Hubble Extreme Deep Field - unser detailliertestes Bild des Universums, das die Galaxien zeigt, die zu einer Zeit existierten, als das Alter des Universums 3-4% des aktuellen Alters betrug. Die Tatsache, dass wir so lange sehen konnten, nur um den Teil des Himmels zu studieren, der schwarz schien, war ebenfalls eine unglaubliche Überraschung - aber er wurde nicht auf die Liste gesetztWenn wir die Methode der wissenschaftlichen Erkenntnis studieren, stellen wir uns ein klares Verfahren vor, mit dem Sie die natürlichen Prozesse im Universum verstehen können. Wir beginnen mit einer Idee, führen ein Experiment durch und bestätigen oder widerlegen es je nach Ergebnis. Das ist nur die reale Welt ist viel chaotischer. Manchmal können Sie ein Experiment durchführen und ein Ergebnis erzielen, das sich grundlegend von den Erwartungen unterscheidet. Manchmal erfordert eine korrekte Erklärung, dass die Vorstellungskraft weit über die Grenzen vernünftiger und logischer Schlussfolgerungen hinausgeht. Heute verstehen wir das Universum gut, aber auf dem Weg dorthin haben wir viele Überraschungen erlebt. Wenn wir weitere Fortschritte machen, werden wir sicherlich auf etwas anderes stoßen. Hier ist ein historischer Ausflug, der die fünf größten Überraschungen in der Geschichte der Wissenschaft beschreibt.
Wenn Sie eine Kanone mit einem Kern in die der Bewegung des Autos entgegengesetzte Richtung und mit genau derselben Geschwindigkeit abschießen, ist die Projektilgeschwindigkeit daher Null. Wenn wir mit Licht schießen würden, würde es sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen1) Die Lichtgeschwindigkeit ändert sich aufgrund der Geschwindigkeit der Quelle nicht. Stellen Sie sich vor, Sie haben den Ball sehr hart geworfen. Je nach Sportart können Geschwindigkeiten von bis zu 45 m / s erreicht werden. Stellen Sie sich nun vor, Sie sitzen in einem Zug, der sich mit einer Geschwindigkeit von 135 m / s bewegt. Wenn Sie einen Ball aus einem Zug in Bewegungsrichtung werfen, wie schnell wird er fliegen? Addieren Sie einfach die Geschwindigkeit - 180 m / s. Stellen Sie sich nun vor, Sie hätten anstelle einer Kugel einen Lichtstrahl ausgesendet. Addieren Sie die Lichtgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des Zuges - und erhalten Sie die falsche Antwort.
Das Michelson-Interferometer (oben) zeigte eine vernachlässigbare Änderung des Verhaltens von Licht (unten, fest) im Vergleich zu dem, was passiert wäre, wenn das galiläische Relativitätsgesetz (unten, gepunktete Linie) funktioniert hätte. Die Lichtgeschwindigkeit blieb unabhängig von der Orientierungsrichtung des Interferometers konstant - einschließlich der Richtung parallel oder senkrecht zur Bewegung der Erde im Weltraum.Diese Idee war von zentraler Bedeutung für Einsteins spezielle Relativitätstheorie, aber es war nicht Einstein, der sie experimentell entdeckte; es war
Albert Michelson , dessen Pionierarbeit dieses Ergebnis in den 1880er Jahren demonstrierte. Ob Sie einen Lichtstrahl in Richtung der Erdbewegung, senkrecht zu dieser Richtung oder in die entgegengesetzte Richtung starten - es gibt keinen Unterschied. Licht bewegt sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit: c, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Michelson entwickelte ein Interferometer zur Messung der Geschwindigkeit der Erde relativ zum
Äther und ebnete stattdessen den Weg für die Relativitätstheorie. Sein Nobelpreis von 1907 bleibt das berühmteste Null-Ergebnis und das wichtigste in der Geschichte der Wissenschaft.
