LVIV.COM

Несподіванки в історії розуміння Всесвіту: 5 випадкових наукових відкриттів

Несподіванки в історії розуміння Всесвіту: 5 випадкових наукових відкриттів

Коли говоримо про науковий метод, насамперед, на думку спадає чітка процедура, якої можна дотримуватися для розуміння деяких природних феноменів. Почніть з ідеї, проведіть експеримент, а потім в залежності від результату ви отримаєте або підтвердження або спростування. Насправді ж реальний світ є набагато заплутанішим. Іноді при проведенні експерименту можна отримати геть непередбачуваний результат. У деяких же випадках правильне пояснення вимагає чималої фантазії, яка виходить далеко за межі здорового глузду. Можна сказати, що сьогодні у нас є досить вичерпне розуміння Всесвіту, та історія досягнення цього розуміння повна несподіванок. Скоріш за все, з часом їх буде з’являтися все більше.


1. Швидкість світла не змінюється навіть при прискоренні його джерела

Уявіть, що ви кидаєте м’яч так швидко, як тільки можете. Залежно від того, який це вид спорту, він може досягти швидкості до 45 метрів в секунду – і це тільки при киданні рукою. А тепер уявіть, що ви їдете в поїзді або летите на літаку з дуже високою швидкістю: скажімо, 134 метри на секунду. Якщо ви скинете м’яч з поїзда, рухаючись в напрямку кидка, наскільки швидко він буде рухатися? Складіть швидкості – і ви отримаєте 179 метрів в секунду. А тепер уявіть, що замість того, щоб кинути м’яч, ви пускаєте промінь світла. Отже, ви додаєте швидкість світла до швидкості поїзда і… отримуєте абсолютно невірну відповідь.

Саме це було центральною ідеєю Спеціальної теорії відносності Ейнштейна, однак експериментальне відкриття зробив аж ніяк не він. Це у своїй роботі 1880 року продемонстрував Альберт Майкельсон. Незалежно від того, чи пускаєте ви промінь світла в напрямку руху Землі, чи перпендикулярно йому чи антипаралельно – світло завжди рухається з однаковою швидкістю: зі швидкістю світла у вакуумі (299 792 458 метрів в секунду). Майкельсон розробив інтерферометр для вимірювання руху Землі через ефір, а замість цього проклав шлях до Теорії відносності. Отримана ним в 1907 році Нобелівська премія донині залишається найважливішим нульовим результатом в історії науки.

Интерферометр Майкельсона (сверху) показал незначительное смещение в световых моделях (снизу, сплошной линией) по сравнению тем, что ожидалось в случае истинности галилеевской относительности (снизу, пунктиром). Скорость света была одинаковой вне зависимости от того, куда был направлен интерферометр - в одном направлении с Землей, перпендикулярно ему или в обратную сторону / © Albert A. Michelson/E. Morley

Інтерферометр Майкельсона (зверху) показав незначне зміщення в світлових моделях (знизу, суцільною лінією) в порівнянні тим, що очікувалося в разі правдивості галілеївської відносності (знизу, пунктиром). Швидкість світла була однаковою – незалежно від того, куди направляли інтерферометр – в одному напрямку з Землею, перпендикулярно їй або у зворотний бік / © Albert A. Michelson / E. Morley

2. Відкриття «примарної частинки» – нейтрино

У всіх спостережуваних взаємодіях між частинками енергія завжди зберігається. Вона може перетворюватися з одного типу в інший – потенційну, кінетичну, масу спокою, хімічну, атомну, електричну і так далі, – але не може бути створена або знищена. Саме тому майже століття тому вчені були спантеличені тим, що в деяких радіоактивних розпадах загальна енергія їхніх продуктів була нижчою, ніж у реагентів. Це змусило Нільса Бора дійти до висновку про те, що енергія зберігається завжди, крім випадків, коли вона втрачається. І хоча Бор помилявся, вірні ідеї були у Вольфганга Паулі.

