Lima penemuan fisika fundamental, yang ternyata benar-benar mengejutkan

Hubble Extreme Deep Field - gambar kami yang paling terperinci tentang Alam Semesta, menunjukkan galaksi yang ada pada saat usia Alam Semesta adalah 3-4% dari saat ini. Fakta bahwa kami dapat melihat begitu banyak, hanya untuk waktu yang lama mempelajari bagian langit yang tampak hitam, juga merupakan kejutan yang luar biasa - tetapi ia tidak masuk dalam daftar

Mempelajari metode pengetahuan ilmiah, kami membayangkan sebuah prosedur yang jelas, yang dapat Anda gunakan untuk memahami proses alami yang terjadi di alam semesta. Kami mulai dengan sebuah ide, melakukan percobaan, dan mengkonfirmasi atau membantahnya, tergantung pada hasilnya. Itu hanya dunia nyata yang jauh lebih berantakan. Terkadang Anda dapat melakukan percobaan dan mendapatkan hasil yang secara fundamental berbeda dari harapan. Terkadang penjelasan yang benar membutuhkan imajinasi untuk melampaui batas kesimpulan yang masuk akal dan logis. Hari ini kita memahami Semesta dengan baik, tetapi dalam perjalanannya kita bertemu banyak kejutan. Membuat kemajuan lebih lanjut, kita pasti akan menemukan sesuatu yang lain. Berikut ini adalah perjalanan sejarah yang menggambarkan lima kejutan terbesar dalam sejarah sains.


Jika Anda menembakkan meriam dengan inti ke arah yang berlawanan dengan gerakan mobil, dan dengan kecepatan yang persis sama, akibatnya kecepatan proyektil akan menjadi nol. Jika kita menembak dengan cahaya, itu akan selalu bergerak dengan kecepatan cahaya

1) Kecepatan cahaya tidak berubah karena kecepatan sumber. Bayangkan Anda melempar bolanya dengan sangat keras. Tergantung pada olahraga yang Anda sukai, dapat mencapai kecepatan hingga 45 m / s. Sekarang bayangkan Anda berada di kereta yang bergerak dengan kecepatan 135 m / s. Jika Anda melempar bola dari kereta ke arah gerakannya, seberapa cepat ia akan terbang? Tambahkan saja kecepatan - 180 m / s. Sekarang bayangkan bahwa alih-alih bola yang Anda pancarkan cahaya. Tambahkan kecepatan cahaya dan kecepatan kereta - dan dapatkan jawaban yang salah.


Interferometer Michelson (di atas) menunjukkan perubahan yang dapat diabaikan dalam perilaku cahaya (di bawah, padatan) dibandingkan dengan apa yang akan terjadi jika hukum relativitas Galilea (di bawah, garis putus-putus) bekerja. Kecepatan cahaya tetap konstan terlepas dari arah orientasi interferometer - termasuk arah paralel atau tegak lurus terhadap gerakan Bumi di ruang angkasa.

Gagasan ini adalah pusat teori relativitas khusus Einstein, tetapi bukan Einstein yang menemukannya secara eksperimental; Albert Michelson , yang karya perintisnya mendemonstrasikan hasil ini pada tahun 1880-an. Apakah Anda meluncurkan sinar cahaya ke arah gerakan Bumi, tegak lurus ke arah ini, atau ke arah yang berlawanan - tidak ada perbedaan. Cahaya selalu bergerak dengan kecepatan yang sama: c, kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Michelson mengembangkan interferometer untuk mengukur kecepatan Bumi relatif terhadap eter , dan sebagai gantinya membuka jalan bagi relativitas. Hadiah Nobel 1907-nya tetap merupakan hasil nol paling terkenal dan paling penting dalam sejarah sains.


Atom helium dengan nukleus pada skala perkiraan

2) 99,99% dari massa atom terkonsentrasi di inti yang sangat padat. Pernahkah Anda mendengar tentang " model puding atom "? Hari ini rasanya aneh, tetapi pada awal abad ke-20 secara umum diterima bahwa atom terdiri dari campuran elektron bermuatan negatif (kismis) yang tertanam dalam zat bermuatan positif (puding) yang mengisi seluruh ruang. Elektron dapat dihilangkan darinya, yang menjelaskan fenomena listrik statis. Selama bertahun-tahun, model atom komposit Thomson, dengan elektron kecil yang terletak pada substrat bermuatan positif, telah umum terjadi. Sampai Ernest Rutherford memutuskan untuk memeriksanya.


Pengalaman Rutherford dengan kertas emas menunjukkan bahwa atom sebagian besar kosong, tetapi pada satu titik ada konsentrasi massa yang secara signifikan lebih tinggi daripada massa partikel alfa: inti atom.

