Содержание
Великие открытия в физике (для оформления стенда «День физики»)
Великие
открытия в физике (для оформления стенда «День физики»)
1. Закон падающего тела
2. Всемирное тяготение
3. Законы движения
4. Второй закон термодинамики
5. Электромагнетизм
6. Теория относительности
7. E=mc2
8. Квантовая теория
9. Природа света
10. Нейтрон
11. Сверхпроводники
12. Кварк
13. Ядерные силы
1. Закон
падающего тела
На протяжении
более двух тысяч лет люди считали, что тяжелые предметы падают быстрее легких.
Эта классическая мудрость основывалась на наблюдениях древнегреческого
философа Аристотеля. Люди верили ему, потому что его мысли казались
правильными.
Но в 17 веке Галилео Галилей решил
проверить закон Аристотеля. По легенде он сбрасывал в Пизанской башни шары
разной массы.
Во время своих
экспериментов Галилео обнаружил, что тяжелые предметы падают быстрее легких
из-за меньшего воздушного сопротивления: воздух мешает легкому объекту сильнее,
чем тяжелому.
Решение Галилея
проверить закон Аристотеля стало поворотным моментом в науке, оно ознаменовало
начало проверки всех общепринятых законов опытным путем. Опыты Галилея с
падающими телами привели к нашему начальному пониманию ускорения под действием
гравитации.
2. Всемирное
тяготение
Это открытие
свершилось благодаря сэру Исааку Ньютону, который родился в Англии в год
смерти Галилея.
Говорят, что
однажды Ньютон сидел под яблоней в саду и отдыхал. Вдруг он увидел, как с ветки
упало яблоко. Этот простой инцидент заставил его задуматься, почему яблоко
упало вниз, в то время, как Луна все время оставалась в небе. Именно в этот
момент в мозгу молодого Ньютона свершилось открытие: он понял, что на яблоко и
Луну действует единая сила гравитации.
Ньютон представил
себе, что на весь фруктовый сад действовала сила, которая притягивала к себе
ветки и яблоки. Его более важно то, что он распространил эту силу до самой
Луны. Ньютон понял, что сила притяжения есть везде, до него никто до этого не
додумывался.
Ньютон
предположил, что Луна, пытаясь лететь по прямой линии в космосе мимо Земли,
постоянно притягивается ей. Из-за этого Луна вращается вокруг Земли. Но и сама
Луна притягивает Землю при помощи собственной гравитации. Ньютон открыл закон всемирного
тяготения.
Согласно этому
закону, гравитация влияет на все тела во Вселенной, включая яблоки, луны и
планеты. Сила притяжения такого крупного тела, как Луна, может провоцировать
такие явления, как приливы и отливы океанов на Земле.
Вода в той части
океана, которая находится ближе к Луне, испытывает большее притяжение, поэтому
Луна, можно сказать, перетягивает воду из одной части океана в другую. А так,
как Земля вращается в противоположном направлении, эта задержанная Луной вода
оказывается дальше привычных берегов.
Понимание Ньютоном
того, что у каждого предмета есть собственная сила притяжения, стало великим
научным открытием. Однако, его дело было еще не завершено.
3.
Законы
движения
Ньютон для многих
является олицетворением самой физики, ведь он, помимо прочего, открыл
три закона движения, что стало его вторым великим открытием.
Это законы,
которые объясняют движение любого физического предмета.
Возьмем, например,
хоккей. Бьете клюшкой по шайбе, и она скользит по льду. Это первый закон: под
действием силы предмет движется. Если бы не было трения о лед, то шайба
скользила бы бесконечно долго. Когда вы бьете клюшкой по шайбе, то придаете ей
ускорение.
Второй закон
гласит: ускорение прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально
массе тела.
А согласно
третьему закону при ударе шайба действует на клюшку с такой же силой, как
клюшка на шайбу, т.е. сила действия равна силе противодействия.
Законы движения
Ньютона были смелым решением объяснять механику функционирования Вселенной, они
стали основой классической физики.
4.
Второй
закон термодинамики
Наука о
термодинамике – это наука о тепле, которая преобразуется в механическую
энергию. От нее зависела вся техника во время промышленной революции.
