Hubble Extreme Deep Field: nuestra imagen más detallada del Universo, que muestra las galaxias que existían en un momento en que la edad del Universo era del 3-4% de la actual. El hecho de que pudiéramos ver tanto, solo durante mucho tiempo estudiando la parte del cielo que parecía negra, también fue una sorpresa increíble, pero no entró en la listaAl estudiar el método del conocimiento científico, imaginamos un procedimiento claro, a continuación del cual puede llegar a comprender los procesos naturales que ocurren en el universo. Comenzamos con una idea, llevamos a cabo un experimento y lo confirmamos o refutamos, según el resultado. Eso es solo que el mundo real es mucho más desordenado. A veces puede realizar un experimento y obtener un resultado que es fundamentalmente diferente de las expectativas. A veces, una explicación correcta requiere que la imaginación vaya mucho más allá de los límites de conclusiones razonables y lógicas. Hoy entendemos bien el Universo, pero en el camino nos encontramos con muchas sorpresas. Haciendo un mayor progreso, seguramente tropezaremos con algo más. Aquí hay una excursión histórica que describe las cinco mayores sorpresas en la historia de la ciencia.
Si disparas un cañón con un núcleo en la dirección opuesta al movimiento del automóvil, y con exactamente la misma velocidad, como resultado, la velocidad del proyectil será cero. Si disparamos con luz, siempre se movería a la velocidad de la luz1) La velocidad de la luz no cambia debido a la velocidad de la fuente. Imagine que arrojó la pelota muy fuerte. Dependiendo del deporte que le guste, puede alcanzar velocidades de hasta 45 m / s. Ahora imagine que está en un tren que se mueve a una velocidad de 135 m / s. Si arrojas una pelota desde un tren en la dirección de su movimiento, ¿qué tan rápido volará? Solo suma la velocidad: 180 m / s. Ahora imagine que, en lugar de una bola, emite un rayo de luz. Sume la velocidad de la luz y la velocidad del tren, y obtenga la respuesta incorrecta.
El interferómetro de Michelson (arriba) mostró un cambio insignificante en el comportamiento de la luz (abajo, sólido) en comparación con lo que hubiera sucedido si la ley de relatividad de Galilea (abajo, línea punteada) funcionara. La velocidad de la luz se mantuvo constante independientemente de la dirección de orientación del interferómetro, incluida la dirección paralela o perpendicular al movimiento de la Tierra en el espacio.Esta idea fue fundamental para la teoría especial de la relatividad de Einstein, pero no fue Einstein quien la descubrió experimentalmente; fue
Albert Michelson , cuyo trabajo pionero demostró este resultado en la década de 1880. Si lanza un rayo de luz en la dirección del movimiento de la Tierra, perpendicular a esta dirección, o en la dirección opuesta, no hay diferencia. La luz siempre se mueve a la misma velocidad: c, la velocidad de la luz en el vacío. Michelson desarrolló un interferómetro para medir la velocidad de la Tierra en relación con el
éter , y en su lugar allanó el camino para la relatividad. Su Premio Nobel de 1907 sigue siendo el resultado cero más famoso y el más importante en la historia de la ciencia.
Átomo de helio con un núcleo a escala aproximada2) El 99,99% de la masa del átomo se concentra en un núcleo increíblemente denso. ¿Has oído hablar del "
modelo de pudín atómico "? Hoy parece extraño, pero a principios del siglo XX se aceptaba generalmente que un átomo consiste en una mezcla de electrones cargados negativamente (pasas) incrustados en una sustancia cargada positivamente (pudín) que llena todo el espacio. Se pueden quitar electrones, lo que explica el fenómeno de la electricidad estática. Durante años, el modelo de átomo compuesto de Thomson, con pequeños electrones ubicados en un sustrato cargado positivamente, ha sido común. Hasta que Ernest Rutherford decidió comprobarlo.
La experiencia de Rutherford con la lámina de oro mostró que un átomo está mayormente vacío, pero en un punto hay una concentración de masa que es significativamente mayor que la masa de una partícula alfa: el núcleo atómico.Al lanzar partículas cargadas de alta energía (de la desintegración radiactiva) en una lámina muy delgada de lámina de oro, Rutherford esperaba que la atravesaran. La mayoría lo hizo, ¡pero algunos rebotaron espectacularmente! Como recuerda Rutherford:
Fue lo más increíble que me pasó en mi vida. Era casi tan increíble como si dispararas una cáscara de quince pulgadas en una servilleta, y él rebotaría y te golpearía.
