику, знакомому с подробными предсказаниями всей Принстонской группы, он с помощью радиометра определил тип сигнала и осознал важность находки. Впервые ученые узнали о происхождении Вселенной.

Оглядываясь на те научные знания, которые мы имеем сегодня, с их прогностической силой, и на то, как столетия открытий изменили нашу жизнь, мы соблазняемся видеть в науке устойчивое развитие идей. Но на самом деле история науки беспорядочна, полна сюрпризов и насыщена спорами.

Пять неожиданных и грандиозных открытий физики

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

26 комментариев

  1. baa

    Известен парадокс близнецов. Один с часами остался на земле, другой полетел с околосветовой скоростью на расстояние светового года. Через год с небольшим по земным часам он добирается до места. По часам путешественника проходит месяц. Выходит, если наблюдатель движется, его скорость превосходит скорость света? Расстояние - величина абсолютная?

    • Kvazar666

      baa, Ты имеешь ввтду если два наблюдателя будут лететь в разные стороны с околосветовой мкоростью?

      • baa

        Kvazar666, Например. Но парадокс близнецов касается времени.

        • Kvazar666

          baa, Ну в том случае, что я сказал никакого противоречия не будет.А вот в случае с временем, то по часам путешественника, он и правда летит быстрее света.

  2. ktotogdeto

    Расстояние, таки, величина относительная, но есть ещё пространство-время, которое по идее и должно быть абсолютным. А оба близнеца двигаются относительно его с разной скоростью, потому и время для них идёт по разному. Я это как-то так понимаю. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  3. ktotogdeto

    Время или пространство-время. Можно эту структуру (энергию?) по разному называть, но суть одна.
    Путешественники движутся относительно чего-то абсолютного с разной скоростью, поэтому одинаковые процессы, происходящие у этих путешественников, происходят у них с разной скоростью. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Mortemium

      ktotogdeto, Можно сказать иначе. Объект всегда движется в пространстве-времени с постоянной скоростью. Различие лишь в том, какая часть этой скорости расходуется на движение в пространстве, а какая - во времени. Статичный объект (относительно чего-то) движется только во времени. Быстрое движение в пространстве оставляет мало скорости для времени, оттого возникает эффект "замедления времени".

      • Kvazar666

        Mortemium, Есть такая формула Е=mc^2 она говорит о том, что пространство и все, что в нем находится движется во времени со скоростью света

        • Mortemium

          Kvazar666, Верно. А объект, движущийся в пространстве со скоростью света не обладает массой покоя и не движется во времени.

  4. provokator

    На самом деле как будут протекать биологические процессы в объекте двигающиеся со скоростью (близкой) света можно определять только когда объект будет двигаться с онной. Иначе это догадки (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • Mortemium

      provokator, Это звучит так, будто возможно абсолютное движение . На самом деле мы уже и так движемся со скоростью, близкой к световой относительно какой-нибудь далекой галактики. И ничего особенного не происходит.

      • Kvazar666

        Mortemium, Мы не движемся относительно галактики, это пространство расширяется, а это не одно и то же.

        • OSA

          Kvazar666, Относительно материи галактики расширяется пространство, если это соотношение перевернуть?относительно пространства материя галактик уменьшается? Тогда бы можно бы было приписать к этому замкнутую систему закона сохранения энергии.ведь элементарная частица в другом случае должна быть генератором энергии или замкнутой системой энергии,но она всегда взаимодействует с другими частицами.
          Это моя фантазия на фантастический большой взрыв с его расширением вселенной.

        • Mortemium

          Kvazar666, Я не имею ввиду "движение" от расширения пространства. Строго говоря, это не является движением. Я говорю о собственном движении галактик, подобно тому, как сближаются Млечный Путь и Андромеда. Во вселенной наверняка можно найти пару объектов, движущихся с околосветовой скоростью относительно друг друга.

  5. baa

    Т.е. Допускаем, что до альфы центавра можно долететь за пару месяцев?

    • Mortemium

      baa, С точки зрения пассажиров летящего корабля - да. С точки зрения людей на Земле - пройдет несколько лет.

    • Mortemium

      baa, Были даже расчеты, что при постоянном ускорении в 1g, чтобы имитировать земное притяжение, разгоняясь до близких к световой скоростей, можно за сроки, сопоставимые с человеческой жизнью, пролететь обозримую часть вселенной.

      • Kvazar666

        Mortemium, При скорости 0.99с время замедлится в 7 раз и это слишком мало, учитывая не досягаемость такой скорости.

        • Mortemium

          Kvazar666, Никто не запрещает разгоняться сколько угодно, проблема только в топливе. За 50 лет полета можно настолько близко приблизиться к световой скорости, что можно будет преодолеть сотню миллиардов световых лет. Конечно же, это полет в никуда, но сама возможность впечатляет.

          • kirfoton

            Mortemium, Хорошая идея. Но лететь лучше всей планетой или ещё лучше - всей солнечной системой, тогда для всех время замедлится одинаково и во время полёта мы не расстанемся с солнцем и луной.

          • Kvazar666

            Mortemium, Оазгоняться сколько угодно можно только, если будет внешний источник питания и БЕЗ тмпульсный двигатель, но это все даже теоретически маловероятно.

  6. triodpentod

    это не открытия физики, а открытия людей
    в областях, которые они именуют физикой.

  7. Azamxon

    Если пройти расстояния через червоточины, допустим, 50 световых лет от земли и смотреть на землю через мощный телескоп - то можно смотреть историю. Выходит, наши про-про-продети смотрит нас в своими глазами в реальном времени - как мы жили итд. С этой точки зрения, история никогда не заканчивается если когда мощности техники этому позволяет.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.