Тепловая энергия
может быть преобразована в энергию движения, например, путем вращения
коленчатого вала или турбины.
Важнее всего выполнить как можно больше работы,
используя как можно меньше топлива. Это наиболее экономически выгодно, поэтому
люди стали изучать принципы работы паровых двигателей.
Среди тех, кто
занимался этим вопросом, был немецкий ученый Рудольф Клаузиус. В 1865
году он сформулировал Второй закон
термодинамики. Согласно этому закону, при любом
энергетическом обмене, например, во время нагревания воды в паровом котле,
часть энергии пропадает. Клаузиус ввел в оборот слово энтропия, объясняя с его помощью
ограниченную эффективность паровых двигателей. Часть тепловой энергии теряется
во время преобразования в механическую.
Это утверждение
изменило наше понимание того, как функционирует энергия. Не существует
теплового двигателя, который был бы эффективен на 100%. Когда вы едете на
машине, только 20% энергии бензина действительно тратится на движение. Куда
девается остальная часть? На нагревание воздуха, асфальта и шин. Цилиндры в
блоке цилиндров нагреваются и изнашиваются, а детали ржавеют.
Грустно думать о
том, насколько расточительны такие механизмы.
Хотя Второй закон
термодинамики был основой промышленной революции, следующее великое открытие
привело мир в новое, его современное состояние.
5. Электромагнетизм
Дамба Гувера –
одно из величайших инженерных достижений современности. Ее высота 221 м, а
масса 6,6 миллионов тонн. 17 генераторов вырабатывают электричество мощностью 3
миллиона лошадиных сил, и создается оно благодаря магнитному полю.
Ученые научились
создавать магнитную силу с помощью электричества, когда пустили ток по завитому
проводу. В результате получился электромагнит. Как только подается ток,
возникает магнитное поле. Нет напряжения – нет поля.
В 1831 году
переплетчик, интересующийся электричеством, по имени Майкл Фарадей, стал
первым, кто смог запустить этот процесс в обратном направлении. Он использовал
движущееся магнитное поле для создания электричества.
Электрогенератор в
своей самой простейшей форме является витком проволоки между полюсами магнита.
Майкл Фарадей обнаружил, что когда магнит и проволока находятся на близком
расстоянии, по проволоке проходит ток. По этому принципу работают все
электрогенераторы.
Фарадей вел записи
о своих экспериментах, но шифровал их. Тем не менее они были по достоинству
оценены физиком Джеймсом Клерком
Максвеллом, который использовал их, чтобы еще лучше понять
принципы электромагнетизма. Максвелл позволил человечеству понять, как
электричество распределяется по поверхности проводника.
Если вы хотите
знать, каким был бы мир без открытий Фарадея и Максвелла, то представьте себе,
что электричество не существует: не было бы радио, телевидения, мобильных
телефонов, спутников, компьютеров и всех средств связи. Представьте себе, что
вы в 19 веке, потому что без электричества вы бы именно там и оказались.
Совершая открытия,
Фарадей и Максвелл не могли знать, что их труд вдохновил одного юношу на
раскрытие тайн света и на поиск его связи с величайшей силой Вселенной. Этим
юношей был Альберт Эйнштейн.
6.
Теория
относительности
В 1905 году
случился переворот в мире науки, произошло величайшее открытие. Молодой
неизвестный ученый, работающий в бюро патентов в швейцарском городе Берн,
сформулировал революционную теорию. Его звали Альберт Эйнштейн.
Эйнштейн однажды
сказал, что все теории нужно объяснять детям. Если они не поймут объяснения, то
значит теория бессмысленна. Будучи ребенком, Эйнштейн однажды прочитал детскую
книжку об электричестве, тогда оно только появлялось, и простой телеграф
казался чудом. Эта книжка была написана неким Бернштейном, в ней он предлагал
читателю представить себя едущим внутри провода вместе с сигналом. Можно
сказать, что тогда в голове Эйнштейна и зародилась его революционная теория.
В юношестве,
вдохновленный своим впечатлением от той книги, Эйнштейн представлял себе, как
он двигается вместе с лучом света. Он обдумывал эту мысль 10 лет, включая в
размышления понятие света, времени и пространства.
