Hubble Extreme Deep Field - notre image la plus détaillée de l'Univers, montrant les galaxies qui existaient à une époque où l'âge de l'Univers était de 3 à 4% de celui actuel. Le fait que nous ayons pu voir tant de choses, juste pendant longtemps, en étudiant la partie du ciel qui semblait noire, a également été une surprise incroyable - mais il n'a pas été inscrit sur la liste.En étudiant la méthode de la connaissance scientifique, nous imaginons une procédure claire, à la suite de laquelle vous pouvez obtenir une compréhension des processus naturels se produisant dans l'univers. Nous commençons par une idée, réalisons une expérience et la confirmons ou la réfutons, selon le résultat. C'est juste que le monde réel est beaucoup plus compliqué. Parfois, vous pouvez mener une expérience et obtenir un résultat fondamentalement différent des attentes. Parfois, une explication correcte nécessite que l'imagination dépasse largement les limites des conclusions raisonnables et logiques. Aujourd'hui, nous comprenons bien l'Univers, mais sur le chemin de cela, nous avons rencontré de nombreuses surprises. En progressant encore, nous tomberons sûrement sur autre chose. Voici une excursion historique décrivant les cinq plus grandes surprises de l'histoire des sciences.
Si vous tirez un canon avec un noyau dans la direction opposée au mouvement de la voiture, et avec exactement la même vitesse, la vitesse du projectile sera donc nulle. Si nous tournions avec de la lumière, elle se déplacerait toujours à la vitesse de la lumière1) La vitesse de la lumière ne change pas en raison de la vitesse de la source. Imaginez que vous lanciez la balle très fort. Selon le sport que vous aimez, il peut atteindre des vitesses allant jusqu'à 45 m / s. Imaginez maintenant que vous êtes dans un train roulant à une vitesse de 135 m / s. Si vous lancez une balle d'un train dans le sens de son mouvement, à quelle vitesse volera-t-elle? Ajoutez simplement la vitesse - 180 m / s. Imaginez maintenant qu'au lieu d'une boule, vous émettiez un rayon de lumière. Additionnez la vitesse de la lumière et la vitesse du train - et obtenez la mauvaise réponse.
L'interféromètre de Michelson (ci-dessus) a montré un changement négligeable dans le comportement de la lumière (ci-dessous, solide) par rapport à ce qui se serait produit si la loi de relativité galiléenne (ci-dessous, ligne pointillée) avait fonctionné. La vitesse de la lumière est restée constante quelle que soit la direction d'orientation de l'interféromètre - y compris la direction parallèle ou perpendiculaire au mouvement de la Terre dans l'espace.Cette idée était au cœur de la théorie spéciale de la relativité d'Einstein, mais ce n'est pas Einstein qui l'a découverte expérimentalement; c'est
Albert Michelson , dont le travail de pionnier a démontré ce résultat dans les années 1880. Que vous lanciez un rayon de lumière dans la direction du mouvement de la Terre, perpendiculaire à cette direction ou dans la direction opposée - il n'y a pas de différence. La lumière se déplace toujours à la même vitesse: c, la vitesse de la lumière dans le vide. Michelson a développé un interféromètre pour mesurer la vitesse de la Terre par rapport à l'
éther , et a plutôt ouvert la voie à la relativité. Son prix Nobel de 1907 reste le résultat nul le plus célèbre et le plus important de l'histoire des sciences.
Atome d'hélium avec un noyau à une échelle approximative2) 99,99% de la masse de l'atome est concentrée dans un noyau incroyablement dense. Avez-vous entendu parler du «
modèle de pudding à l'atome »? Aujourd'hui, cela semble étrange, mais au début du 20e siècle, il était généralement admis qu'un atome se compose d'un mélange d'électrons chargés négativement (raisins secs) incorporés dans une substance chargée positivement (pudding) qui remplit tout l'espace. Des électrons peuvent en être retirés, ce qui explique le phénomène de l'électricité statique. Depuis des années, le modèle d'atome composite de Thomson, avec de petits électrons situés sur un substrat chargé positivement, est courant. Jusqu'à ce qu'Ernest Rutherford décide de le vérifier.
L’expérience de Rutherford avec la feuille d’or a montré qu’un atome est en grande partie vide, mais à un moment donné, il y a une concentration de masse nettement supérieure à la masse d’une particule alpha: le noyau atomique.En lançant des particules chargées à haute énergie (provenant de la désintégration radioactive) dans une très mince feuille de feuille d'or, Rutherford s'attendait à ce qu'elles la traversent. La plupart d'entre eux l'ont fait, mais certains ont rebondi de façon spectaculaire! Comme le rappelle Rutherford:
C'était la chose la plus incroyable qui me soit arrivée de ma vie. C'était presque aussi incroyable que si vous tiriez un obus de quinze pouces dans une serviette, et il rebondissait dessus et vous frappait.
