物理学中最伟大的五项发现

【博科园-科学科普】当你学习科学方法的时候，你会想到一个简洁的程序可以通过它来了解一些关于宇宙的自然现象。从一个想法开始，执行一个实验，然后根据结果验证或证明这个想法。只是现实世界比这要复杂得多。有时你做了一个实验，结果与你所期望的完全不同。有时正确的解释需要超出任何理性人的逻辑结论。今天物质世界是很容易理解的，但我们如何来到这里的故事充满了惊喜。如果想进一步发展，可能会有更多的储备。下面我们来回顾一下历史上最伟大的五项发现。

哈勃极深场，是我们迄今为止对宇宙的最深的观测，它揭示了宇宙只有3 - 4%的时代。如此之多的事实，仅仅是在一片空白的天空中发现了这么长时间，这是一个令人难以置信的惊喜，但并没有上榜（本文榜单）。图片版权：NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

No1、当增加光源时，光速不会改变

当一个球从大炮中射出时，向后从一辆卡车以完全相同的速度向相反的方向移动，结果是一个零速度的炮弹。如果光被发射，它总是以光速运动。

想象一下把一个球扔得越快越好。根据你怎么运动运动，你可能会用你的手和手臂来达到每小时100英里(约45米/秒)的速度。现在想象你在火车上(或在飞机上)以惊人的速度移动：每小时300英里(约134米/秒)。如果你把球从火车上扔过来，朝同一个方向移动，球移动的速度有多快？你只要把速度加起来——每小时400英里。现在想象一下，你不是扔一个球，而是发射一束光。把光速加到火车的速度……你会得到一个完全错误的答案。

迈克尔逊干涉仪(上)在光模式(底部，固体)上的变化可以忽略，如果伽利略变换的相对论是真实的(底部，虚线)。光的速度是一样的，不管干涉的方向是怎样的，包括垂直于或与地球在空间中的运动垂直。图片版权：Albert A. Michelson (1881); A. A. Michelson and E. Morley (1887)

这是爱因斯坦狭义相对论的中心思想，但不是爱因斯坦提出了这个实验发现，是阿尔伯特·迈克逊，他在19世纪80年代开创性的工作证明了这一点。不管你是向地球移动的方向发射一束光，垂直于那个方向，还是与这个方向相反，没有什么区别。光总是以同样的速度运动——c，真空中的光速。Michelson开发了他的干涉仪来测量地球通过aether的运动，并为相对论铺平了道路。他在1907年诺贝尔奖仍然是世界上最著名的成果，也是科学史上最重要的成果。

No2、一个原子质量的99.9%集中在一个非常致密的原子核中

一个氦原子与原子核接近比例。图片：Wikimedia Commons user Yzmo

你听说过“葡萄干布丁”的原子模型吗？这听起来很奇怪，但在20世纪初人们普遍认为，原子是由负电荷的电子(如李子)混合而成的，它嵌入了一种充满能量的介质(像布丁一样)，填充了所有的空间。电子可以脱光或被偷，解释静电现象。多年来，J.J.汤姆逊的复合原子模型，普遍接受在一个带正电荷的底物中有小的电子，直到由欧内斯特·卢瑟福的测试。

卢瑟福的金箔实验表明，原子大部分都是空的，但有一处质量浓度远远大于阿尔法粒子的质量——原子核。图片版权：Chris Impey

在很薄的金箔纸上发射高能的带电粒子(从放射性衰变)，卢瑟福完全预料到所有的粒子都会经过，但有一些则被反弹！卢瑟福的讲述：这是我一生中发生过的最不可思议的事情。这简直令人难以置信，就像你在一张纸上发射了15英寸的炮弹，它又回来打了你。卢瑟福所发现的是原子核，几乎包含了所有原子的质量，它的体积只有一千万亿(10 ^-15)。是现代物理学的诞生，它为20世纪的量子革命铺平了道路。

No3、缺少能量导致了一个微小几乎看不见的粒子被发现

中子衰变的两种类型(辐射和非辐射)，衰变与阿尔法或伽马衰变相反，如果没能探测到中微子，就不保存能量。图片版权：Zina Deretsky, National Science Foundation

在我们在粒子间看到的所有相互作用中，能量总是守恒的。它可以从一种类型转变为另一种——势能、动能、静止质量、化学、原子、电子等——但它永远不会被创造或毁灭。这就是为什么在将近一个世纪前，当发现一些放射性物质在其产品中的总能量比最初的反应物稍微少一些时，这是令人费解的。它引导玻尔假设能量总是守恒的…除了当它丢失的时候。但玻尔错了，是保利，他有其他想法。

中子与质子、电子和反电子中微子的转换是对衰变中的能量非守恒问题的解决。图片版权：Joel Holdsworth

泡利争辩说：能量必须是守恒的，所以在1930年他提出了一个新的粒子——中微子。这是个“小而中性”不会在电磁上相互作用，而是会有一个极小的质量，并携带动能的粒子。尽管许多人对此持怀疑态度，但在20世纪50年代和60年代，核反应产物的实验最终发现了中微子和反中微子，这帮助物理学家们建立了标准模型和弱核相互作用的模型。这是一个惊人的例子：理论预测有时会导致惊人的进步，一旦适当的实验技术被开发出来。