Он осознал, что
теория Ньютона, согласно которой время и пространство неизменны, была
неправильной, если ее применить к скорости света. С этого и началась
формулировка того, что он назвал теорией относительности.
В мире, который
описывал Ньютон, время и пространство были отделены друг от друга: когда на
Земле 10 часов утра, то такое же время было и на Венере, и на Юпитере, и по
всей Вселенной. Время было тем, что никогда не отклонялось и не
останавливалось. Но Эйнштейн по-другому воспринимал время.
Время – это река,
которая извивается вокруг звезд, замедляясь и ускоряясь. А если пространство и
время могут изменяться, то меняются и наши представления об атомах, телах и
вообще о Вселенной!
Эйнштейн
демонстрировал свою теорию с помощью так называемых мыслительных экспериментов.
Самый известный из них – это «парадокс близнецов». Итак, у
нас есть двое близнецов, один из которых улетает в космос на ракете. Так как
она летит почти со скоростью света, время внутри нее замедляется.
После
возвращения этого близнеца на Землю оказывается, что он моложе того, кто
остался на планете. Итак, время в разных частях Вселенной идет по-разному. Это
зависит от скорости: чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас идет
время.
Этот эксперимент в
какой-то степени проводится с космонавтами на орбите. Если человек находится в
открытом космосе, то время для него идет медленней. На космической станции время
идет медленней. Этот феномен затрагивает и спутники. Возьмем, например,
спутники GPS: они показывают ваше положение на планете с точностью до
нескольких метров. Спутники движутся вокруг Земли со скоростью 29000 км/ч,
поэтому к ним применимы постулаты теории относительности. Это нужно учитывать,
ведь если в космосе часы идут медленнее, то синхронизация с земным временем
собьется и система GPS не будет работать.
Через несколько
месяцев после опубликования теории относительности Эйнштейн сделал следующее
великое открытие: самое известное уравнение всех времен.
7.
E=mc2
Вероятно, это
самая известная в мире формула. В теории относительности Эйнштейн доказал, что
при достижении скорости света условия для тела меняются невообразимым образом:
время замедляется, пространство сокращается, а масса растет. Чем выше скорость,
тем больше масса тела. Только подумайте, энергия движения делает вас тяжелее.
Масса зависит от скорости и энергии. Эйнштейн представил себе, как фонарик
испускает луч света. Точно известно, сколько энергии выходит из фонарика. При
этом он показал, что фонарик стал легче, т.е. он стал легче, когда начал
испускать свет. Значит E – энергия фонарика зависит от m – массы в пропорции,
равной c2. Все просто.
Эта формула
показывала и на то, что в маленьком предмете может быть заключена огромная
энергия. Представьте себе, что вам бросают бейсбольный мяч и вы его ловите. Чем
сильнее его бросят, тем большей энергией он будет обладать.
Теперь что
касается состояния покоя. Когда Эйнштейн выводил свои формулы, он обнаружил,
что даже в состоянии покоя тело обладает энергией.
Посчитав это значение по
формуле, вы увидите, что энергия поистине огромна.
Открытие Эйнштейна
было огромным научным скачком. Это был первый взор на мощь атома. Не успели
ученые полностью осознать это открытие, как случилось следующее, которое вновь
повергло всех в шок.
8.
Квантовая
теория
Квантовый скачок –
самый малый возможный скачок в природе, при этом его открытие стало величайшим
прорывом научной мысли.
Субатомные
частицы, например, электроны, могут передвигаться из одной точку в другую, не
занимая пространство между ними. В нашем макромире это невозможно, но на уровне
атома – это закон.
В субатомном мире
атомы и их составляющие существуют согласно совсем иным законам, нежели крупные
материальные тела. Немецкий ученый Макс Планк описал эти законы в
своей квантовой теории.
Квантовая теория
появилась в самом начале 20 века, когда случился кризис в классической физике.
Было открыто множество феноменов, которые противоречили законам Ньютона.
Мадам Кюри,
например, открыла радий, который сам по себе светится в темноте, энергия
бралась из ниоткуда, что противоречило закону сохранения энергии. В 1900 году
люди считали, что энергия непрерывна, и что электричество и магнетизм можно
было бесконечно делить на абсолютно любые части. А великий физик Макс Планк
дерзко заявил, что энергия существует в определенных объемах – квантах.
