Når du underviser, den videnskabelige metode, man vænner sig til at følge en omhyggelig procedure for at få en idé om et naturligt fænomen i vores Univers. Start med idéer, eksperimentere, afprøve ideen eller modbevise det, afhængigt af resultatet. Men i det virkelige liv, alt er meget mere kompliceret. Nogle gange er du bruge et eksperiment og dets resultater kan afvige fra, hvad du forventede. Nogle gange kan en passende forklaring, kræver det et udtryk for fantasi, som går langt ud over den logiske dom af enhver fornuftig person. Dagens fysiske univers er ganske godt forstået, men historien om, hvordan vi kom til dette sted, fuld af overraskelser. Før du er fem store opdagelser, der er gjort i uforudsigelige måder.
Når kernen går ned fra pistol til bagsiden af lastbilen med nøjagtig samme hastighed, som de bevægelige hastigheden af projektilet er nul. Hvis det er lys, der altid bevæger sig med lysets hastighed.
Lysets hastighed er ikke ændret under acceleration af lys kilde
Forestil dig, at du kaste bolden så langt som muligt. Afhængigt af hvilken sport, du spiller, bolden kan fremskyndes til 150 km/t ved hjælp af våbenmagt. Forestil dig nu, at du er på et tog, der er i bevægelse utrolig hurtigt: 450 km/h, Hvis du taber bolden fra et tog, der bevæger sig i samme retning, hvor hurtigt, vil bolden bevæge sig? Kun summen hastighed: 600 km/t, der er svaret. Forestil dig nu, at i stedet for at skulle til at kaste bolden, er du udsender en stråle af lys. Tilføj lysets hastighed til hastigheden af toget, og få de svar, som vil være… helt forkert.
Dette var den Centrale idé i den specielle relativitetsteori, men selve åbningen ikke Einstein og albert Michelson i 1880’erne. Og ligegyldigt om du vil producere en stråle af lys i retningen af Jordens bevægelse eller vinkelret på denne retning. Lyset altid er flyttet med samme hastighed C er lysets hastighed i vakuum. Michelson har udviklet sin interferometer til at måle Jordens bevægelse gennem æteren, og i stedet banede vejen for relativitet. Hans Nobelpris i 1907 blev den mest berømte i historien om nul-resultat, og det vigtigste i videnskabens historie.
99,9% af massen af et atom er koncentreret i en utrolig tæt kerne
I begyndelsen af 20 århundrede, har forskere troet, at atomer er lavet af skift af negativt ladede elektroner (fyldte kage) omgivet af en positivt ladet miljø (kage), som fylder hele rummet. Elektroner kan blive revet fra eller fjernet, hvilket forklarer det fænomen, at statisk elektricitet. I år, den sammensatte model af atomet i en positivt ladet substrat, Thompson blev accepteret. Mens Ernest Rutherford besluttet ikke at teste det.
Fyring høj-energi ladede partikler (fra radioaktivt henfald) en tynd plade af guld folie, Rutherford forventede, at alle partikler kan passere gennem. Og nogle af dem kom igennem, og nogle hoppede. For Rutherford det var helt utroligt: hvis du skudt med en Kanonkugle ind i et væv, og det hoppede.
Rutherford opdagede atomkerner, som indeholdt næsten alle massen af et atom er lukket inde i et volumen, der fylder én billard (10-15) størrelsen af hele atom. Dette markerede fødslen af moderne fysik og banede vejen for den kvantemekaniske revolution i det 20.århundrede.
“Den manglende energi” har ført til opdagelsen af små, næsten usynlige partikler
I alle interaktioner, som vi har set mellem partikler, energi altid er bevaret. Det kan omdannes fra én form til en anden — potentiel, kinetisk, masse, fred, kemiske, nukleare, elektriske, osv. — men aldrig ødelagt og forsvinde. Om et hundrede år siden, hvor forskerne blev forvirret af en enkelt proces: i nogle henfalder radioaktivt, forfald produkter, der har mindre samlede energi end den oprindelige reaktanter. Niels Bohr selv postulerede, at energi altid er bevaret… bortset fra, når den ikke er. Men Bohr var forkert, og det tog Pauli.