Dengan meluncurkan partikel bermuatan energi tinggi (dari peluruhan radioaktif) ke selembar kertas emas yang sangat tipis, Rutherford berharap mereka melewatinya. Kebanyakan dari mereka melakukannya, tetapi beberapa memantul secara spektakuler! Seperti yang diingat Rutherford:

Itu adalah hal paling luar biasa yang terjadi pada saya dalam hidup saya. Hampir tidak bisa dipercaya seolah-olah Anda menembakkan peluru lima belas inci di serbet, dan dia akan bangkit dan memukul Anda.

Rutherford menemukan inti atom yang mengandung hampir seluruh massa atom dan terbatas pada volume 10 ^-15 dari ukuran seluruh atom. Maka lahirlah fisika modern, yang membuka jalan bagi revolusi kuantum abad ke-20.


Dua jenis (pelepasan dan tidak memancarkan) peluruhan beta neutron . Peluruhan beta, tidak seperti peluruhan alfa atau gamma, tidak menghemat energi - kecuali Anda dapat mendeteksi neutrino.

3) "Energi yang hilang" mengarah pada penemuan partikel kecil yang hampir tidak terlihat. Dalam semua interaksi yang diamati antara partikel, energi selalu dilestarikan. Itu dapat ditransformasikan dari satu tipe ke tipe lainnya - potensial, kinetik, massa diam, kimia, atomik, listrik, dll. - tetapi tidak dapat dibuat atau dihancurkan. Karena itu, hampir seratus tahun yang lalu, sangat mengejutkan mengetahui bahwa beberapa produk peluruhan radioaktif menghasilkan energi total yang sedikit lebih sedikit daripada reagen aslinya. Ini membawa Bohr pada gagasan bahwa energi selalu dihemat ... kecuali ketika hilang. Tapi Bohr salah, dan Pauli punya ide lain.


Konversi neutron menjadi proton, elektron, dan anti-elektron neutrino adalah solusi untuk masalah non-konservasi energi dalam peluruhan beta

Pauli berpendapat bahwa energi harus dilestarikan, jadi pada 1930-an ia menyarankan keberadaan partikel baru: neutrino. Partikel "neutron kecil" ini tidak masuk ke dalam interaksi magnetik, melainkan memiliki massa kecil dan membawa energi kinetik. Banyak yang skeptis, tetapi dalam eksperimen di antara produk-produk reaksi nuklir pada 1950-an dan 1960-an, akhirnya neutrino dan antineutrino ditemukan, yang membantu membawa fisikawan ke Model Standar dan model interaksi nuklir yang lemah. Ini adalah contoh utama bagaimana prediksi teoritis kadang-kadang dapat menyebabkan terobosan hebat setelah pengembangan teknologi eksperimental yang tepat.


Quark, antiquark, dan gluon dalam Model Standar memiliki muatan warna - selain properti lainnya seperti muatan massa dan listrik. Semua partikel ini, sejauh yang kita tahu, adalah seperti titik, dan didistribusikan selama tiga generasi

4) Semua partikel yang berinteraksi dengan kita memiliki kerabat berenergi tinggi yang tidak stabil. Sering dikatakan bahwa pencapaian ilmiah biasanya tidak dipenuhi dengan tanda seru “eureka”, tetapi dengan ucapan “hmm, itu aneh ...” - tetapi dalam fisika dasar, pilihan pertama juga terjadi. Jika Anda mengisi daya elektroskop - di mana dua lembaran logam konduktif terhubung ke konduktor lain - kedua lembar akan menerima muatan yang sama dan akan menolak. Jika Anda menempatkannya di ruang hampa, daunnya tidak harus kehilangan muatan, tetapi mereka kehilangannya seiring waktu. Penjelasan terbaik untuk ini adalah bahwa partikel berenergi tinggi, sinar kosmik terbang dari luar angkasa ke Bumi, dan hasil tumbukannya melepaskan elektroskop.


Astronomi sinar kosmik berasal pada tahun 1912, ketika Victor Hess naik balon ke atmosfer atas dan menemukan partikel jatuh ke Bumi dari luar angkasa.

Pada tahun 1912, Victor Hess, menggunakan balon, melakukan percobaan untuk mencari partikel kosmik berenergi tinggi ini, dan segera menemukannya dalam kelimpahan, menjadi bapak sinar kosmik. Dengan membangun ruang dengan medan magnet, seseorang dapat mengukur kecepatan dan rasio muatan terhadap massa berdasarkan kelengkungan jalur partikel. Proton, elektron, dan bahkan partikel antimateri pertama ditemukan seperti itu, tetapi kejutan terbesar terjadi pada tahun 1933 ketika Paul Kunz, yang bekerja dengan sinar kosmik, menemukan jejak partikel yang sangat mirip dengan elektron, hanya seratus kali lebih berat!


Yang pertama dari muon yang ditemukan, bersama dengan partikel-partikel lain dari sinar kosmik, ternyata memiliki muatan yang sama dengan elektron, hanya dengan massa ratusan kali lebih besar - ini terbukti dari kecepatan dan jari-jari kelengkungan jalan.