Если представить
себе, что свет существует только в этих объемах, то становятся понятны многие
феномены даже на уровне атома. Энергия выделяется последовательно и в
определенном количестве, это называется квантовым эффектом и
означает, что энергия волнообразна.
Тогда думали, что
Вселенная была создана совсем по-другому. Атом представлялся чем-то,
напоминающим шар для боулинга. А как может шар иметь волновые свойства?
В 1925 году
австрийский физик Эрвин Шредингер, наконец,
составил волновое уравнение, которое описывало движение электронов. Внезапно
стало возможным заглянуть внутрь атома. Получается, что атомы одновременно
являются и волнами, и частицами, но при этом непостоянными.
Вскоре Макс Борн, коллега
Эйнштейна, сделал революционный шаг: он задался вопросом – если вещество
является волной, то что в ней меняется? Борн предположил, что меняется
вероятность определения положения тела в данной точке.
Можно ли вычислить
возможность того, что человек разделится на атомы, а потом материализуется по
другую сторону стены? Звучит абсурдно. Как можно, проснувшись утром, оказаться
на Марсе? Как можно пойти спать, а проснуться на Юпитере? Это невозможно, но
вероятность этого подсчитать вполне реально. Данная вероятность очень низка.
Чтобы это случилось, человеку нужно было бы пережить Вселенную, а вот у
электронов это случается постоянно.
Все современные
«чудеса» вроде лазерных лучей и микрочипов работают на основании того, что
электрон может находиться сразу в двух местах. Как это возможно? Не знаешь, где
точно находится объект. Это стало таким трудным препятствием, что даже Эйнштейн
бросил заниматься квантовой теорией, он сказал, что не верит, что Господь
играет во Вселенной в кости.
Несмотря на всю
странность и неопределенность, квантовая теория остается пока что лучшим нашим
представлением о субатомном мире.
9. Природа
света
Древние задавались
вопросом: из чего состоит Вселенная? Они считали, что она состоит из земли,
воды, огня и воздуха. Но если это так, то что же такое свет? Его нельзя
поместить в сосуд, нельзя дотронуться до него, почувствовать, он бесформенный,
но присутствует везде вокруг нас. Он одновременно везде и нигде. Все видели
свет, но не знали, что это такое.
Физики пытались
ответить на этот вопрос на протяжении тысячи лет. над поиском природы света
работали величайшие умы, начиная с Исаака Ньютона. Сам Ньютон использовал
солнечный свет, разделенный призмой, чтобы показать все цвета радуги в одном
луче. Это значило, что белый свет состоит из лучей всех цветов радуги.
Ньютон показал,
что красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета
могут быть объединены в белый свет.
Это привело его к мысли, что свет делится
на частицы, которые он назвал корпускулами. Так появилась первая световая
теория – корпускулярная.
Однако, существовала
и альтернативная теория, согласно которой свет был волной. Ученый Томас Юнг смог
доказать некоторые волновые свойства света.
Представьте себе
морские волны: любой человек знает, что когда одна из волн сталкивается с
другой под определенным углом, обе волны смешиваются. Юнг проделал то же самое
со светом. Он сделал так, чтобы свет от двух источников пересекался, и место
пересечения было отчетливо видно.
Итак, тогда было
все две световые теории: корпускулярная у Ньютона и волновая у Юнга. И тогда
за дело взялся Эйнштейн, который сказал, что возможно, обе теории имеют смысл.
Ньютон показал, что у света есть свойства частиц, а Юнг доказал, что свет может
иметь волновые свойства. Все это – две стороны одного и того же. Возьмем,
например, слона: если вы возьмете его за хобот, то подумаете, что это змея, а
если обхватите его ногу, то вам покажется, что это дерево, но на самом деле
слон обладает качествами и того, и другого.
Эйнштейн ввел понятие дуализма
света, т.е. наличия у света свойств как частиц, так и волн.
Чтобы увидеть свет
таким, каким мы знает его сегодня, потребовалась работа трех гениев на
протяжении трех веков. Без их открытий мы, возможно, до сих пор жили бы в
раннем Средневековье.
10.
Нейтрон
Атом так мал, что
его трудно себе представить. В одну песчинку помещается 72 квинтиллиона атомов.
