Cinco descobertas da física fundamental, que acabaram sendo uma completa surpresa

Campo Profundo Extremo de Hubble - nossa imagem mais detalhada do Universo, mostrando as galáxias que existiam no momento em que a idade do Universo era de 3 a 4% da atual. O fato de termos podido ver tanto, apenas por um longo tempo estudando a parte do céu que parecia negra, também foi uma surpresa incrível - mas ele não entrou na lista

Estudando o método do conhecimento científico, imaginamos um procedimento claro, após o qual você pode entender os processos naturais que ocorrem no universo. Começamos com uma ideia, realizamos um experimento e o confirmamos ou refutamos, dependendo do resultado. Isso é apenas o mundo real é muito mais confuso. Às vezes, você pode realizar um experimento e obter um resultado fundamentalmente diferente das expectativas. Às vezes, uma explicação correta exige que a imaginação vá muito além dos limites das conclusões razoáveis ​​e lógicas. Hoje entendemos bem o universo, mas no caminho para isso encontramos muitas surpresas. Fazendo mais progresso, certamente encontraremos outra coisa. Aqui está uma excursão histórica descrevendo as cinco maiores surpresas da história da ciência.


Se você disparar um canhão com um núcleo na direção oposta ao movimento do carro e com exatamente a mesma velocidade, como resultado, a velocidade do projétil será zero. Se atirássemos com luz, ela sempre se moveria na velocidade da luz

1) A velocidade da luz não muda devido à velocidade da fonte. Imagine que você jogou a bola muito forte. Dependendo do esporte que você gosta, ele pode atingir velocidades de até 45 m / s. Agora imagine que você está em um trem se movendo a uma velocidade de 135 m / s. Se você atirar uma bola de um trem na direção de seu movimento, com que rapidez ele voará? Basta somar a velocidade - 180 m / s. Agora imagine que, em vez de uma bola, você emitisse um raio de luz. Acrescente a velocidade da luz e a velocidade do trem - e obtenha a resposta errada.


O interferômetro Michelson (acima) mostrou uma mudança insignificante no comportamento da luz (abaixo, sólido) em comparação com o que teria acontecido se a lei da relatividade da Galiléia (abaixo, linha pontilhada) funcionasse. A velocidade da luz permaneceu constante, independentemente da direção da orientação do interferômetro - incluindo a direção paralela ou perpendicular ao movimento da Terra no espaço.

Essa idéia era central na teoria especial da relatividade de Einstein, mas não foi Einstein quem a descobriu experimentalmente; foi Albert Michelson , cujo trabalho pioneiro demonstrou esse resultado na década de 1880. Se você lança um raio de luz na direção do movimento da Terra, perpendicular a essa direção ou na direção oposta - não há diferença. A luz sempre se move na mesma velocidade: c, a velocidade da luz no vácuo. Michelson desenvolveu um interferômetro para medir a velocidade da Terra em relação ao éter e, em vez disso, abriu o caminho para a relatividade. Seu Prêmio Nobel de 1907 continua sendo o resultado zero mais famoso e o mais importante na história da ciência.


Átomo de hélio com núcleo em escala aproximada

2) 99,99% da massa do átomo é concentrada em um núcleo incrivelmente denso. Você já ouviu falar do " modelo de pudim de átomos "? Hoje parece estranho, mas no início do século XX era geralmente aceito que um átomo consistia em uma mistura de elétrons com carga negativa (passas) incorporados em uma substância com carga positiva (pudim) que preenche todo o espaço. Os elétrons podem ser removidos, o que explica o fenômeno da eletricidade estática. Durante anos, o modelo de átomo composto da Thomson, com pequenos elétrons localizados em um substrato carregado positivamente, tem sido comum. Até Ernest Rutherford decidiu dar uma olhada.


A experiência de Rutherford com folha de ouro mostrou que um átomo está quase vazio, mas a certa altura há uma concentração de massa significativamente maior que a massa de uma partícula alfa: o núcleo atômico.