Паулі стверджував, що енергія повинна зберігатися, і в 1930 році запропонував нову частинку – нейтрино. Цей «нейтральний малюк» повинен був не взаємодіяти електромагнітно, але при цьому мати мініатюрну масу й переносити кінетичну енергію. Попри те що багато хто поставився до гіпотези скептично, проведені в 1950-х і 1960-х роках експерименти в підсумку виявили як нейтрино, так і антинейтрино, після чого фізики розробили Стандартну модель і моделі слабкої ядерної взаємодії. Це дивовижний приклад того, як теоретичні передбачення часом наштовхують на дивовижні прориви після розробки правильних експериментальних технік.

3. 99,9% маси атома знаходиться у надщільному ядрі

Чули про «пудингову модель атома»? Сьогодні це звучить дивно, але на початку XX століття це була загальноприйнята модель атомів, відповідно до якої атоми складалися з негативно заряджених електронів (які поводяться як сливи), що знаходяться в позитивно зарядженому середовищі (який поводиться як пудинг). Це середовище, за уявленнями фізиків, заповнювало весь простір. Електрони можна вибити або вилучити з атома, що пояснює феномен статичної електрики. Довгі роки модель Джозефа Джона Томсона з маленькими електронами в позитивно зарядженому субстраті була загальноприйнятою. Поки її не вирішив перевірити Ернест Резерфорд.

Резерфорд вважав, що при пуску заряджених частинок (продуктів радіоактивного розпаду) по тонкому листу золота вони повністю пройдуть через нього. Багато хто дійсно пройшов, але частина дивним чином відскочила.

«Це було майже так само неймовірно, як якби ви стріляли 15-дюймовим снарядом в шматок тонкого паперу, а снаряд повернувся б до вас і завдав удару», – згадував пізніше Резерфорд.

Схема эксперимента Резерфорда / © CK12Схема експерименту Резерфорда / © CK12

Він виявив, що атомне ядро, що містить майже всю масу атома, було стиснуте в об’єм розміром в одну квадрильйонну (10-15) від усього обсягу частки. Так народилася сучасна фізика, що заклала фундамент для квантової революції XX століття.

4. Нестабільні високоенергетичні «родичі» звичайних частинок

Найчастіше говорять, що прориви в науці зустрічаються не вигуком «Еврика!», а швидше чимось на кшталт «Це кумедно». Саме це й сталося в фундаментальній фізиці. Так, якщо ви зарядите електроскоп – в якому два листи провідного металу підключені до іншого провідника, – обидва листи отримають один і той самий електричний заряд і в підсумку будуть відштовхувати один одного. Якщо помістити цей електроскоп у вакуум, вони з часом втратять заряд, хоча начебто не повинні. Найкраща із запропонованих ідей щодо цієї втрати заряду полягала в існуванні високоенергетичних частинок, що «б’ють» по Землі з відкритого космосу, – космічних променів – і в тому, що електроскоп розряджає продукти цих зіткнень.

У 1912 році Віктор Хесс провів експерименти на повітряній кулі в пошуках цих високоенергетичних космічних частинок, буквально відразу виявивши їх у великій кількості й ставши батьком космічних променів. Якщо спорудити камеру виявлення з магнітним полем, можна виміряти і швидкість, і співвідношення маси й заряду на основі того, як згинається слід частинки. За допомогою цього методу були виявлені протони, електрони й навіть перші частинки антиматерії, але найдивніше те, що Пол Кунце знайшов слід частинки, яка була схожа на електрон, та перевищувала його масу в сотні разів.

Фейнмановская диаграмма, описывающая превращение нейтрона в протон, электрон и антиэлектронноей нейтрино, объясняющее проблему несохранения энергии в бета-распаде / © Joel HoldsworthФейнманівська діаграма, що описує перетворення нейтрона в протон, електрон і антиелектронне нейтрино, що пояснює проблему незбереження енергії в бета-розпаді / © Joel Holdsworth

Існування мюона, що «живе» 2,2 мікросекунди, було пізніше експериментально підтверджено і зареєстровано Карлом Андерсоном і Сетом Неддермеєром. Коли про існування мюона дізнався нобелівський лауреат Ісидор Рабі, він сказав: «Ну і хто це замовляв?»