Открытие атома привело к другому открытию.
О существовании
атома люди знали уже 100 лет назад. Они думали, что электроны и протоны
равномерно распределены в нем. Это назвали моделью типа «пудинг с изюмом»,
потому что считалось, что электроны были распределены внутри атома как изюм
внутри пудинга.
В начале 20
века Эрнест Резерфорд провел
эксперимент с целью еще лучше исследовать структуру атома. Он направлял на
золотую фольгу радиоактивные альфа-частицы. Он хотел узнать, что произойдет,
когда альфа-частицы ударятся о золото. Ничего особенного ученый не ожидал, так
как думал, что большинство альфа-частиц пройдут сквозь золото, не отражаясь и
не изменяя направление.
Однако, результат
был неожиданным. По его словам, это было то же самое, что выстрелить 380-мм
снарядом по куску материи, и при этом снаряд отскочил бы от нее. Некоторые
альфа-частицы сразу отскочили от золотой фольги. Это могло произойти, только
если бы внутри атома было небольшое количество плотного вещества, оно не
распределено как изюм в пудинге. Резерфорд назвал это небольшое количество
вещества ядром.
Благодаря открытию
Резерфорда, ученые узнали о том, что атом состоит из ядра, протонов и
электронов. Эту картину довершил Джеймс Чедвик –
ученик Резерфорда. Он открыл нейтрон.
Чедвик провел
эксперимент, который показал, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Для
этого он использовал очень умный метод распознавания. Для перехвата частиц,
которые выходили из радиоактивного процесса, Чедвик применял твердый парафин.
Открытие нейтрона
стало величайшим научным достижением. В 1939 году группа ученых во главе
с Энрико
Ферми использовали нейтрон для расщепления атома, открыв дверь
в век ядерных технологий.
11.
Сверхпроводники
Лаборатория Ферми
обладает одним из крупнейших в мире ускорителем частиц. Это 7-километровое
подземное кольцо, в котором субатомные частицы ускоряются почти до скорости
света, а затем сталкиваются. Это стало возможным только после того, как
появились сверхпроводники.
Сверхпроводники
были открыты примерно в 1909 году. Голландский физик по имени Хейке
Камерлинг-Оннесстал первым, кто понял, как превратить гелий из газа
в жидкость. После этого он мог использовать гелий в качестве морозильной
жидкости, а ведь он хотел изучать свойства материалов при очень низких
температурах. В то время людей интересовало то, как электрическое сопротивление
металла зависит от температуры – растет она или падает.
Он использовал для
опытов ртуть, которую он умел хорошо очищать. Он помещал ее в специальный
аппарат, капая ей в жидкий гелий в морозильной камере, понижая температуру и
измеряя сопротивление. Он обнаружил, что чем ниже температура, тем ниже
сопротивление, а когда температуры достигла минус 268 °С, сопротивление
упало до нуля.
При такой температуре ртуть проводила бы электричество без
всяких потерь и нарушений потока. Это и называется сверхпроводимостью.
Сверхпроводники
позволяют электропотоку двигаться без всяких потерь энергии. В лаборатории
Ферми они используются для создания сильного магнитного поля. Магниты нужны для
того, чтобы протоны и антипротоны могли двигаться в фазотроне и огромном
кольце. Их скорость почти равняется скорости света.
Ускоритель частиц
в лаборатории Ферми требует невероятно мощного питания. Каждый месяц на то,
чтобы охладить сверхпроводники до температуры минус 270 °С, когда
сопротивление становится равным нулю, тратится электричество на миллион
долларов.
Теперь главная
задача – найти сверхпроводники, которые бы работали при более высоких
температурах и требовали бы меньше затрат.
В начале 80-х
группа исследователей швейцарского отделения компании IBM обнаружила новый тип
сверхпроводников, которые обладали нулевым сопротивлением при температуре на
100 °С выше, чем обычно.
Конечно, 100 градусов выше абсолютно нуля – это
не та температура, что у вас в морозильнике. Нужно найти такой материал, который
был бы сверхпроводником при обычной комнатной температуре. Это был бы
величайший прорыв, который стал бы революцией в мире науки. Все, что сейчас
работает на электрическом токе, стало бы гораздо эффективнее.
