När du undervisar om den vetenskapliga metoden, får du använda för att följa en noggrann procedur för att få en uppfattning om ett naturligt fenomen i vårt Universum. Börja med idéer, experiment, testa idén eller motbevisa det, beroende på resultatet. Men i verkliga livet är allt mycket mer komplicerat. Ibland kan du tillbringa ett experiment och dess resultat skiljer sig från vad du förväntade dig. Ibland kan en lämplig förklaring kräver ett uttryck för fantasi, som går långt bortom den logiska dom av någon förnuftig person. Dagens fysiska universum är ganska väl förstått, men historien om hur vi kom till denna plats, full av överraskningar. Innan du fem stora upptäckter som har gjorts på ett oförutsägbart sätt.
När kärnan kraschar från pistolen till baksidan av lastbilen med exakt samma hastighet som den rörliga hastighet av projektilen är noll. Om det är ljus, det rör sig alltid i ljusets hastighet.
Ljusets hastighet är inte förändrats under acceleration av ljuskälla
Tänk dig att kasta bollen så långt som möjligt. Beroende på vilken sport du spelar, bollen kan vara snabbare till 150 km/h med hjälp av vapenmakt. Tänk dig nu att du är på ett tåg som rör sig otroligt snabbt: 450 km/h Om du tappar bollen från ett tåg som rör sig i samma riktning, hur snabbt kommer bollen att flytta? Bara summan hastighet: 600 km/h, det är svaret. Tänk dig nu att i stället för att kasta bollen, du avger en stråle av ljus. Lägg till ljusets hastighet för att hastigheten på tåget och få de svar som kommer vara… helt fel.
Detta var den Centrala tanken i den speciella relativitetsteorin, men själva öppnandet inte Einstein och albert Michelson på 1880-talet. Och oavsett om du vill producera en stråle av ljus i den riktningen av Jordens rörelse eller vinkelrätt mot denna riktning. Ljuset alltid flyttat med samma hastighet C, ljusets hastighet i vakuum. Michelson har utvecklat sin interferometer för att mäta rörelser i Jorden genom etern, och istället banade väg för relativitetsteorin. Hans nobelpris 1907 blev den mest kända i historien av noll och den viktigaste i vetenskapens historia.
99,9% av massan av en atom är koncentrerad i en otroligt tät kärna
I början av 20-talet forskare tror att atomer är gjorda av förändringar av negativt laddade elektroner (fyllda kaka) är innesluten i en positivt laddad miljö (tårta), som fyller hela utrymmet. Elektroner kan rivas ut eller tas bort, vilket förklarar fenomenet statisk elektricitet. För år, den sammansatta modellen av atomen i en positivt laddad substrat, Thompson var accepterat. Medan Ernest Rutherford beslutat att inte testa det.
Bränning energirika laddade partiklar (från radioaktivt sönderfall) är en tunn platta av guld folie, Rutherford förväntas alla partiklar kommer att passera genom. Och några av dem fick igenom, och vissa studsade. För Rutherford det var helt otroligt: om du skjutit en Kanonkula i en vävnad, och det studsade.
Rutherford upptäckte atomkärnan, som innehöll nästan alla massan av en atom är innesluten i en volym som ligger i en kvadriljon (10-15) storleken på hela atom. Detta markerade födelsen av den moderna fysiken och banade väg för quantum revolution av 20-talet.
“Saknad energi” har lett till upptäckten av små, nästan osynliga partiklar
I alla interaktioner som vi någonsin har sett mellan partiklar, energi är alltid bevaras. Det kan vara konverterade från en typ till en annan — potential, kinetisk, massa, fred, kemiska, nukleära, el, etc. — men aldrig förstöras och försvinna. Om hundra år sedan kunde forskarna förbryllade av en enda process: i vissa radioaktiva sönderfall, decay produkter har mindre total energi än den ursprungliga reaktanter. Niels Bohr även postulerade att energi är alltid bevarade… utom när den inte. Men Bohr var fel och det tog Pauli.