Heliumatom mit einem Kern in einem ungefähren Maßstab2) 99,99% der Masse des Atoms sind in einem unglaublich dichten Kern konzentriert. Haben Sie vom „
Atom Pudding Modell “ gehört? Heute scheint es seltsam, aber zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde allgemein angenommen, dass ein Atom aus einer Mischung negativ geladener Elektronen (Rosinen) besteht, die in eine positiv geladene Substanz (Pudding) eingebettet sind, die den gesamten Raum ausfüllt. Es können Elektronen entfernt werden, was das Phänomen der statischen Elektrizität erklärt. Seit Jahren ist das Thomson-Verbundatommodell mit kleinen Elektronen auf einem positiv geladenen Substrat üblich. Bis Ernest Rutherford beschloss, es auszuprobieren.
Rutherfords Erfahrung mit Goldfolie hat gezeigt, dass ein Atom größtenteils leer ist, aber an einem Punkt gibt es eine Massenkonzentration, die signifikant höher ist als die Masse eines Alpha-Teilchens: der Atomkern.Rutherford erwartete, dass hochenergetische geladene Teilchen (vom radioaktiven Zerfall) in ein sehr dünnes Blatt Goldfolie gelangen würden. Die meisten von ihnen taten dies, aber einige prallten spektakulär ab! Wie Rutherford erinnert:
Es war das Unglaublichste, was mir in meinem Leben passiert ist. Es war fast so unglaublich, als ob Sie eine 15-Zoll-Muschel in eine Serviette geschossen hätten, und er würde davon abprallen und Sie schlagen.
Rutherford entdeckte einen Atomkern, der fast die gesamte Masse eines Atoms enthielt und auf ein Volumen von
10-15 der Größe des gesamten Atoms begrenzt war. So wurde die moderne Physik geboren, die den Weg für die Quantenrevolution des 20. Jahrhunderts ebnete.
Zwei Arten (emittierender und nicht strahlender) Beta-Zerfall eines Neutrons . Beta-Zerfall spart im Gegensatz zu Alpha- oder Gamma-Zerfall keine Energie - es sei denn, Sie können Neutrinos nachweisen.3) "Fehlende Energie" führte zur Entdeckung eines winzigen, fast unsichtbaren Teilchens. Bei allen beobachteten Wechselwirkungen zwischen Partikeln bleibt immer Energie erhalten. Es kann von einem Typ in einen anderen umgewandelt werden - Potential, Kinetik, Ruhemasse, chemisch, atomar, elektrisch usw. - aber es kann nicht erstellt oder zerstört werden. Daher war es vor fast hundert Jahren so überraschend zu erfahren, dass einige Produkte radioaktiver Zerfälle etwas weniger Gesamtenergie produzieren als die ursprünglichen Reagenzien. Dies führte Bohr zu der Idee, dass Energie immer gespart wird ... außer wenn sie verloren geht. Aber Bohr hatte Unrecht und Pauli hatte eine andere Idee.
Die Umwandlung eines Neutrons in ein Protonen-, Elektronen- und Anti-Elektronen-Neutrino ist eine Lösung für das Problem der Nichterhaltung der Energie beim Beta-ZerfallPauli argumentierte, dass Energie erhalten bleiben sollte, und schlug in den 1930er Jahren die Existenz eines neuen Teilchens vor: Neutrino. Dieses "kleine Neutron" -Teilchen ging keine magnetischen Wechselwirkungen ein, sondern besaß eine winzige Masse und trug kinetische Energie weg. Viele waren skeptisch, aber in Experimenten mit den Produkten von Kernreaktionen in den 1950er und 1960er Jahren wurden schließlich Neutrinos und Antineutrinos gefunden, die dazu beitrugen, Physiker zum Standardmodell und zum Modell schwacher nuklearer Wechselwirkungen zu bringen. Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie theoretische Vorhersagen nach der Entwicklung geeigneter experimenteller Technologien manchmal zu großen Durchbrüchen führen können.