12.
Кварк
Данное открытие –
это поиск мельчайших частиц материи во Вселенной.
Сначала был открыт
электрон, затем протон, а потом нейтрон. Теперь у науки была новая модель
атома, из которых состоит любое тело.
С разработкой
ускорителей, которые могли сталкивать субатомные частицы на скорости света, человек
узнал о существовании десятков других частиц, на которые разбивались атомы.
Физики стали называть все это «зоопарком частиц».
Американский
физик Мюррей
Гелл-Ман заметил закономерность в ряде новооткрытых частиц
«зоопарка». Он делил частицы по группам в соответствии с обычными
характеристиками. По ходу он изолировал мельчайшие компоненты ядра атома, из
которых состоят сами протоны и нейтроны.
Он предполагал,
что нейтрон или протон не являются элементарными частицами, как думали многие,
а состоят из еще более мелких частиц – кварков – в необычными свойствами.
Открытые
Гелл-Маном кварки были для субатомных частиц тем же, чем была периодическая
таблица для химических элементов. За свое открытие в 1969 году Мюррею Гелл-Ману
была присуждена Нобелевская премия в области физики. Его классификация
мельчайших материальных частиц упорядочила весь их «зоопарк».
Хотя Гелл-Маном
был уверен в существовании кварков, он не думал, что кто-то сможет их в
действительности обнаружить. Первым подтверждением правильности его теорий были
удачные эксперименты его коллег, проведенные на Стэнфордском линейном
ускорителе. В нем электроны отделялись от протонов, и делался макроснимок
протона. Оказалось, что в нем было три кварка.
13. Ядерные силы
Наше стремление
найти ответы на все вопросы о Вселенной привело человека как внутрь атомов и
кварков, так и за пределы галактики.
Данное открытие – результат работы многих
людей на протяжении столетий.
После открытий
Исаака Ньютона и Майкла Фарадея ученые считали, что у природы две основные
силы: гравитация и электромагнетизм. Но в 20 веке были открыты еще две силы,
объединенные одним понятием – атомная энергия. Таким образом, природных сил
стало четыре.
Каждая сила
действует в определенном спектре. Гравитация не дает нам улететь в космос со
скоростью 1500 км/ч. Затем у нас есть электромагнитные силы – это свет, радио,
телевидение и т.д. кроме этого существую еще две силы, поле действия которых
сильно ограничено: есть ядерное притяжение, которое не дает ядру распасться, и
есть ядерная энергия, которая излучает радиоактивность и заражает все подряд, а
также, кстати, нагревает центр Земли, именно благодаря ей центр нашей планеты
не остывает вот уже несколько миллиардов лет – это действие пассивной радиации,
которая переходи в тепло.
Как обнаружить
пассивную радиацию? Это возможно благодаря счетчикам Гейгера. Частицы,
которые высвобождаются, когда расщепляется атом, попадают в другие атомы, в
результате чего создается небольшой электроразряд, который можно измерить. При
его обнаружении счетчик Гейгера щелкает.
Как же измерить
ядерное притяжение? Тут дело обстоит труднее, потому что именно эта сила не
дает атому распасться. Здесь нам нужен расщепитель атома. Нужно буквально
разбить атом на осколки, кто-то сравнил этот процесс со сбросом пианино с
лестницы с целью разобраться в принципах его работы, слушая звуки, которые
пианино издает, ударяясь о ступеньки.
Итак, у нас
есть четыре силы
фундаментального взаимодействия: гравитация (gravity), электромагнетизм (electromagnetism), ядерное притяжение(weak
force, слабое взаимодействие) и ядерная энергия (strong
force, сильное взаимодействие). Последние две называются квантовыми силами, их
описание можно объединить в нечто под названием стандартной модели. Возможно,
это самая уродливая теория в истории науки, но она действительно возможна на
субатомном уровне. Теория стандартной модели претендует на то, чтобы стать
высшей, но от этого она не перестает быть уродливой. С другой стороны, у нас
есть гравитация – великолепная, прекрасная система, она красива до слез –
физики буквально плачут, видя формулы Эйнштейна. Они стремятся объединить все
силы природы в одну теорию и назвать ее «теория всего». Она объединила бы все
четыре силы в одну суперсилу, которая существует с начала времен.
