Новостная лента

Пять открытий фундаментальной физики


Hubble Extreme Deep Field — наш самый детальный снимок Вселенной, демонстрирующий галактики, существовавшие в период, когда возраст Вселенной составлял 3-4% от нынешнего. То, что мы смогли увидеть так много, просто достаточно долго изучая казавшийся чёрным участок неба, тоже стало невероятным сюрпризом – но в список он не попал

Изучая метод научного познания, мы представляем себе чёткую процедуру, следуя которой, можно добраться до понимания естественных процессов, происходящих во Вселенной. Начинаем с идеи, выполняем эксперимент, и либо подтверждаем, либо опровергаем её – в зависимости от результата. Вот только реальный мир гораздо более неряшлив. Иногда можно провести эксперимент и получить результат, кардинально отличающийся от ожиданий. Иногда правильно объяснение требует выхода воображения далеко за пределы разумных и логических заключений. Сегодня мы неплохо понимаем Вселенную, но на пути к этому мы встречали множество сюрпризов. Осуществляя дальнейший прогресс, мы наверняка наткнёмся на что-то ещё. Вот исторический экскурс, описывающий пять величайших сюрпризов в истории науки.


Если выстрелить ядром из пушки в направлении, обратном движению автомобиля, и с точно такой же скоростью, в результате скорость снаряда окажется нулевой. Если бы мы выстрелили светом, он всегда двигался бы со скоростью света

1) Скорость света не меняется из-за скорости источника. Представьте, что вы очень сильно бросили мяч. В зависимости от того вида спорта, которым вы увлекаетесь, он может достичь скорости до 45 м/с. Теперь представьте, что вы находитесь в поезде, двигающемся со скоростью 135 м/с. Если вы бросите мяч с поезда в направлении его движения, с какой скоростью он полетит? Просто складываем скорости – 180 м/с. Теперь представьте, что вместо мяча вы испустили луч света. Сложим скорость света и скорость поезда – и получим неправильный ответ.


Интерферометр Майкельсона (вверху) продемонстрировал пренебрежимо малое изменение поведения света (внизу, сплошная) по сравнению с тем, что было бы, если бы сработал закон относительности Галилея (внизу, пунктир). Скорость света оставалась постоянной вне зависимости от направления ориентации интерферометра – включая направление, параллельное или перпендикулярное движению Земли в космосе.

Эта идея была центральной в специальной теории относительности Эйнштейна, но экспериментально её открыл не Эйнштейн; это был Альберт Майкельсон, чья передовая работа продемонстрировала этот результат в 1880-х. Запускаете ли вы луч света в направлении движения Земли, перпендикулярно этому направлению, или в противоположном направлении – разницы нет. Свет всегда движется с одной и той же скоростью: c, скоростью света в вакууме. Майкельсон разработал интерферометр, чтобы измерить скорость движения Земли относительно эфира, а вместо этого проложил дорогу для относительности. Его нобелевская премия 1907 года остаётся самым известным нулевым результатом и самым важным в истории науки.


Атом гелия с ядром в примерном масштабе

2) 99,99% массы атома сосредоточено в невероятно плотном ядре. Слышали ли вы о "пудинговой модели атома"? Сегодня она кажется странной, но в начале XX века считалось общепринятым, что атом состоит из смеси отрицательно заряженных электронов (изюминок), встроенных в положительно заряженное вещество (пудинг), заполняющее всё пространство. Электроны можно вынуть из него, что объясняет явление статического электричества. Годами композитная модель атома Томсона, с небольшими электронами, расположенными на положительно заряженной подложке, была общепринятой. Пока её не решил проверить Эрнест Резерфорд.


Опыт Резерфорда с золотой фольгой показал, что атом по большей части пустой, но в одной его точки имеется концентрация массы, серьёзно превышающей массу альфа-частицы: атомное ядро.