Rutherford a découvert un noyau atomique contenant presque toute la masse d'un atome et limité à un volume de 10 à
15 de la taille de l'atome entier. Ainsi est née la physique moderne, ouvrant la voie à la révolution quantique du XXe siècle.
Deux types (émettant et non rayonnant) de désintégration bêta d'un neutron . La désintégration bêta, contrairement à la désintégration alpha ou gamma, ne conserve pas l'énergie - sauf si vous pouvez détecter les neutrinos.3) «L'énergie manquante» a conduit à la découverte d'une minuscule particule presque invisible. Dans toutes les interactions observées entre particules, l'énergie est toujours conservée. Il peut être transformé d'un type à un autre - potentiel, cinétique, masse au repos, chimique, atomique, électrique, etc. - mais il ne peut être ni créé ni détruit. Il y a donc près de cent ans, il était si surprenant d'apprendre que certains produits de désintégration radioactifs produisent un peu moins d'énergie totale que les réactifs d'origine. Cela a conduit Bohr à l'idée que l'énergie est toujours économisée ... sauf en cas de perte. Mais Bohr avait tort et Pauli avait une autre idée.
La conversion d'un neutron en neutron protonique, électronique et antiélectronique est une solution au problème de la non-conservation de l'énergie dans la désintégration bêtaPauli a soutenu que l'énergie devrait être conservée, alors dans les années 1930, il a suggéré l'existence d'une nouvelle particule: le neutrino. Cette "petite particule de neutron" n'est pas entrée dans des interactions magnétiques, mais a plutôt possédé une masse minuscule et a emporté l'énergie cinétique. Beaucoup étaient sceptiques, mais dans des expériences parmi les produits des réactions nucléaires dans les années 1950 et 1960, des neutrinos et des antineutrinos ont finalement été trouvés, ce qui a aidé à amener les physiciens au modèle standard et au modèle des interactions nucléaires faibles. Ceci est un excellent exemple de la façon dont les prédictions théoriques peuvent parfois conduire à de formidables percées après le développement de technologies expérimentales appropriées.
Les quarks, antiquarks et gluons du modèle standard ont une charge de couleur - en plus d'autres propriétés comme la masse et la charge électrique. À notre connaissance, toutes ces particules sont ponctuelles et réparties sur trois générations4) Toutes les particules avec lesquelles nous interagissons ont des parents instables de haute énergie. On dit souvent que les réalisations scientifiques sont généralement rencontrées non pas avec l'exclamation de "eureka", mais avec la remarque "hmm, c'est étrange ..." - mais en physique fondamentale, la première option s'est également produite. Si vous chargez un
électroscope - dans lequel deux feuilles métalliques conductrices sont connectées à un autre conducteur - les deux feuilles recevront la même charge et se repousseront. Si vous le placez dans le vide, les feuilles ne devraient pas perdre de charges, mais elles les perdent avec le temps. La meilleure explication à cela était que les particules de haute énergie, les rayons cosmiques volaient de l'espace vers la Terre, et le résultat de leurs collisions déchargeait l'électroscope.
L'astronomie des rayons cosmiques est née en 1912, lorsque Victor Hess est allé en ballon dans la haute atmosphère et a découvert des particules tombant sur Terre depuis l'espace.En 1912, Victor Hess, à l'aide d'un ballon, a mené une expérience pour rechercher ces particules cosmiques de haute énergie, et les a immédiatement découvertes en abondance, devenant le père des rayons cosmiques. En construisant une chambre avec un champ magnétique, on peut mesurer la vitesse et le rapport de la charge à la masse en fonction de la courbure du trajet des particules. Les protons, les électrons et même les premières particules d'antimatière ont été découverts de cette façon, mais la plus grande surprise s'est produite en 1933, lorsque Paul Kunz, en travaillant avec les rayons cosmiques, a trouvé la trace d'une particule très similaire à un électron, seulement cent fois plus lourde!
