Fizikteki en büyük beş keşif
Bilimsel yöntemi incelediğinizde, evrenle ilgili bazı doğal olayları anlayabileceğiniz basit bir program düşüneceksiniz. Bir fikirle başlayın, bir deney yapın ve ardından sonuçlara göre fikri doğrulayın veya kanıtlayın. Sadece gerçek dünya bundan çok daha karmaşık. Bazen bir deney yaparsınız ve sonuç beklediğinizden tamamen farklıdır. Bazen doğru açıklamanın, herhangi bir rasyonel kişinin mantıksal sonucunun ötesine geçmesi gerekir. Maddi dünya bugün anlaşılması kolay, ancak buraya nasıl geldiğimizin hikayesi sürprizlerle dolu. Daha fazla gelişmek istiyorsanız, daha fazla rezerviniz olabilir. Tarihteki en büyük beş keşfi gözden geçirelim.
Hubble'ın aşırı derin alanı şimdiye kadarki en derin evren gözlemimizdir ve evrenin zamanın sadece% 3-4'ü olduğunu ortaya koymaktadır. O kadar çok gerçek var ki, sadece boş bir gökyüzünde bu kadar uzun süre bulunacak ... Bu inanılmaz bir sürpriz ama listede yok (bu makale listesi). Telif hakkı: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee ve P. Oesch, Kaliforniya Üniversitesi, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden Üniversitesi; ve HUDF09 Ekibi
No1, ışık kaynağı eklendiğinde ışığın hızı değişmeyecek
Toptan bir top vurulduğunda, bir kamyondan ters yönde, tam olarak aynı hızda geriye doğru hareket ederek, sıfır hızlı bir mermi ile sonuçlanır. Işık yayılırsa, daima ışık hızında hareket eder.
Mümkün olduğunca hızlı bir top attığınızı hayal edin. Nasıl egzersiz yaptığınıza bağlı olarak, saatte 100 mil hıza (saniyede yaklaşık 45 metre) ulaşmak için ellerinizi ve kollarınızı kullanabilirsiniz. Şimdi bir trende (veya uçakta) endişe verici bir hızla hareket ettiğinizi hayal edin: saatte 300 mil (saniyede yaklaşık 134 metre). Topu trenden atıp aynı yönde hareket ederseniz, top ne kadar hızlı hareket eder? Sadece saatte 400 mil hızı toplarsınız. Şimdi bir top atmak yerine bir ışık huzmesi yaydığınızı hayal edin. Işık hızını trenin hızına ekleyin ... tamamen yanlış cevap alırsınız.
Galileo dönüşümünün göreliliği doğruysa (alt, noktalı çizgi) Michelson interferometresinin (üstte) ışık düzenindeki (alt, katı) değişiklik göz ardı edilebilir. Işığın hızı, dünyanın uzaydaki hareketine dik veya dik dahil, girişim yönüne bakılmaksızın aynıdır. Görsel telif hakkı: Albert A. Michelson (1881); A.A. Michelson ve E. Morley (1887)
Bu, Einstein'ın özel görelilik teorisinin ana fikridir, ancak bu deneysel keşfi yapan Einstein değildi. 1880'lerdeki öncü çalışması bunu kanıtlayan Albert Michelson'du. Dünyanın hareket ettiği yönde, o yöne dik veya ters yönde bir ışık huzmesi yaymanız fark etmez, fark etmez. Işık her zaman aynı hızda-c, bir boşluktaki ışık hızında hareket eder. Michelson, dünyanın eterdeki hareketini ölçmek için interferometresini geliştirdi ve görelilik teorisinin yolunu açtı. 1907'deki Nobel Ödülü, hala dünyadaki en ünlü başarı ve bilim tarihindeki en önemli başarıdır.
No2, bir atomun kütlesinin% 99,9'u çok yoğun bir çekirdekte yoğunlaşmıştır.
Bir helyum atomu, çekirdeğin oranına yakındır. Resim: Wikimedia Commons kullanıcısı Yzmo
"Kuru üzümlü puding" in atomik modelini duydunuz mu? Bu garip gelebilir, ancak 20. yüzyılın başında atomların, hepsini dolduran enerjik bir ortama (puding gibi) gömülü olan negatif yüklü elektronların (erik gibi) bir karışımından yapıldığına inanılıyordu. Uzay. Statik elektriği açıklayarak elektronlar soyulabilir veya çalınabilir. Uzun yıllar boyunca, J.J. Thomsonın kompozit atom modeli, Ernest Rutherford tarafından test edilinceye kadar pozitif yüklü bir substratta küçük elektronları kabul etti.