Запуская высокоэнергетические заряженные частицы (от радиоактивного распада) в очень тонкий лист золотой фольги, Резерфорд ожидал, что они будут проходить её насквозь. Большая часть из них так и сделала, но некоторые эффектно отскочили! Как вспоминает Резерфорд:

Это было самое невероятное, что произошло со мной в жизни. Это было почти настолько же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в салфетку, а он бы отскочил от неё и попал в вас.


Резерфорд обнаружил атомное ядро, содержащее практически всю массу атома и ограниченное объёмом в 10-15 от размера всего атома. Так родилась современная физика, проложившая путь квантовой революции XX века.


Два типа (излучающий и неизлучающий) бета-распада нейтрона. Бета-распад, в отличие от альфа- или гамма-распада, не сохраняет энергию – если вы не сможете обнаружить нейтрино.

3) «Недостающая энергия» привела к открытию крохотной, почти невидимой частицы. Во всех наблюдаемых взаимодействиях между частицами энергия всегда сохраняется. Её можно превратить из одного типа в другой – потенциальная, кинетическая, масса покоя, химическая, атомная, электрическая, и т.д. – но её нельзя создать или уничтожить. Поэтому почти сотню лет назад было так удивительно узнать, что у некоторых продуктов радиоактивных распадов получается немного меньше общей энергии, чем у изначальных реагентов. Это привело Бора к мысли, что энергия сохраняется всегда… за исключением тех случаев, когда теряется. Но Бор ошибся, а у Паули появилась другая идея.


Превращение нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино – решение проблемы несохранения энергии при бета-распаде

Паули спорил, что энергия должна сохраняться, поэтому в 1930-х предположил существование новой частицы: нейтрино. Эта «маленькая нейтронная» частичка не вступала в магнитные взаимодействия, а вместо этого обладала крохотной массой и уносила с собой кинетическую энергию. Многие отнеслись к этому скептически, но в опытах среди продуктов ядерных реакций в 1950-х и 1960-х в итоге были найдены нейтрино и антинейтрино, что помогло привести физиков к Стандартной Модели и модели слабых ядерных взаимодействий. Это яркий пример того, как теоретические предсказания иногда могут привести к потрясающим прорывам, после того, как будут выработаны соответствующие экспериментальные технологии.


Кварки, антикварки и глюоны в Стандартной Модели обладают цветным зарядом – в дополнение к остальным свойствам вроде массы и электрического заряда. Все эти частицы, насколько нам известно, точечные, и распределены по трём поколениям

4) У всех частиц, с которыми мы взаимодействуем, есть нестабильные высокоэнергетические родственники. Часто говорят, что научные достижения обычно встречают не возгласом «эврика», а замечанием «хмм, вот странно…» – но в фундаментальной физике встречался и первый вариант. Если зарядить электроскоп – в котором два проводящих металлических листка соединены с другим проводником – оба листка получат одинаковый заряд и будут отталкиваться. Если поместить его в вакуум, листки не должны терять заряды, но они со временем их теряют. Лучшим объяснением для этого было то, что из внешнего космоса на Землю летят высокоэнергетические частицы, космические лучи, и результат их столкновений разряжал электроскоп.


Астрономия космических лучей зародилась в 1912-м, когда Виктор Гесс отправился на воздушном шаре в верхние слои атмосферы и обнаружил частицы, падающие на Землю из космоса.

В 1912 Виктор Гесс при помощи воздушного шара провёл опыт для поиска этих высокоэнергетических космических частиц, и сразу же обнаружил их в изобилии, став отцом космических лучей. Сконструировав камеру с магнитным полем, можно измерить скорость и отношение заряда к массе на основе закругления пути частицы. Протоны, электроны, и даже первые частицы антиматерии были обнаружены именно так, но крупнейший сюрприз произошёл в 1933-м, когда Пол Кунц, работая с космическими лучами, обнаружил след частицы, очень похожей на электрон, только в сотни раз тяжелее!