Rutherford descubrió un núcleo atómico que contiene casi toda la masa de un átomo y está limitado a un volumen de
10-15 del tamaño de todo el átomo. Así nació la física moderna, allanando el camino para la revolución cuántica del siglo XX.
Dos tipos (emisores y no radiantes) de desintegración beta de un neutrón . La desintegración beta, a diferencia de la desintegración alfa o gamma, no conserva energía, a menos que pueda detectar neutrinos.3) La "energía faltante" condujo al descubrimiento de una pequeña partícula casi invisible. En todas las interacciones observadas entre partículas, la energía siempre se conserva. Se puede transformar de un tipo a otro: potencial, cinético, masa en reposo, químico, atómico, eléctrico, etc. - pero no se puede crear ni destruir. Por lo tanto, hace casi cien años, fue tan sorprendente saber que algunos productos de las desintegraciones radiactivas producen un poco menos de energía total que los reactivos originales. Esto llevó a Bohr a la idea de que la energía siempre se ahorra ... excepto cuando se pierde. Pero Bohr estaba equivocado, y Pauli tuvo otra idea.
La conversión de un neutrón en un neutrino protónico, electrónico y antielectrónico es una solución al problema de la no conservación de energía en la desintegración betaPauli argumentó que la energía debería conservarse, por lo que en la década de 1930 sugirió la existencia de una nueva partícula: el neutrino. Esta partícula de "pequeño neutrón" no entró en interacciones magnéticas, sino que poseía una pequeña masa y se llevó la energía cinética. Muchos se mostraron escépticos, pero en los experimentos entre los productos de las reacciones nucleares en las décadas de 1950 y 1960, finalmente se encontraron neutrinos y antineutrinos, lo que ayudó a llevar a los físicos al Modelo Estándar y al modelo de interacciones nucleares débiles. Este es un excelente ejemplo de cómo las predicciones teóricas a veces pueden conducir a grandes avances después del desarrollo de tecnologías experimentales apropiadas.
Quarks, antiquarks y gluones en el modelo estándar tienen una carga de color, además de otras propiedades como la masa y la carga eléctrica. Todas estas partículas, hasta donde sabemos, son puntuales y se distribuyen en tres generaciones.4) Todas las partículas con las que interactuamos tienen parientes inestables de alta energía. A menudo se dice que los logros científicos generalmente no se cumplen con la exclamación de "eureka", sino con la observación "hmm, eso es extraño ...", pero en física fundamental la primera opción también ocurrió. Si carga un
electroscopio , en el que dos láminas metálicas conductoras están conectadas a otro conductor, ambas láminas recibirán la misma carga y se repelerán. Si lo coloca en el vacío, las hojas no deben perder cargas, pero las pierden con el tiempo. La mejor explicación para esto fue que las partículas de alta energía, los rayos cósmicos vuelan desde el espacio exterior a la Tierra, y el resultado de sus colisiones descargó el electroscopio.
La astronomía de rayos cósmicos se originó en 1912, cuando Victor Hess subió en globo a la atmósfera superior y descubrió partículas que caían a la Tierra desde el espacio.En 1912, Victor Hess, usando un globo, realizó un experimento para buscar estas partículas cósmicas de alta energía, e inmediatamente las descubrió en abundancia, convirtiéndose en el padre de los rayos cósmicos. Al construir una cámara con un campo magnético, se puede medir la velocidad y la relación de carga a masa en función de la curvatura de la trayectoria de la partícula. Los protones, los electrones e incluso las primeras partículas de antimateria se descubrieron de esa manera, pero la mayor sorpresa se produjo en 1933 cuando Paul Kunz, trabajando con rayos cósmicos, encontró un rastro de una partícula muy similar a un electrón, ¡solo cien veces más pesado!