Rutherford'un altın folyo deneyi, atomların çoğunun boş olduğunu, ancak alfa parçacığının, çekirdeğin kütlesinden çok daha büyük bir kütle konsantrasyonu olduğunu gösterdi. Telif hakkı: Chris Impey
Çok ince altın folyo kağıda yüksek enerjili yüklü parçacıklar (radyoaktif bozunmadan) yayan Rutherford, tüm parçacıkların geçmesini bekledi, ancak bazıları geri dönecekti! Rutherford'un anlatımı: Bu, hayatımda olan en inanılmaz şey. İnanılmaz, sanki bir kağıda 15 inçlik bir gülle fırlatıyorsun ve sana vurmak için geri geliyor. Rutherford'un keşfettiği şey, atomun neredeyse tüm kütlesini içeren atom çekirdeğiydi ve hacmi yalnızca bir trilyondu (10 ^ -15). 20. yüzyılda kuantum devriminin yolunu açan modern fiziğin doğuşuydu.
No3, enerji eksikliği küçük, neredeyse görünmez bir parçacığın keşfedilmesine neden oldu
İki tür nötron bozunması vardır (radyasyonlu ve radyasyonsuz) Bozunma, alfa veya gama bozunmasının tersidir.Nötrino tespit edilmezse, enerji korunmaz. Telif hakkı: Zina Deretsky, Ulusal Bilim Vakfı
Parçacıklar arasında gördüğümüz tüm etkileşimlerde, enerji her zaman korunur. Bir türden diğerine dönüştürülebilir - potansiyel enerji, kinetik enerji, durgun kütle, kimya, atomlar, elektronlar vb. - ama asla yaratılmayacak veya yok edilmeyecektir. Bu nedenle, yaklaşık bir asır önce, bazı radyoaktif maddelerin ürünlerinde ilk reaktanlardan biraz daha az toplam enerji içerdiği keşfedildiğinde, şaşırtıcıydı. Bohr'un, enerjinin her zaman korunduğunu varsaymasına yol açar ... kaybolduğu zamanlar hariç. Ama Bohr yanılıyordu, Poly'ydi, başka fikirleri vardı.
Nötronların protonlara, elektronlara ve anti-elektron nötrinolarına dönüşümü, çürüme sırasında enerjinin korunmaması sorununa bir çözümdür. Telif hakkı: Joel Holdsworth
Pauli, enerjinin korunması gerektiğini savundu, bu nedenle 1930'da yeni bir parçacık nötrino önerdi. Bu, elektromanyetik olarak etkileşmeyen, ancak çok küçük bir kütleye sahip olan ve kinetik enerji taşıyan "küçük ve nötr" bir parçacıktır. 1950'lerde ve 1960'larda pek çok insan şüpheci olsa da, nükleer reaksiyon ürünleri ile yapılan deneyler sonunda fizikçilerin standart modeli ve zayıf nükleer etkileşimleri oluşturmasına yardımcı olan nötrinoları ve antinötrinoları keşfetti. Model. Bu inanılmaz bir örnek: teorik tahminler bazen uygun deneysel teknikler geliştirildiğinde inanılmaz ilerlemeye yol açar.
No4, bizimle etkileşime giren tüm parçacıkların enerjisi yüksek
Standart modelin kuarkları, antikuarkları ve gluonlarının tümü, kütle ve yük gibi diğer özellikler dışında, renk yüklerine sahiptir. Telif hakkı: E. Siegel / Galaksinin Ötesinde
İnsanlar genellikle bilimsel ilerlemenin "eureka" olmadığını söylüyorlar! Bu ilginç, ama aslında temel fizikte oluyor! Bir elektron mikroskobu üzerinde yüklerseniz, iki iletken metal yaprak başka bir iletkene bağlanır - her iki yaprak da aynı yükü alır ve sonuç birbirini iter. Elektron mikroskobu bir vakuma yerleştirilirse yapraklar boşalmamalıdır, ancak zamanla boşalır. Bu deşarj için en iyi açıklamamız, yüksek enerjili parçacıkların uzaydan dünyaya çarpması, kozmik ışınlar ve bu çarpışmaların ürünlerinin elektron mikroskobu boşalmasına neden olmasıdır.
Kozmik ışın astronomisi, 1912'de Victor Hess'in üst atmosfere bir balon götürdüğü ve uzaydan atılan kozmik ışın parçacıklarını ölçtüğü zaman doğdu. Resim: Amerikan Fizik Derneği
1912'de Victor Hess, bu yüksek enerjili kozmik parçacıkları aramak için bir balon deneyi yaptı ve kozmik ışınların babası oldu. Manyetik alana sahip bir algılama odası inşa ederek, hız ve kütle oranı, parçacık yörünge eğrisine göre ölçülebilir. Protonlar, elektronlar ve hatta ilk antimadde parçacıkları bu yöntemle tespit edildi, ancak en büyük sürpriz 1933'te Paul Kunz'un, tıpkı bir elektron gibi bir parçacıktan bir yörünge keşfetmek için kozmik ışınlar kullandığında geldi. Aynı ... kalitenin yüzlerce katı dışında!
