Hubble Extreme Deep Field - صورتنا الأكثر تفصيلاً للكون ، والتي تظهر المجرات التي كانت موجودة في وقت كان فيه عمر الكون 3-4 ٪ من العصر الحالي. حقيقة أننا تمكنا من رؤية الكثير ، فقط لفترة طويلة لدراسة جزء السماء الذي بدا أسود ، كانت أيضًا مفاجأة لا تصدق - لكنه لم يدخل في القائمةمن خلال دراسة طريقة المعرفة العلمية ، نتخيل إجراءً واضحًا ، يمكنك بعد ذلك الوصول إلى فهم العمليات الطبيعية التي تحدث في الكون. نبدأ بفكرة ، ونجري تجربة ، ونؤكدها أو ندحضها ، اعتمادًا على النتيجة. هذا فقط العالم الحقيقي هو أكثر فوضى. في بعض الأحيان يمكنك إجراء تجربة والحصول على نتيجة تختلف بشكل أساسي عن التوقعات. يتطلب التفسير الصحيح أحيانًا أن يتجاوز الخيال حدود الاستنتاجات المعقولة والمنطقية. اليوم نحن نفهم الكون جيدًا ، ولكن في طريقنا إلى هذا التقينا بالعديد من المفاجآت. بإحراز المزيد من التقدم ، فإننا بالتأكيد سوف نتعثر في شيء آخر. هذه رحلة تاريخية تصف أعظم المفاجآت في تاريخ العلم.
إذا قمت بإطلاق مدفع مع نواة في الاتجاه المعاكس لحركة السيارة ، وبنفس السرعة بالضبط ، ونتيجة لذلك ستكون سرعة المقذوف صفر. إذا قمنا بالتصوير بالضوء ، فسوف يتحرك دائمًا بسرعة الضوء1) لا تتغير سرعة الضوء بسبب سرعة المصدر. تخيل أنك ألقيت الكرة بقوة شديدة. اعتمادًا على الرياضة التي تحبها ، يمكن أن تصل إلى سرعات تصل إلى 45 م / ث. تخيل الآن أنك في قطار تتحرك بسرعة 135 م / ث. إذا رميت كرة من قطار في اتجاه حركته ، ما مدى سرعة الطيران؟ ما عليك سوى إضافة السرعة - 180 م / ث. تخيل الآن أنه بدلاً من الكرة ، قمت بإصدار شعاع من الضوء. اجمع سرعة الضوء وسرعة القطار - واحصل على إجابة خاطئة.
أظهر مقياس تداخل Michelson (أعلاه) تغييرًا ضئيلًا في سلوك الضوء (أدناه ، صلب) مقارنة بما كان سيحدث لو عمل قانون النسبية في الجليل (أدناه ، الخط المنقط). ظلت سرعة الضوء ثابتة بغض النظر عن اتجاه اتجاه مقياس التداخل - بما في ذلك الاتجاه الموازي أو العمودي لحركة الأرض في الفضاء.كانت هذه الفكرة أساسية لنظرية النسبية الخاصة لآينشتاين ، ولكن لم يكن أينشتاين هو الذي اكتشفها تجريبياً. كان
ألبرت ميشيلسون ، الذي أظهر عمله الرائد هذه النتيجة في ثمانينيات القرن التاسع عشر. سواء قمت بإطلاق شعاع من الضوء في اتجاه حركة الأرض ، متعامدًا مع هذا الاتجاه ، أو في الاتجاه المعاكس - لا يوجد فرق. يتحرك الضوء دائمًا بنفس السرعة: ج ، سرعة الضوء في الفراغ. طور ميشيلسون مقياس التداخل لقياس سرعة الأرض بالنسبة إلى
الأثير ، وبدلاً من ذلك مهد الطريق للنسبية. لا تزال جائزة نوبل لعام 1907 هي أشهر نتيجة صفر والأكثر أهمية في تاريخ العلم.