Konvertering af en neutron til en proton, elektron og neutrino antielectron er en løsning på problemet med energibesparelser i beta-henfald
Pauli gjort gældende, at energi skal blive frelst, og i 1930 foreslog han en ny partikel, neutrino. Denne “neutral baby” bør ikke interagere med elektromagnetisk, og bærer en lille masse og bærer væk kinetisk energi. Selv om mange var skeptiske eksperimenter med produkter af nukleare reaktioner, der blev afsløret som neutrinoer og antineutrinos i 1950-erne og 1960-erne, der var med til at føre fysikere som Standard model og en model af den svage nukleare interaktioner. Dette er et fantastisk eksempel på, hvordan teoretiske forudsigelser kan nogle gange føre til en dramatisk gennembrud, når det er passende eksperimentelle metoder.
Alle de partikler, som vi interagerer, har høj energi, ustabile kolleger
Det er ofte sagt, at fremskridt i videnskab ikke mødes med udtrykket “Eureka!” en “meget sjovt”, og dette er delvist sandt. Hvis du oplader electroscope, hvor to ledende metalplader forbundet med en anden dirigent — både plader vil have den samme elektriske ladning, og resultatet frastøder hinanden. Men hvis du sætter electroscope i vakuum, bladene bør ikke udledes, men i sidste ende er afladet. Hvordan til at forklare det? Det bedste, der kom til at tænke på, fra rum-til-Jord få højenergi-partikler, kosmiske stråler, og produkterne af deres sammenstød afladet electroscope.
I 1912, Victor Hess udført eksperimenter på søgning af disse højenergi-partikler i en luftballon og fundet dem i stor overflod, bliver faderen af kosmiske stråler. At konstruere opdagelse afdeling med det magnetiske felt, du kan måle både hastighed og forholdet mellem ladning og masse, baseret på kurver af bevægelser af partikler. Protoner, elektroner, og selv den første partikel af antistof blev opdaget ved hjælp af denne metode, men den største overraskelse kom i 1933, da Paulus Kunze, der arbejder med kosmiske stråler, som er fundet spor fra en partikel der ligner elektron… kun tusindvis af gange tungere.
En muon med en levetid på blot 2,2 mikrosekunder senere blev bekræftet eksperimentelt opdaget af Carl Anderson og hans elev Seth Neddermeyer ved hjælp af cloud-kamera på jorden. Senere viste det sig, at sammensatte partikler (som protoner og neutroner) og den grundlæggende (kvarker, elektroner og neutrinoer) — alle har flere generationer af tungere slægtninge, muon er den første del af “generation 2”, der nogensinde er opdaget.
Universet begyndte med en eksplosion, men opdagelsen var helt tilfældigt
I 1940’erne, George Gamow og hans kolleger har foreslået en radikal idé: at det univers, som udvider sig og afkøles i dag var varmt og tæt i fortiden. Og hvis du går langt nok tilbage i tiden, universet er varmt nok til at ionize alle de spørgsmål i det, og endnu længere — splits en atomkerne. Denne idé blev kendt som the Big Bang, og med hende havde to alvorlige forudsætninger:
- Universet, som vi begyndte, var ikke kun et spørgsmål om simpel protoner og elektroner, men bestod af en blanding af lette elementer, der blev syntetiseret i høj-energi unge Univers.
- Når universet afkølet nok til at danne neutrale atomer, en høj-energi stråling blev frigivet, og begyndte at bevæge sig i en lige linje, for evigt, indtil de ramte noget, gå gennem rødforskydning og mister energi med udvidelsen af Universet.
Det er blevet foreslået, at denne “kosmiske baggrundsstråling” vil være blot et par grader over det absolutte nulpunkt.
I 1964 af Arno Penzias og Bob Wilson et uheld opdaget efterglød fra Big Bang. At arbejde med radio antenne på bell labs, de fandt ensartet støj overalt kigget til himlen. Det var ikke solen, galaxy eller Jordens atmosfære… de vidste bare ikke, hvad det er. Så de rengøres antenne, fjernes den duer, men den støj, der aldrig slap. Og kun når resultaterne viste, fysik bekendt med den detaljerede forudsigelser af hele Princeton hold, er han med hjælp fra radiometer bestemt type signal, og indså betydningen af resultaterne. For første gang, forskere har lært om oprindelsen af Universet.
Ser man tilbage på de videnskabelige viden, vi har i dag, med deres intelligent magt, og hvordan århundreder af opdagelser, der har ændret vores liv, er vi fristet til at se på videnskaben om bæredygtig udvikling ideer. Men i virkeligheden historien om videnskab er rodet, fuld af overraskelser og fuld af sporer.
Fem uventede store opdagelser inden for fysik
Ilya Hel