İlk tespit edilen müon ve diğer kozmik ışın parçacıklarının elektronla aynı yüke sahip olduğu belirlendi, ancak hızı ve eğrilik yarıçapı nedeniyle elektrondan yüzlerce kat daha ağırdır. Telif hakkı: Paul Kunze, Z. Phys. 83 (1933)
Daha sonra Carl Anderson ve öğrencisi Seth Neddermeyer (Seth Neddermeyer) yerde bir bulut odası kullandılar, deneyler bu süreci doğruladı ve bu keşfi deneylerde doğruladı. Fizikçi i.i. (Rabi Nobel Ödülü sahibi) nükleer manyetik rezonansı keşfettiğinde ve müonun varlığını anladığında, bu iki tür kompozit parçacık (protonlar ve nötronlar gibi) ve temel parçacıklar (kuarklar, elektronlar ve nötrinolar) Birkaç nesil daha ağır "akraba" vardır ve müon keşfedilecek ilk "ikinci nesil" parçacıktır.
No5, evrende yüksek bir gürültü başlıyor
Yeterince uzağa bakarsanız, görebileceğiniz en uzak zaman 13,8 milyar yıldır - evrenin tahmini bir yaşı. Bu, en eski döneme geri dönüyor ve aynı zamanda Büyük Patlama kavramı. Resim: NASA / STScI / A. Felid
1940'larda George Gamow ve çalışma arkadaşları radikal bir teori ortaya attılar: Bugünün genişleyen ve soğuyan evreni geçmişte sadece daha sıcak ve daha yoğun değil, aynı zamanda keyfiydi. Yeterince geriye doğru tahmin ederseniz, tüm maddeyi iyonlaştıracak ve atom çekirdeklerini daha uzağa bölecek kadar sıcak bir evren olacaktır. Bu teoriye "Büyük Patlama" teorisi denir, İki ana tahmin var:
1. Evren sadece proton ve elektronlardan oluşan bir madde değil, aynı zamanda yüksek enerjili erken evrende birbirine kaynaşmış karışık elementlerden oluşur.
2. Evren nötr atomlar oluşturacak kadar soğutulduğunda, yüksek enerjili radyasyon salınır ve evren genişledikçe enerji kaybeder, hareket eder ve bir şeyle çarpışana kadar sonsuza kadar düz bir çizgi boyunca yol alır. Bu "kozmik mikrodalga arkaplanının" mutlak sıfırın sadece birkaç derece üzerinde olduğu tahmin ediliyor.
Penzias ve Wilson'ın orijinal gözlemlerine göre, galaktik düzlem bir miktar astrofiziksel kaynak radyasyon yayar (merkezde), ancak yukarıda ve aşağıda kalan her şey neredeyse mükemmel, tekdüze bir radyasyon arka planıdır. Resim: NASA / WMAP Bilim Ekibi
1964'te Arno Penzias ve Bob Wilson, yanlışlıkla Big Bang'in parlamasını keşfettiler. Bell Laboratuarlarında radarı incelemek için bir radyo anteni kullandılar ve gökyüzünde her yerde tek tip gürültü olduğunu buldular. Ne güneş ne Samanyolu ne de Dünya'nın atmosferi ... ama ne olduğunu bilmiyorlar. Bu yüzden antenin içini temizlemek için bir trol kullandılar ve işlem sırasında güvercin dışkısını çıkardılar, ancak gürültü hala var. Ancak çalışmanın sonuçları Princeton ekibine (Dicke, Peebles, Wilkinson, vb.) Aşina bir fizikçiye gösterildiğinde, bu tür sinyaller için doğru tahminlerde bulunacaklar ve bulduklarını belirlemek için radyometreyi kullanacaklar. Şeylerin önemi, bu, evrenimizin kökenini ilk kez tespit etmemizdir.
Evrenin genişlemesi sırasında, evrendeki kuantum dalgalanmaları genişleme işlemi sırasında genişleyerek kozmik mikrodalga arka plan altında yoğunluk dalgalanmalarına yol açar ve kozmik mikrodalga arka planın altındaki kuantum dalgalanmaları sonuçta evrendeki yıldızlara, galaksilere ve diğerlerine yol açar. Büyük ölçekli yapı. Bu, 2017 yılında evrendeki maddenin yapısının ve kökeninin en iyi resmidir. Telif hakkı: E. Siegel, ESA / Planck ve CMB araştırmasında DoE / NASA / NSF ajanslar arası görev gücünden elde edilen görüntülerle
Bugün sahip olduğumuz bilimsel bilgiye geri dönüp baktığımızda, onun öngörü gücü ve yüzyıllar süren keşiflerinin hayatımızı nasıl değiştirdiğinden sonra, bilimi sürekli gelişen bir fikir olarak görmek bizim için kolaydır. Ama gerçekte bilim tarihi kaotik, sürprizlerle ve tartışmalarla dolu. Zamanında çalışanlar için bilim risk almayı, yeni senaryolar keşfetmeyi ve hiç denenmemiş bir yönde zorlayıcı olmayı içerir. Anlattığımız tarih başarı hikayeleriyle dolu olsa da, gerçek tarih çıkmaz sokaklar, başarısız deneyler ve düpedüz hatalarla doludur. Bununla birlikte, açık fikirli olmak, fikirlerinizi test etme isteği ve yeteneği ve sonuçlarımızdan sonuçlarımızı öğrenme ve düzeltme yeteneği, bizi karanlıktan aydınlığa çıkarır ve günün sonunda hepimiz kazanırız Yukarı!