Le premier des muons découverts, ainsi que d'autres particules de rayons cosmiques, s'est avéré posséder la même charge qu'un électron, mais avec une masse des centaines de fois plus grande - cela était évident par sa vitesse et son rayon de courbure du cheminL'existence d'un muon d'une durée de vie de seulement 2,2 μs a été confirmée plus tard par l'expérience lorsqu'il a été découvert par Karl Anderson et son élève Seth Neddermeier à l'aide de
la caméra au sol
de Wilson . Lorsque le physicien
Isidor Rabi , qui a lui-même remporté le prix Nobel pour la découverte de la résonance magnétique nucléaire, a découvert l'existence d'un muon, il a prononcé la phrase désormais célèbre: "Qui a commandé cela?" Plus tard, il a été constaté que les particules composites (protons et neutrons) et fondamentales (quarks, électrons, neutrinos) possèdent plusieurs générations de parents plus lourds, et le muon est devenu la première des particules ouvertes de «deuxième génération».
Plus vous regardez dans l'espace, plus vous regardez dans le temps. Avec le temps, vous ne pouvez pas regarder plus loin que 13,8 milliards d'années: c'est notre estimation de l'âge de l'univers. L'extrapolation des données aux temps les plus reculés a conduit à l'idée du Big Bang.5) L'univers a commencé avec le Big Bang, mais cette découverte a été faite par accident. Dans les années 40,
Georgy Antonovich Gamov et ses collègues ont avancé une idée radicale: l'Univers, qui est actuellement en expansion et en refroidissement, était par le passé non seulement plus chaud et plus dense, mais arbitrairement chaud et dense. Si vous extrapolez suffisamment loin, vous obtenez un univers suffisamment chaud pour ioniser toute la matière qu'il contient, et même pourrir davantage les noyaux atomiques. L'idée est devenue célèbre sous le nom de Big Bang, et deux prédictions principales en sont sorties:
1. Dans l'Univers avec lequel nous avons commencé, il aurait dû y avoir non seulement des protons et des électrons, mais tout un mélange d'éléments lumineux synthétisés ensemble à des énergies élevées.
2. Lorsque l'Univers s'est suffisamment refroidi pour former des atomes neutres, le rayonnement de haute énergie s'est libéré et se déplace en ligne droite pour toujours jusqu'à ce qu'il tombe sur quelque chose, subissant un décalage vers le rouge et perdant de l'énergie lorsque l'Univers se développe.
Ils ont prédit que la température de ce "rayonnement relique" serait de plusieurs degrés au-dessus du zéro absolu.
Selon les premières observations de Penzias et Wilson, il existe plusieurs sources de rayonnement (au milieu) dans le plan galactique, mais il y avait un fond presque parfaitement uniforme au-dessus et en dessousEn 1964, Arno Penzias et Bob Wilson ont accidentellement découvert le rayonnement résiduel du Big Bang. En travaillant avec l'antenne radio dans les laboratoires de Bell pour étudier le radar, ils ont découvert qu'il y avait un bruit uniforme venant de partout dans le ciel. Ce n'était pas le Soleil, pas la Galaxie, pas l'atmosphère de la Terre - mais ils ne savaient pas ce que c'était. Ils ont nettoyé la surface de l'antenne avec des chiffons, dispersé les pigeons, mais le bruit n'est allé nulle part. Ce n'est que lorsque le physicien a vu les résultats de la mesure, familier avec les prévisions détaillées du groupe de Princeton (Dick, Peebles, Wilkinson, etc.), et avec le radiomètre, qui a été construit juste pour détecter un tel signal, qu'ils ont compris la signification de ce qu'ils ont trouvé. Pour la première fois, l'origine de l'univers est connue.
Les fluctuations quantiques inhérentes à l'espace se sont étendues dans tout l'univers pendant l'inflation cosmique et ont donné naissance aux étoiles, aux galaxies et à d'autres structures à grande échelle de l'univers que nous connaissons aujourd'hui. Pour 2017, c'est la meilleure idée de l'origine de la structure et de la matière de l'univers.En repensant aux connaissances scientifiques recueillies aujourd'hui, à leurs capacités prédictives et à la façon dont des siècles de découvertes ont transformé nos vies, on peut être tenté de considérer la science comme un développement constant des idées. Mais en réalité, l'histoire de la science est en désordre, pleine de surprises et chargée de désaccords. Pour ceux qui travaillent à la frontière du savoir moderne, la science est un risque, apprendre de nouveaux scénarios, essayer d'aller dans une direction inconnue. L'histoire laissée dans notre mémoire est pleine de succès, mais la vraie histoire est pleine d'impasses, d'expériences infructueuses et d'erreurs évidentes. Néanmoins, un esprit ouvert, le désir et la capacité de tester des idées, notre capacité à apprendre des résultats et à réviser les conclusions, nous conduisent de l'obscurité à la lumière. Et au final, tout le monde en profite.