No4、所有与我们相互作用的粒子都具有高能量

标准模型的夸克、反夸克和胶子都有颜色电荷，除了质量和电荷等其他性质。图片版权：E. Siegel / Beyond The Galaxy

人们常说科学的进步并不是“eureka”！这很有趣，但这实际上发生在基础物理上！如果你在一个电镜上充电，两个导电金属叶与另一个导体相连——两个叶片都会得到相同的电荷，结果会相互排斥。如果把电镜放在真空中，叶子不应该放电，但随着时间的增加，它们就会放电。我们对这种放电的最好的解释是，有高能粒子从外层空间撞击地球，宇宙射线，这些碰撞的产物导致了电镜放电。

宇宙射线天文学是在1912年诞生的，当时维克多·赫斯(Victor Hess)乘气球飞到大气层的上层，并测量从太空中射入宇宙射线的粒子。图片：American Physical Society

1912年维克多·赫斯(Victor Hess)进行了气球实验，寻找这些高能宇宙粒子，并成为宇宙射线之父。通过构造一个带有磁场的探测室，可以根据粒子的轨迹曲线来测量速度和质量比。质子，电子，甚至是反物质的第一个粒子通过这种方法被探测到，但最大的惊喜出现在1933年，当时保罗·昆兹用宇宙射线，从一个粒子上发现了一个轨道，就像电子一样……除了几百倍的质量！

第一个被探测到的muon和其他宇宙射线粒子，被确定为与电子相同的电荷，但由于它的速度和曲率半径，它比电子要重数百倍。图片版权：Paul Kunze, in Z. Phys. 83 (1933)

后来卡尔·安德森(Carl Anderson)和他的学生Seth Neddermeyer(Seth Neddermeyer)在地面上使用了一个云室，实验证实了这一过程，并在实验中证实了这一发现。当物理学家i . i .（ Rabi诺贝尔奖得主）发现了核磁共振，了解了muon的存在，这两种复合粒子(如质子和中子)和基本粒子(夸克、电子和中微子)都有几代较重的“亲戚”，而muon是第一个被发现的“第二代”粒子。

No5、宇宙的一声巨响开始

如果你看得足够远，看到的最远的时间是138亿年——对宇宙年龄的估计。这是回溯到最早的时期，也是宇宙大爆炸的概念。图片：NASA / STScI / A. Felid

在20世纪40年代，乔治·伽莫夫和他的合作者提出了一个激进的理论：今天膨胀和冷却的宇宙不仅在过去更热、更密集，而是任意的。如果你往回推断得足够远，就会有一个足够热的宇宙来电离所有的物质，而在更远的地方会分裂原子核。这个理论被称为“大爆炸”理论，有两个主要的预测：

1、宇宙并不仅仅是由质子和电子组成的物质，而是由混合元素组成的，在高能的早期宇宙中融合在一起。

2、当宇宙冷却到足以形成中性原子时，高能辐射就会被释放出来，并将沿着一条直线传播到永恒，直到它与某物发生碰撞，随着宇宙膨胀而移动和失去能量。这个“宇宙微波背景”被预测仅比绝对零度高几度。

根据对彭齐亚斯和威尔逊的原始观测，银河平面发射了一些天体物理源辐射(中心)，但在上面和下面，所有剩下的都是一个近乎完美的，均匀的辐射背景。图片：NASA / WMAP Science Team

1964年阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和鲍勃·威尔逊(Bob Wilson)意外地发现了大爆炸的余辉。他们在贝尔实验室用无线电天线研究雷达，发现在天空中到处都是均匀的噪音。它不是太阳，也不是银河系，也不是地球的大气层……但他们不知道那是什么。所以他们用拖网清理了天线的内部，在过程中清除了鸽子粪，但噪音仍然存在。只有当研究结果显示给一位熟悉普林斯顿小组(Dicke,Peebles,Wilkinson，等等)的物理学家时，他们才会对这种类型的信号进行精确的预测，并利用辐射计识别出他们所发现的事物的重要性，这是第一次探测到我们的宇宙起源声音。

宇宙膨胀过程中，宇宙空间的量子涨落，在宇宙膨胀过程中延展，导致了宇宙微波背景下的密度波动，而宇宙微波背景下的量子涨落，最终导致了宇宙中的恒星、星系和其他大规模结构。这是在2017年宇宙中结构和物质起源的最佳画面。图片版权：E. Siegel, with images derived from ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research

当我们回顾我们今天所拥有的科学知识的时候，在它的预测能力和几个世纪的发现如何改变了我们的生活之后，我们很容易把科学看作是一个稳步发展的想法。但在现实中科学的历史是混乱的，充满了惊喜，充满了争议。对于那些在时间上工作的人来说，科学包括冒险，探索新奇的场景，并在一个从未尝试过的方向上引人注目。虽然我们讲述的历史充满了成功的故事，但真实的历史充满了盲目的小巷，失败的实验，以及彻头彻尾的错误。然而一个开放的头脑，一种意愿和能力来测试你的想法，以及从我们的结果中学习和修正我们的结论的能力，将我们带出黑暗，进入光明，在一天结束的时候，我们都赢了！

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