Пізніше з’ясувалося, що і у композитних частинок (на кшталт протона і нейтрона), і у фундаментальних (кварки, електрони і нейтрино) є кілька поколінь важчих «родичів», а мюон став першим з відкритих представників другого покоління.

5. Всесвіт почався з вибуху – і з’ясували це несподівано

У 1940 році Георгій Гамов з колегами запропонували радикальну ідею про те, що Всесвіт, який розширюється й вистигає сьогодні, колись був значно гарячішим і щільнішим. Якщо зануритися глибоко в минуле, ми отримаємо досить гарячий Всесвіт для іонізації всієї його речовини. Якщо повернутися ще далі, розпадуться атомні ядра. Цю ідею назвали Великим вибухом, і згідно з нею зробили два важливі прогнози:

  1. Всесвіт, відомий нам, повинен мати в собі матерію, що складається не тільки з протонів і електронів, а й з суміші легких елементів, сплавлених разом за часів раннього, високоенергетичного Всесвіту;
  2. Коли Всесвіт досить охолов для утворення нейтральних атомів, з’явилося високоенергетичне випромінювання, що вічно рухається прямою лінією, поки вона з чимось не зіткнеться, зміститься в червоний спектр і втратить енергію при розширенні Всесвіту.

Також передбачили, що цей «космічний мікрохвильовий фон» – або реліктове випромінювання – має температуру всього на кілька градусів вище абсолютного нуля.

Согласно оригинальным наблюдениям Пензиаса и Уилсона, галактическя плоскость имела несколько астрофизических источников излучения (в центре), но над ней и под ней наблюдался только практически идеально равномерный фон излучения / © NASA/WMAP

Згідно з оригінальними спостереженнями Пензіаса й Вілсона, галактична площина мала кілька астрофізичних джерел випромінювання (в центрі), але над нею і під нею спостерігався тільки практично ідеально рівномірний фон випромінювання / © NASA / WMAP

У 1964 році Боб Уїлсон і Арно Пензіас випадково побачили залишкове світіння Великого вибуху. Працюючи з радіоантеною в лабораторіях Белла, вони виявили рівномірний шум в будь-якій ділянці неба. І це не було Сонце, Галактика або земна атмосфера. Вони й гадки не мали, що це взагалі таке. Вчені вирішили прочистити внутрішню частину антени швабрами, прогнавши в процесі голубів, але шум не пропав. Тільки після того, як вони показали результати фізику, знайомому з детальними пророкуваннями групи з Прінстона (Роберт Дікке, Джеймс Піблс, Девід Уілкінсон та інші) і радіометром, який вони будували для реєстрації саме цього типу сигналу, стало зрозуміло, наскільки важливою є їхня знахідка. Так вперше в історії науки з’явилися дані про походження Всесвіту.

Озираючись на весь обсяг наукових знань, доступних сьогодні, на силу наукових прогнозів і на те, як століття відкриттів змінили життя людства, хочеться думати, що наука – постійна прогресія ідей. Однак це навряд чи можна сказати про історію науки, повну сюрпризів і суперечок. Вчені стикаються з ризиками, досліджують новаторські сценарії і «б’ють» в цілі, у які ніхто не бив раніше. Нехай історії, до яких ми звернулися в цій статті, і сповнені успішних відкриттів, реальна історія науки кишить глухими кутами, невдалими експериментами й елементарними помилками. Але, хай там як, відкритий розум, готовність і можливість відчувати ідеї, а ще здатність вчитися на основі отриманих результатів і переглядати зроблені висновки – все це допомагає не дати науці зануритися в темряву і прагнути до світла нових знань.

Переклад матеріалу в Naked Science

Несподіванки в історії розуміння Всесвіту: 5 випадкових наукових відкриттів

Тобі може бути цікаво:

5 препаратів, що здійснили революцію в 2018-му

 

Твій Бро LVIV.COM

Ділися або не палися

Зараз читають