Quarks, Antiquarks und Gluonen im Standardmodell haben eine Farbladung - zusätzlich zu anderen Eigenschaften wie Masse und elektrischer Ladung. Alle diese Teilchen sind, soweit wir wissen, punktförmig und über drei Generationen verteilt4) Alle Teilchen, mit denen wir interagieren, haben instabile hochenergetische Verwandte. Es wird oft gesagt, dass wissenschaftliche Errungenschaften normalerweise nicht mit dem Ausruf „eureka“, sondern mit der Bemerkung „hmm, das ist seltsam ...“ erreicht werden - aber in der Grundlagenphysik gab es auch die erste Option. Wenn Sie ein
Elektroskop aufladen, bei dem zwei leitfähige Bleche mit einem anderen Leiter verbunden sind, erhalten beide Bleche die gleiche Ladung und stoßen ab. Wenn Sie es in ein Vakuum legen, sollten die Blätter keine Ladungen verlieren, aber sie verlieren sie mit der Zeit. Die beste Erklärung dafür war, dass hochenergetische Teilchen, kosmische Strahlen vom Weltraum zur Erde fliegen und das Ergebnis ihrer Kollisionen das Elektroskop entlud.
Die Astronomie der kosmischen Strahlung entstand 1912, als Victor Hess mit einem Ballon in die obere Atmosphäre fuhr und Teilchen entdeckte, die aus dem Weltraum auf die Erde fielen.Im Jahr 1912 führte Victor Hess mit einem Ballon ein Experiment durch, um nach diesen hochenergetischen kosmischen Teilchen zu suchen, und entdeckte sie sofort im Überfluss und wurde zum Vater der kosmischen Strahlung. Durch den Aufbau einer Kammer mit einem Magnetfeld kann man die Geschwindigkeit und das Verhältnis von Ladung zu Masse basierend auf der Krümmung des Teilchenweges messen. Auf diese Weise wurden Protonen, Elektronen und sogar die ersten Antimaterieteilchen entdeckt. Die größte Überraschung kam jedoch 1933, als Paul Kunz bei der Arbeit mit kosmischen Strahlen eine Spur eines Teilchens fand, das einem Elektron sehr ähnlich und nur hundertmal schwerer war!
Das erste der entdeckten Myonen besaß zusammen mit anderen Teilchen der kosmischen Strahlung die gleiche Ladung wie ein Elektron, nur mit einer hundertfach größeren Masse - dies war an seiner Geschwindigkeit und seinem Krümmungsradius des Weges zu erkennenDie Existenz eines Myons mit einer Lebensdauer von nur 2,2 μs wurde später durch Erfahrung bestätigt, als es von Karl Anderson und seinem Schüler Seth Neddermeier mit
Wilsons bodengestützter
Kamera entdeckt wurde . Als der Physiker
Isidor Rabi , der selbst den Nobelpreis für die Entdeckung der Kernspinresonanz erhielt, von der Existenz eines Myons erfuhr, sprach er den inzwischen berühmten Satz aus: "Wer hat das bestellt?" Später wurde festgestellt, dass sowohl zusammengesetzte Teilchen (Protonen und Neutronen) als auch fundamentale Teilchen (Quarks, Elektronen, Neutrinos) mehrere Generationen schwererer Verwandter besitzen, und das Myon wurde das erste der offenen Teilchen der „zweiten Generation“.