Keberadaan muon dengan masa hidup hanya 2,2 μs kemudian dikonfirmasi oleh pengalaman ketika ditemukan oleh Karl Anderson dan muridnya Seth Neddermeier menggunakan kamera berbasis darat Wilson . Ketika fisikawan Isidor Rabi , yang sendiri memenangkan Hadiah Nobel atas penemuan resonansi magnetik nuklir, mengetahui tentang keberadaan muon, dia mengucapkan ungkapan yang sekarang terkenal: "Siapa yang memesan ini?" Kemudian ditemukan bahwa kedua partikel komposit (proton dan neutron) dan fundamental (quark, elektron, neutrino) memiliki beberapa generasi kerabat yang lebih berat, dan muon menjadi yang pertama dari partikel terbuka "generasi kedua".


Semakin jauh Anda melihat ke ruang angkasa, semakin jauh Anda melihat waktu. Pada waktunya, Anda tidak dapat melihat lebih jauh dari 13,8 miliar tahun: ini adalah perkiraan kami tentang usia alam semesta. Mengekstrapolasi data kembali ke masa-masa awal memunculkan ide Big Bang.

5) Alam semesta dimulai dengan Big Bang, tetapi penemuan ini dibuat secara tidak sengaja. Pada 1940-an, Georgy Antonovich Gamov dan rekannya mengajukan gagasan radikal: Semesta, yang saat ini mengembang dan mendingin, di masa lalu tidak hanya lebih panas dan lebih padat, tetapi juga panas dan padat. Jika Anda mengekstrapolasi kembali cukup jauh, Anda mendapatkan alam semesta yang cukup panas untuk mengionisasi semua materi di dalamnya, dan bahkan pembusukan inti atom lebih jauh. Gagasan itu mendapatkan ketenaran sebagai Big Bang, dan dua prediksi utama muncul darinya:
1. Di alam semesta yang kita mulai, seharusnya tidak hanya proton dan elektron, tetapi seluruh campuran elemen cahaya disintesis bersama-sama dengan energi tinggi.
2. Ketika Alam Semesta telah cukup dingin untuk membentuk atom-atom netral, radiasi berenergi tinggi telah lepas dan bergerak selamanya dalam garis lurus hingga menemukan sesuatu, mengalami pergeseran merah dan kehilangan energi ketika Alam Semesta mengembang.

Mereka meramalkan bahwa suhu "radiasi kembali" ini akan beberapa derajat di atas nol absolut.


Menurut pengamatan awal oleh Penzias dan Wilson, ada beberapa sumber radiasi (di tengah) di bidang galaksi, tetapi ada latar belakang yang seragam hampir sempurna di atas dan di bawah

Pada tahun 1964, Arno Penzias dan Bob Wilson secara tidak sengaja menemukan sisa radiasi dari Big Bang. Bekerja dengan antena radio di laboratorium Bell untuk mempelajari radar, mereka menemukan ada suara seragam datang dari seluruh langit. Itu bukan Matahari, bukan Galaksi, bukan atmosfer Bumi - tetapi mereka tidak tahu apa itu. Mereka membersihkan permukaan antena dengan kain, membubarkan merpati, tetapi suara itu tidak pergi ke mana pun. Hanya ketika fisikawan melihat hasil pengukuran, akrab dengan prediksi terperinci dari kelompok Princeton (Dick, Peebles, Wilkinson, dll.), Dan dengan radiometer, yang dibangun hanya untuk mendeteksi sinyal seperti itu, mereka memahami pentingnya apa yang mereka temukan. Untuk pertama kalinya, asal mula alam semesta diketahui.


Fluktuasi kuantum yang melekat dalam ruang membentang di seluruh alam semesta selama inflasi kosmik, dan memunculkan bintang-bintang, galaksi, dan struktur skala besar alam semesta yang kita kenal sekarang. Untuk 2017, ini adalah ide terbaik tentang asal-usul struktur dan materi alam semesta.

Melihat kembali pengetahuan ilmiah yang dikumpulkan hari ini, kemampuan prediksi mereka dan bagaimana penemuan selama berabad-abad telah mengubah hidup kita, orang dapat tergoda untuk melihat sains sebagai pengembangan gagasan yang konstan. Namun dalam kenyataannya, sejarah sains berantakan, penuh kejutan dan terbebani oleh ketidaksepakatan. Bagi mereka yang bekerja di perbatasan pengetahuan modern, sains adalah risiko, mempelajari skenario baru, mencoba untuk pergi ke arah yang tidak diketahui. Kisah yang tersisa di ingatan kita penuh dengan kesuksesan, tetapi kisah nyata penuh dengan jalan buntu, pengalaman yang tidak berhasil dan kesalahan yang jelas. Namun demikian, pikiran yang terbuka, keinginan dan kemampuan untuk menguji ide, kemampuan kita untuk belajar dari hasil dan merevisi kesimpulan, menuntun kita dari kegelapan menjadi terang. Dan pada akhirnya, semua orang mendapat manfaat dari ini.