Ao lançar partículas carregadas de alta energia (de decomposição radioativa) em uma folha muito fina de folha de ouro, Rutherford esperava que passassem por ela. A maioria deles fez isso, mas alguns saltaram espetacularmente! Como Rutherford lembra:

Foi a coisa mais incrível que aconteceu comigo na minha vida. Era quase tão inacreditável como se você atirasse em uma casca de quinze polegadas em um guardanapo, e ele batesse nela e atingisse você.

Rutherford descobriu um núcleo atômico contendo quase a massa inteira de um átomo e limitado a um volume de 10 a ¹⁵ do tamanho de todo o átomo. Assim nasceu a física moderna, abrindo o caminho para a revolução quântica do século XX.


Dois tipos (emissores e não irradiantes) de decaimento beta de um nêutron . O decaimento beta, diferentemente do decaimento alfa ou gama, não economiza energia - a menos que você possa detectar neutrinos.

3) A falta de energia levou à descoberta de uma pequena partícula quase invisível. Em todas as interações observadas entre partículas, a energia é sempre conservada. Pode ser transformado de um tipo para outro - potencial, cinético, de repouso, químico, atômico, elétrico, etc. - mas não pode ser criado ou destruído. Portanto, quase cem anos atrás, foi tão surpreendente saber que alguns produtos de decaimento radioativo produzem energia um pouco menos total do que os reagentes originais. Isso levou Bohr à idéia de que a energia é sempre salva ... exceto quando perdida. Mas Bohr estava errado e Pauli teve outra ideia.


A conversão de um nêutron em um nêutron de próton, elétron e anti-elétron é uma solução para o problema da não conservação de energia em decaimento beta

Pauli argumentou que a energia deveria ser conservada; portanto, na década de 1930, ele sugeriu a existência de uma nova partícula: neutrino. Essa partícula de "pequeno nêutron" não entrava em interações magnéticas, mas possuía uma massa minúscula e carregava energia cinética. Muitos eram céticos, mas em experimentos entre os produtos das reações nucleares nas décadas de 1950 e 1960, foram encontrados neutrinos e antineutrinos, o que ajudou a levar os físicos ao Modelo Padrão e ao modelo de interações nucleares fracas. Este é um excelente exemplo de como as previsões teóricas às vezes podem levar a grandes avanços após o desenvolvimento de tecnologias experimentais apropriadas.


Quarks, antiquarks e gluons no Modelo Padrão têm uma carga de cor - além de outras propriedades como massa e carga elétrica. Todas essas partículas, até onde sabemos, são pontuais e estão distribuídas por três gerações

4) Todas as partículas com as quais interagimos têm parentes instáveis ​​de alta energia. Costuma-se dizer que as realizações científicas geralmente não são recebidas com a exclamação de "eureka", mas com a observação "hmm, isso é estranho ..." - mas na física fundamental a primeira opção também ocorreu. Se você carregar um eletroscópio - no qual duas folhas de metal condutoras estão conectadas a outro condutor - ambas as folhas receberão a mesma carga e serão repelidas. Se você colocá-lo no vácuo, as folhas não devem perder cargas, mas elas as perdem com o tempo. A melhor explicação para isso foi que partículas de alta energia, raios cósmicos voam do espaço sideral para a Terra, e o resultado de suas colisões descarregou o eletroscópio.


A astronomia dos raios cósmicos se originou em 1912, quando Victor Hess foi de balão para a atmosfera superior e descobriu partículas caindo do espaço para a Terra.

Em 1912, Victor Hess, usando um balão, conduziu um experimento para procurar essas partículas cósmicas de alta energia e imediatamente as descobriu em abundância, tornando-se o pai dos raios cósmicos. Ao construir uma câmara com um campo magnético, pode-se medir a velocidade e a razão de carga / massa com base na curvatura do caminho da partícula. Prótons, elétrons e até as primeiras partículas de antimatéria foram descobertas dessa maneira, mas a maior surpresa ocorreu em 1933, quando Paul Kunz, trabalhando com raios cósmicos, encontrou um traço de uma partícula muito semelhante a um elétron, apenas cem vezes mais pesada!


O primeiro dos múons descobertos, juntamente com outras partículas de raios cósmicos, possuía a mesma carga que um elétron, apenas com uma massa centenas de vezes maior - isso era evidente pela velocidade e raio de curvatura do caminho.