Omvandling av en neutron till en proton, en elektron och en neutrino antielectron är en lösning på problemet med energibesparing i betasönderfallet
Pauli hävdade att energi ska sparas, och i 1930 föreslog han en ny partikel: neutrino. Detta “neutrala barn” borde inte interagera med elektromagnetiska och bär en liten massa och bär bort kinetisk energi. Trots att många var skeptiska experiment med produkter av nukleära reaktioner så småningom avslöjas som neutriner och neutriner på 1950-talet och 1960-talet, som hjälpt till att leda fysiker som Standard modell och den modell av den svaga kärnkraften interaktioner. Detta är ett fantastiskt exempel på hur teoretiska förutsägelser kan ibland leda till ett dramatiskt genombrott när lämpliga experimentella metoder.
Alla partiklar som vi samverkar med, har hög energi, instabil motsvarigheter
Det sägs ofta att vetenskapliga framsteg inte uppfyller med frasen “Eureka!” är ett “mycket roligt”, och detta är delvis sant. Om du laddar electroscope, där två ledande plåt som är ansluten till annan ledare — både lakan kommer att ha samma elektrisk laddning och resultatet stöta bort varandra. Men om du sätter electroscope i vakuum, bladen bör inte släppas ut, men så småningom ut. Hur förklara det? Det bästa som kom att tänka på, från rymden till Jorden för att få hög energi partiklar, kosmisk strålning, och produkter av kollisioner beviljade electroscope.
1912, Victor Hess utfört experiment på sökning av dessa energirika partiklar i en varm luft ballong och fann dem i så stor myckenhet, att bli pappa av kosmisk strålning. Att bygga upptäckt kammare med det magnetiska fältet, du kan mäta både hastighet och förhållandet mellan laddning och massa, baserat på de kurvor förflyttningar av partiklar. Protoner, elektroner, och även den första partikel av antimateria som upptäcktes med hjälp av denna metod, men den största överraskningen kom 1933, när Paul Kunze, som arbetar med kosmisk strålning, hittade ett spår från en partikel som liknar den elektron… bara tusen gånger tyngre.
En myon med en livslängd på endast 2,2 mikrosekunder senare bekräftats experimentellt upptäcktes av Carl Anderson och hans student Seth neddermeyer trodde hjälp av cloud-kamera på marken. Senare visade det sig att sammansatta partiklar som protoner och neutroner) och de grundläggande (kvarkar, elektroner och neutriner) — alla har flera generationer av tyngre släktingar, myonen är den första delen av “generation 2” som någonsin upptäckts.
Universum började med explosionen, men upptäckten var helt slumpmässig
På 1940-talet George Gamow och hans kollegor föreslog en radikal idé: att universum, som expanderar och kyler idag var varm och tät i det förflutna. Och om du går tillräckligt långt i det förflutna, universum är tillräckligt varm för att joniseras all materia i det, och ännu längre — och klyver en atomkärna. Denna idé blev känd som Big Bang, och med henne hade två allvarliga antaganden:
- Universum, som vi började, var inte bara en fråga om enkel protoner och elektroner, men bestod av en blandning av lätta grundämnen som skapades i hög-energi unga Universum.
- När universum svalnat tillräckligt för att bilda neutrala atomer, en energirik strålning släpptes och började röra sig i en rak linje för evigt tills de träffar något, gå genom rödförskjutning och förlora energi med expansionen av Universum.
Det har föreslagits att denna “kosmiska bakgrundsstrålningen” kommer att vara bara ett par grader över den absoluta nollpunkten.
1964, Arno Penzias och Bob Wilson misstag upptäcktes efterglöden av Big Bang. Att arbeta med radio antenn på bell labs, fann de enhetliga buller överallt såg att himlen. Det var inte solen, galaxy eller Jordens atmosfär… de visste bara inte vad det är. Så de rengöras antenn, bort duvor, men buller aldrig rymt. Och bara när resultaten visade fysik bekant med detaljerade förutsägelser om hela Princeton laget, han med hjälp av radiometer bestämt dig för vilken typ av signal och insåg vikten av slutsatserna. För första gången har forskare lärt oss om ursprunget av Universum.
Ser tillbaka på de vetenskapliga kunskap vi har idag, med sina prediktiva kraft, och hur århundraden av upptäckter som har förändrat våra liv, vi frestas att se på vetenskap för hållbar utveckling av idéer. Men i själva verket är den vetenskapliga historien är rörig, full av överraskningar och full av sporer.
Fem oväntade och stora upptäckter i fysik
Ilya Hel