ذرة الهيليوم مع النواة على نطاق تقريبي2) تتركز 99.99٪ من كتلة الذرة في قلب كثيف بشكل لا يصدق. هل سمعت عن "
نموذج بودنغ الذرة "؟ يبدو الأمر غريبًا اليوم ، ولكن في بداية القرن العشرين كان من المقبول عمومًا أن الذرة تتكون من خليط من الإلكترونات سالبة الشحنة (الزبيب) مغمورة في مادة ذات شحنة موجبة (بودنغ) تملأ الفراغ بأكمله. يمكن إزالة الإلكترونات منه ، وهو ما يفسر ظاهرة الكهرباء الساكنة. لسنوات ، كان نموذج ذرة مركب طومسون ، مع إلكترونات صغيرة تقع على ركيزة موجبة الشحنة ، شائعًا. حتى قرر إرنست رذرفورد التحقق من ذلك.
أظهرت تجربة رذرفورد بورق الذهب أن الذرة فارغة في الغالب ، ولكن عند نقطة ما يكون هناك تركيز كتلة أعلى بكثير من كتلة جسيم ألفا: النواة الذرية.من خلال إطلاق جسيمات عالية الطاقة مشحونة (من الاضمحلال الإشعاعي) في ورقة رقيقة جدًا من رقائق الذهب ، توقع روثرفورد مرورها من خلالها. فعل معظمهم ذلك ، لكن البعض ارتد بشكل مذهل! كما يتذكر رذرفورد:
لقد كان الشيء الأكثر روعة الذي حدث لي في حياتي. كان الأمر لا يصدق تقريبًا كما لو كنت أطلقت قذيفة 15 بوصة في منديل ، وكان يرتد عنها ويضربك.
اكتشف رذرفورد نواة ذرية تحتوي تقريبًا على الكتلة الكاملة للذرة وتقتصر على حجم 10
-15 من حجم الذرة بأكملها. هكذا ولدت الفيزياء الحديثة ، مما يمهد الطريق لثورة الكم في القرن العشرين.
نوعان (انبعاث وغير مشع) اضمحلال بيتا للنيوترون . إن تسوس بيتا ، على عكس تسوس ألفا أو غاما ، لا يحافظ على الطاقة - ما لم تتمكن من اكتشاف النيوترينوات.3) أدى "فقدان الطاقة" إلى اكتشاف جسيمات صغيرة تكاد تكون غير مرئية. في جميع التفاعلات الملاحظة بين الجسيمات ، يتم الحفاظ على الطاقة دائمًا. يمكن تحويلها من نوع إلى آخر - محتمل ، حركي ، كتلة راحة ، كيميائية ، ذرية ، كهربائية ، إلخ. - ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. لذلك ، منذ ما يقرب من مائة عام ، كان من المفاجئ جدًا معرفة أن بعض منتجات التحلل الإشعاعي تنتج طاقة كلية أقل قليلاً من الكواشف الأصلية. أدى هذا بوهر إلى فكرة أن الطاقة يتم توفيرها دائمًا ... إلا عند فقدها. لكن بور كان مخطئًا ، وكان لدى باولي فكرة أخرى.
تحويل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد للإلكترون هو حل لمشكلة عدم الحفاظ على الطاقة في اضمحلال بيتاجادل باولي بأنه يجب الحفاظ على الطاقة ، لذلك اقترح في الثلاثينيات وجود جسيم جديد: النيوترينو. لم يدخل هذا الجسيم "النيوتروني الصغير" في تفاعلات مغناطيسية ، ولكنه امتلك بدلاً من ذلك كتلة صغيرة وأخرج طاقة حركية. كان الكثير منهم متشككين ، ولكن في التجارب بين منتجات التفاعلات النووية في الخمسينيات والستينيات ، تم العثور في النهاية على النيوترينوات ومضادات النيوترينوات ، مما ساعد في جلب الفيزيائيين إلى النموذج القياسي ونموذج التفاعلات النووية الضعيفة. هذا مثال رئيسي على كيف يمكن للتنبؤات النظرية أن تؤدي في بعض الأحيان إلى اختراقات رائعة بعد تطوير التقنيات التجريبية المناسبة.