El primero de los muones descubiertos, junto con otras partículas de rayos cósmicos, resultó tener la misma carga que un electrón, solo que con una masa cientos de veces más grande, esto fue evidente por su velocidad y radio de curvatura del camino.La existencia de un muón con una vida útil de solo 2.2 μs fue confirmada por la experiencia cuando fue descubierta por Karl Anderson y su alumno Seth Neddermeier usando
la cámara terrestre
de Wilson . Cuando el físico
Isidor Rabi , quien ganó el Premio Nobel por el descubrimiento de la resonancia magnética nuclear, descubrió la existencia de un muón, pronunció la famosa frase: "¿Quién ordenó esto?" Más tarde se descubrió que tanto las partículas compuestas (protones y neutrones) como las fundamentales (quarks, electrones, neutrinos) poseen varias generaciones de parientes más pesados, y el muón se convirtió en la primera de las partículas abiertas de "segunda generación".
Cuanto más miras hacia el espacio, más lejos miras en el tiempo. Con el tiempo, no puedes mirar más allá de los 13.800 millones de años: esta es nuestra estimación de la edad del universo. La extrapolación de los datos a los primeros tiempos llevó a la idea del Big Bang.5) El universo comenzó con el Big Bang, pero este descubrimiento se hizo por casualidad. En la década de 1940,
Georgy Antonovich Gamov y sus colegas
propusieron una idea radical: el Universo, que actualmente se está expandiendo y enfriando, en el pasado no solo era más cálido y denso, sino que era arbitrariamente cálido y denso. Si extrapolas lo suficiente, obtienes un universo que está lo suficientemente caliente como para ionizar toda la materia que contiene e incluso una mayor descomposición de los núcleos atómicos. La idea ganó fama como el Big Bang, y de ella salieron dos predicciones principales:
1. En el Universo con el que comenzamos, no solo debería haber protones y electrones, sino toda una mezcla de elementos de luz sintetizados juntos a altas energías.
2. Cuando el Universo se ha enfriado lo suficiente como para formar átomos neutros, la radiación de alta energía se libera y viaja para siempre en línea recta hasta que tropieza con algo, experimenta un desplazamiento al rojo y pierde energía cuando el Universo se expande.
Predijeron que la temperatura de esta "radiación relicta" estaría varios grados por encima del cero absoluto.
Según las observaciones iniciales de Penzias y Wilson, hay varias fuentes de radiación (en el medio) en el plano galáctico, pero había un fondo casi perfectamente uniforme arriba y abajoEn 1964, Arno Penzias y Bob Wilson descubrieron accidentalmente la radiación residual del Big Bang. Trabajando con la antena de radio en los laboratorios de Bell para estudiar el radar, descubrieron que había un ruido uniforme proveniente de todo el cielo. No era el Sol, ni la Galaxia, ni la atmósfera de la Tierra, pero no sabían qué era. Limpiaron la superficie de la antena con trapos, dispersaron las palomas, pero el ruido no llegó a ningún lado. Solo cuando el físico vio los resultados de la medición, familiarizado con las predicciones detalladas del grupo Princeton (Dick, Peebles, Wilkinson, etc.), y con el radiómetro, que fue construido solo para detectar dicha señal, comprendieron la importancia de lo que encontraron. Por primera vez, el origen del universo se hizo conocido.
Las fluctuaciones cuánticas inherentes al espacio se extendieron por todo el universo durante la inflación cósmica, y dieron lugar a las estrellas, galaxias y otras estructuras a gran escala del universo que hoy conocemos. Para 2017, esta es la mejor idea del origen de la estructura y la materia del universo.Mirando hacia atrás al conocimiento científico reunido hoy, sus habilidades predictivas y cómo siglos de descubrimientos han transformado nuestras vidas, uno puede verse tentado a considerar la ciencia como un desarrollo constante de ideas. Pero en realidad, la historia de la ciencia es desordenada, llena de sorpresas y cargada de desacuerdos. Para aquellos que trabajan en la frontera del conocimiento moderno, la ciencia es un riesgo, aprender nuevos escenarios, tratar de ir en una dirección desconocida. La historia que queda en nuestra memoria está llena de éxitos, pero la historia real está llena de callejones sin salida, experiencias sin éxito y errores obvios. Sin embargo, una mente abierta, el deseo y la capacidad de probar ideas, nuestra capacidad de aprender de los resultados y revisar las conclusiones, nos lleva de la oscuridad a la luz. Y al final, todos se benefician de esto.