Je weiter Sie in den Raum schauen, desto weiter schauen Sie in die Zeit. Mit der Zeit können Sie nicht weiter als 13,8 Milliarden Jahre schauen: Dies ist unsere Schätzung des Alters des Universums. Die Extrapolation der Daten auf die frühesten Zeiten führte zur Idee des Urknalls.5) Das Universum begann mit dem Urknall, aber diese Entdeckung wurde ganz zufällig gemacht. In den 1940er Jahren brachten
Georgy Antonovich Gamov und Kollegen eine radikale Idee vor: Das Universum, das sich derzeit ausdehnt und abkühlt, war in der Vergangenheit nicht nur heißer und dichter, sondern auch willkürlich heiß und dicht. Wenn Sie weit genug zurück extrapolieren, erhalten Sie ein Universum, das heiß genug ist, um die gesamte Materie darin zu ionisieren, und sogar den weiteren Zerfall der Atomkerne. Die Idee wurde als Urknall berühmt, und zwei wichtige Vorhersagen ergaben sich daraus:
1. In dem Universum, mit dem wir begonnen haben, sollte es nicht nur Protonen und Elektronen geben, sondern eine ganze Mischung von Lichtelementen, die bei hohen Energien zusammen synthetisiert wurden.
2. Wenn sich das Universum ausreichend abgekühlt hat, um neutrale Atome zu bilden, hat sich energiereiche Strahlung freigesetzt und bewegt sich für immer in einer geraden Linie, bis es auf etwas stößt, eine Rotverschiebung erfährt und Energie verliert, wenn sich das Universum ausdehnt.
Sie sagten voraus, dass die Temperatur dieser "Reliktstrahlung" einige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen würde.
Nach ersten Beobachtungen von Penzias und Wilson gibt es mehrere Strahlungsquellen (in der Mitte) in der galaktischen Ebene, aber oben und unten gab es einen nahezu vollkommen gleichmäßigen Hintergrund1964 entdeckten Arno Penzias und Bob Wilson versehentlich die Reststrahlung des Urknalls. Als sie in Bell's Laboratorien mit der Funkantenne arbeiteten, um Radar zu untersuchen, stellten sie fest, dass überall am Himmel gleichmäßige Geräusche zu hören waren. Es war nicht die Sonne, nicht die Galaxie, nicht die Atmosphäre der Erde - aber sie wussten nicht, was es war. Sie säuberten die Oberfläche der Antenne mit Lappen, zerstreuten die Tauben, aber das Geräusch ging nirgendwo hin. Erst als ein Physiker, der mit den detaillierten Vorhersagen der Princeton-Gruppe (Dick, Peebles, Wilkinson usw.) vertraut war, und ein Radiometer, das nur zur Erkennung eines solchen Signals gebaut wurde, die Ergebnisse der Messungen sahen, erkannten sie die Bedeutung dessen, was sie fanden. Zum ersten Mal wurde der Ursprung des Universums bekannt.
Die dem Weltraum innewohnenden Quantenfluktuationen erstreckten sich während der kosmischen Inflation über das gesamte Universum und führten zu den Sternen, Galaxien und anderen großräumigen Strukturen des Universums, die uns heute bekannt sind. Für 2017 ist dies die beste Vorstellung vom Ursprung der Struktur und Materie des Universums.Wenn man auf die heute gesammelten wissenschaftlichen Erkenntnisse, ihre Vorhersagefähigkeiten und die jahrhundertelange Entdeckung unseres Lebens zurückblickt, kann man versucht sein, die Wissenschaft als ständige Weiterentwicklung von Ideen zu betrachten. In Wirklichkeit ist die Geschichte der Wissenschaft jedoch chaotisch, voller Überraschungen und belastet durch Meinungsverschiedenheiten. Für diejenigen, die an der Grenze des modernen Wissens arbeiten, ist Wissenschaft ein Risiko, neue Szenarien zu lernen und zu versuchen, in eine unbekannte Richtung zu gehen. Die Geschichte, die uns in Erinnerung bleibt, ist voller Erfolge, aber die wahre Geschichte ist voller Sackgassen, erfolgloser Erfahrungen und offensichtlicher Fehler. Ein offener Geist, ein Verlangen und die Fähigkeit, Ideen zu testen, unsere Fähigkeit, aus Ergebnissen zu lernen und Schlussfolgerungen zu revidieren, führen uns jedoch von der Dunkelheit zum Licht. Und am Ende profitiert jeder davon.