الكواركات والعوارض القديمة والغلوونات في النموذج القياسي لها شحنة ألوان - بالإضافة إلى خصائص أخرى مثل الكتلة والشحنة الكهربائية. كل هذه الجسيمات ، على حد علمنا ، تشبه النقطة ويتم توزيعها على ثلاثة أجيال4) جميع الجسيمات التي نتفاعل معها لها أقارب غير مستقرة ذات طاقة عالية. غالبًا ما يقال أن الإنجازات العلمية لا تُقابل عادةً بعلامة "يوريكا" ، ولكن بعبارة "هم ، هذا غريب ..." - ولكن في الفيزياء الأساسية ، حدث الخيار الأول أيضًا. إذا قمت بشحن
منظار كهربائي - حيث يتم توصيل صفيحتين معدنيتين موصلتين بموصل آخر - فستحصل كلتا الصفيحتين على نفس الشحنة وسيتم صدها. إذا وضعته في فراغ ، يجب ألا تفقد الأوراق الشحن ، لكنها تفقدها بمرور الوقت. أفضل تفسير لذلك هو أن الجسيمات عالية الطاقة والأشعة الكونية تطير من الفضاء الخارجي إلى الأرض ، ونتيجة لتصادماتها تصريف المجهر الكهربائي.
نشأ علم الفلك الشعاعي الكوني في عام 1912 ، عندما ذهب فيكتور هيس بالونًا إلى الغلاف الجوي العلوي واكتشف جزيئات تسقط على الأرض من الفضاء.في عام 1912 ، أجرى فيكتور هيس ، باستخدام بالون ، تجربة للبحث عن هذه الجسيمات الكونية عالية الطاقة ، واكتشفها على الفور بكثرة ، ليصبح والد الأشعة الكونية. من خلال بناء غرفة ذات مجال مغناطيسي ، يمكن للمرء أن يقيس السرعة ونسبة الشحنة إلى الكتلة بناءً على انحناء مسار الجسيمات. تم اكتشاف البروتونات والإلكترونات وحتى الجسيمات الأولى من المادة المضادة بهذه الطريقة ، ولكن المفاجأة الكبرى حدثت في عام 1933 ، عندما وجد بول كونز ، الذي يعمل بالأشعة الكونية ، أثرًا لجسيم مشابه جدًا للإلكترون ، أثقل بمائة مرة فقط!
تبين أن أول الميونات المكتشفة ، مع جزيئات أخرى من الأشعة الكونية ، تمتلك نفس الشحنة التي يمتلكها الإلكترون ، مع كتلة أكبر بمئات المرات فقط - كان ذلك واضحًا من سرعته ونصف قطر انحناء المسارتم تأكيد وجود ميون بعمر 2.2 ثانية فقط في وقت لاحق من خلال التجربة عندما اكتشفه كارل أندرسون وطالبه سيث نديرديرماير باستخدام كاميرا
ويلسون الأرضية. عندما اكتشف الفيزيائي
إيزيدور ربيع ، الذي فاز بنفسه بجائزة نوبل لاكتشاف الرنين المغناطيسي النووي ، عن وجود الميون ، قال العبارة المشهورة الآن: "من أمر بهذا؟" في وقت لاحق ، وجد أن كلا من الجسيمات المركبة (البروتونات والنيوترونات) والأساسية (الكواركات والإلكترونات والنيوترينوات) تمتلك عدة أجيال من الأقارب الثقيل ، وأصبح الميون هو الأول من جزيئات "الجيل الثاني" المفتوحة.