A existência de um múon com uma vida útil de apenas 2,2 μs foi confirmada mais tarde pela experiência, quando foi descoberto por Karl Anderson e seu aluno Seth Neddermeier usando a câmera terrestre de Wilson . Quando o físico Isidor Rabi , que ele próprio ganhou o Prêmio Nobel pela descoberta da ressonância magnética nuclear, descobriu a existência de um múon, proferiu a agora famosa frase: "Quem pediu isso?" Mais tarde, verificou-se que tanto as partículas compostas (prótons e nêutrons) quanto as fundamentais (quarks, elétrons, neutrinos) possuem várias gerações de parentes mais pesados, e o múon se tornou a primeira das partículas abertas da "segunda geração".


Quanto mais você olha para o espaço, mais olha para o tempo. Com o tempo, você não pode olhar além de 13,8 bilhões de anos: esta é a nossa estimativa da idade do universo. Extrapolar os dados de volta aos primeiros tempos levou à ideia do Big Bang.

5) O universo começou com o Big Bang, mas essa descoberta foi feita por acidente. Na década de 1940, Georgy Antonovich Gamov e colegas propuseram uma idéia radical: o Universo, que atualmente está se expandindo e esfriando, no passado não era apenas mais quente e denso, mas arbitrariamente quente e denso. Se você extrapolar de volta o suficiente, obtém um universo quente o suficiente para ionizar toda a matéria nele e ainda mais decaimento dos núcleos atômicos. A idéia ganhou fama como o Big Bang, e duas previsões principais surgiram:
1. No universo com o qual começamos, deveria haver não apenas prótons e elétrons, mas toda uma mistura de elementos de luz sintetizados juntos em altas energias.
2. Quando o Universo esfria o suficiente para formar átomos neutros, a radiação de alta energia é liberada e viaja em linha reta para sempre, até tropeçar em algo, experimentando um desvio para o vermelho e perdendo energia quando o Universo se expande.

Eles previram que a temperatura dessa "radiação relíquia" seria vários graus acima do zero absoluto.


De acordo com as observações iniciais de Penzias e Wilson, existem várias fontes de radiação (no meio) no plano galáctico, mas havia um fundo quase perfeitamente uniforme acima e abaixo

Em 1964, Arno Penzias e Bob Wilson descobriram acidentalmente a radiação residual do Big Bang. Trabalhando com a antena de rádio nos laboratórios de Bell para estudar o radar, eles descobriram que havia um ruído uniforme vindo de todo o céu. Não era o Sol, nem a Galáxia, nem a atmosfera da Terra - mas eles não sabiam o que era. Eles limparam a superfície da antena com panos, dispersaram os pombos, mas o barulho não foi a lugar nenhum. Somente quando o físico viu os resultados das medições, familiarizado com as previsões detalhadas do grupo de Princeton (Dick, Peebles, Wilkinson etc.), e com o radiômetro, construído apenas para detectar esse sinal, eles entenderam o significado do que encontraram. Pela primeira vez, a origem do universo ficou conhecida.


As flutuações quânticas inerentes ao espaço se estenderam por todo o universo durante a inflação cósmica e deram origem a estrelas, galáxias e outras estruturas em larga escala do universo que hoje conhecemos. Para 2017, essa é a melhor ideia da origem da estrutura e da matéria do universo.

Olhando para trás, para o conhecimento científico reunido hoje, suas habilidades preditivas e como séculos de descoberta transformaram nossas vidas, pode-se ficar tentado a olhar para a ciência como um constante desenvolvimento de idéias. Mas, na realidade, a história da ciência é confusa, cheia de surpresas e carregada de desentendimentos. Para quem trabalha na fronteira do conhecimento moderno, a ciência é um risco, aprendendo novos cenários, tentando ir em uma direção desconhecida. A história deixada em nossa memória é cheia de sucessos, mas a história real é cheia de becos sem saída, experiências malsucedidas e erros óbvios. No entanto, uma mente aberta, o desejo e a capacidade de testar idéias, nossa capacidade de aprender com os resultados e revisar conclusões, nos levam das trevas para a luz. E no final, todos se beneficiam com isso.