Первый из обнаруженных мюонов, вместе с другими частицами космических лучей, оказался обладателем такого же заряда, как у электрона, только с массой в сотни раз больше – это было видно из его скорости и радиуса искривления пути

Существование мюона со временем жизни всего 2,2 мкс позднее было подтверждено на опыте, когда его обнаружили Карл Андерсон и его студент Сет Неддермайер, использовавшие наземную камеру Вильсона. Когда физик Исидор Раби, сам удостоившийся нобелевской премии за открытие ядерного магнитного резонанса, узнал о существовании мюона, он изрёк известную теперь фразу: «А это кто заказал?» Позже было установлено, что как композитные частицы (протоны и нейтроны) так и фундаментальные (кварки, электроны, нейтрино) обладают несколькими поколениями более тяжёлых родственников, и мюон стал первой из открытых частиц «второго поколения».


Чем дальше вы смотрите в пространство, тем дальше вы смотрите во времени. Во времени нельзя заглянуть дальше, чем 13,8 млрд лет: это наша оценка возраста Вселенной. Экстраполяция данных обратно к самым ранним временам привела к появлению идеи Большого взрыва.

5) Вселенная началась с Большого взрыва, но это открытие было сделано совершенно случайно. В 1940-х Георгий Антонович Гамов с коллегами выдвинули радикальную идею: Вселенная, в текущий момент расширяющаяся и охлаждающаяся, в прошлом не только была горячее и плотнее, но была произвольно горячей и плотной. Если экстраполировать назад достаточно далеко, получится Вселенная, достаточно горячая для ионизации всей имеющейся в ней материи, а ещё дальше распадутся даже атомные ядра. Идея получила известность как Большой Взрыв, и из неё вышло два главных прогноза:
1. Во Вселенной, с которой мы начали, должны были находиться не просто протоны и электроны, но целая смесь лёгких элементов, синтезированных вместе при высоких энергиях.
2. Когда Вселенная остыла достаточно для формирования нейтральных атомов, излучение высокой энергии освободилось и вечно путешествует по прямой, пока не наткнётся на что-либо, испытывая красное смещение и теряя энергию при расширении Вселенной.

Они предсказали, что температура этого «реликтового излучения» будет на несколько градусов выше абсолютного нуля.


Согласно первоначальным наблюдениям Пензиаса и Уилсона, в галактической плоскости есть несколько источников излучения (в середине), но сверху и снизу был почти идеально однородный фон

В 1964 году Арно Пензиас и Боб Уилсон случайно открыли остаточное излучение Большого взрыва. Работая с радиоантенной в лабораториях Белла для изучения радаров, они обнаружили наличие равномерного шума, исходящего из всех мест в небе. Это было не Солнце, не Галактика, не атмосфера Земли – но они не знали, что это было. Они чистили поверхность антенны тряпками, разгоняли голубей, но шум никуда не девался. Только когда результаты измерений увидел физик, знакомый с детальными предсказаниями принстонской группы (Дик, Пиблз, Уилкинсон, и т.д.), и с радиометром, который строился как раз для обнаружения подобного сигнала, они поняли значимость того, что обнаружили. Впервые стало известно происхождение Вселенной.


Квантовые флуктуации, присущие космосу, протянулись по всей Вселенной во время космической инфляции, и породили звёзды, галактики и другие крупномасштабные структуры Вселенной, известные нам сегодня. На 2017-й год это наилучшее представление о происхождении структуры и материи Вселенной.

Оглядываясь назад, на собранные к сегодняшнему дню научные знания, на их предсказательные способности и на то, как столетия открытий преобразовали наши жизни, можно поддаться искушению смотреть на науку как на постоянное развитие идей. Но на самом деле история науки неряшлива, полна неожиданностей и отягощена разногласиями. Для работающих на границе современных знаний наука означает риски, изучение новых сценариев, попытки пойти в неизведанном направлении. История, оставшаяся в нашей памяти, полна успехов, но реальная история полна тупиков, неудачных опытов и явных ошибок. Тем не менее, открытый разум, желание и возможность проверять идеи, наша способность учиться на результатах и пересматривать заключения, ведёт нас из тьмы к свету. И в итоге от этого выигрывают все.

Additional Info

Log in

create an account