كلما نظرت أبعد إلى الفضاء ، كلما نظرت أبعد في الوقت. بمرور الوقت ، لا يمكنك أن تبحث أكثر من 13.8 مليار سنة: هذا هو تقديرنا لعمر الكون. أدى استقراء البيانات في أقرب وقت إلى فكرة الانفجار الكبير.5) بدأ الكون مع الانفجار الكبير ، لكن هذا الاكتشاف تم عن طريق الصدفة. في الأربعينيات من القرن الماضي ، طرح
Georgy Antonovich Gamov وزملاؤه فكرة جذرية: الكون ، الذي يتوسع ويبرد حاليًا ، لم يكن في الماضي أكثر حرارة وكثافة فحسب ، بل كان ساخنًا وكثيفًا بشكل تعسفي. إذا استقررت بعيدًا بما فيه الكفاية ، فستحصل على كون ساخن بدرجة كافية لتأين كل المادة الموجودة فيه ، وحتى المزيد من تسوس النوى الذرية. اكتسبت الفكرة شهرة باعتبارها الانفجار الكبير ، وخرج منها تنبؤان رئيسيان:
1. في الكون الذي بدأنا به ، كان يجب ألا يكون هناك بروتونات وإلكترونات فحسب ، بل مزيجًا كاملاً من العناصر الضوئية التي يتم توليفها معًا بطاقة عالية.
2. عندما يبرد الكون بما يكفي لتشكيل ذرات محايدة ، فإن الإشعاع عالي الطاقة يتحرر وينتقل إلى الأبد في خط مستقيم حتى يتعثر على شيء ما ، ويواجه انزياحًا أحمر ويفقد الطاقة عندما يتمدد الكون.
وتوقعوا أن تكون درجة حرارة "الإشعاع الناتج" هذا أعلى من الصفر المطلق بعدة درجات.
وفقًا للملاحظات الأولية التي قام بها Penzias و Wilson ، هناك العديد من مصادر الإشعاع (في المنتصف) في مستوى المجرة ، ولكن كانت هناك خلفية موحدة تقريبًا فوق وتحتفي عام 1964 ، اكتشف أرنو بينزياس وبوب ويلسون عن طريق الخطأ الإشعاع المتبقي من الانفجار الكبير. بالعمل مع هوائي الراديو في مختبرات بيل لدراسة الرادار ، وجدوا أن هناك ضوضاء موحدة قادمة من جميع أنحاء السماء. لم تكن الشمس ، ولا المجرة ، ولا الغلاف الجوي للأرض - لكنهم لم يعرفوا ما هو. قاموا بتنظيف سطح الهوائي بخرق ، وفرّقوا الحمام ، لكن الضجيج لم يذهب إلى أي مكان. فقط عندما رأى فيزيائي على دراية بالتنبؤات التفصيلية لمجموعة برينستون (ديك ، بيبلز ، ويلكنسون ، وما إلى ذلك) ، ومع مقياس إشعاع تم بناؤه فقط للكشف عن مثل هذه الإشارة ، وجدوا أهمية ما وجدوه. لأول مرة أصبح أصل الكون معروفًا.
امتدت التقلبات الكمومية الكامنة في الفضاء في جميع أنحاء الكون خلال التضخم الكوني ، وأدت إلى ظهور النجوم والمجرات وغيرها من الهياكل الكبيرة للكون المعروفة لنا اليوم. بالنسبة لعام 2017 ، هذه هي أفضل فكرة عن أصل بنية الكون ومادته.إذا نظرنا إلى الوراء إلى المعارف العلمية التي تم جمعها اليوم ، وقدراتها التنبؤية وكيف أن قرونًا من الاكتشافات حولت حياتنا ، يمكن إغراء النظر إلى العلم باعتباره تطورًا مستمرًا للأفكار. لكن في الواقع ، إن تاريخ العلم فوضوي ومليء بالمفاجآت ومثقل بالخلافات. بالنسبة لأولئك الذين يعملون على حدود المعرفة الحديثة ، العلم هو خطر ، وتعلم سيناريوهات جديدة ، في محاولة للذهاب في اتجاه غير معروف. القصة المتبقية في ذاكرتنا مليئة بالنجاحات ، لكن القصة الحقيقية مليئة بالطرق المسدودة والتجارب الفاشلة والأخطاء الواضحة. ومع ذلك ، فإن العقل المنفتح والرغبة والقدرة على اختبار الأفكار ، وقدرتنا على التعلم من النتائج ومراجعة الاستنتاجات ، يقودنا من الظلام إلى النور. وفي النهاية ، يستفيد الجميع من ذلك.