Неизвестно, сможем
ли мы когда-нибудь открыть суперсилу, которая включала бы в себя все четыре
основные силы Природы и сможем ли создать физическую теорию Всего. Но одно
известно точно: каждое открытие ведет к новым исследованиям, а люди – самый
любопытный вид на планете – никогда не перестанут стремиться понимать, искать и
открывать.
Пять открытий фундаментальной физики, оказавшихся полной неожиданностью / Хабр
Hubble Extreme Deep Field — наш самый детальный снимок Вселенной, демонстрирующий галактики, существовавшие в период, когда возраст Вселенной составлял 3-4% от нынешнего.
То, что мы смогли увидеть так много, просто достаточно долго изучая казавшийся чёрным участок неба, тоже стало невероятным сюрпризом – но в список он не попал
Изучая метод научного познания, мы представляем себе чёткую процедуру, следуя которой, можно добраться до понимания естественных процессов, происходящих во Вселенной. Начинаем с идеи, выполняем эксперимент, и либо подтверждаем, либо опровергаем её – в зависимости от результата. Вот только реальный мир гораздо более неряшлив. Иногда можно провести эксперимент и получить результат, кардинально отличающийся от ожиданий. Иногда правильно объяснение требует выхода воображения далеко за пределы разумных и логических заключений. Сегодня мы неплохо понимаем Вселенную, но на пути к этому мы встречали множество сюрпризов. Осуществляя дальнейший прогресс, мы наверняка наткнёмся на что-то ещё. Вот исторический экскурс, описывающий пять величайших сюрпризов в истории науки.
Если выстрелить ядром из пушки в направлении, обратном движению автомобиля, и с точно такой же скоростью, в результате скорость снаряда окажется нулевой.
Если бы мы выстрелили светом, он всегда двигался бы со скоростью света
1) Скорость света не меняется из-за скорости источника. Представьте, что вы очень сильно бросили мяч. В зависимости от того вида спорта, которым вы увлекаетесь, он может достичь скорости до 45 м/с. Теперь представьте, что вы находитесь в поезде, двигающемся со скоростью 135 м/с. Если вы бросите мяч с поезда в направлении его движения, с какой скоростью он полетит? Просто складываем скорости – 180 м/с. Теперь представьте, что вместо мяча вы испустили луч света. Сложим скорость света и скорость поезда – и получим неправильный ответ.
Интерферометр Майкельсона (вверху) продемонстрировал пренебрежимо малое изменение поведения света (внизу, сплошная) по сравнению с тем, что было бы, если бы сработал закон относительности Галилея (внизу, пунктир). Скорость света оставалась постоянной вне зависимости от направления ориентации интерферометра – включая направление, параллельное или перпендикулярное движению Земли в космосе.
Эта идея была центральной в специальной теории относительности Эйнштейна, но экспериментально её открыл не Эйнштейн; это был Альберт Майкельсон, чья передовая работа продемонстрировала этот результат в 1880-х. Запускаете ли вы луч света в направлении движения Земли, перпендикулярно этому направлению, или в противоположном направлении – разницы нет. Свет всегда движется с одной и той же скоростью: c, скоростью света в вакууме. Майкельсон разработал интерферометр, чтобы измерить скорость движения Земли относительно эфира, а вместо этого проложил дорогу для относительности. Его нобелевская премия 1907 года остаётся самым известным нулевым результатом и самым важным в истории науки.
Атом гелия с ядром в примерном масштабе
2) 99,99% массы атома сосредоточено в невероятно плотном ядре. Слышали ли вы о «пудинговой модели атома»? Сегодня она кажется странной, но в начале XX века считалось общепринятым, что атом состоит из смеси отрицательно заряженных электронов (изюминок), встроенных в положительно заряженное вещество (пудинг), заполняющее всё пространство.
Электроны можно вынуть из него, что объясняет явление статического электричества. Годами композитная модель атома Томсона, с небольшими электронами, расположенными на положительно заряженной подложке, была общепринятой. Пока её не решил проверить Эрнест Резерфорд.
Опыт Резерфорда с золотой фольгой показал, что атом по большей части пустой, но в одной его точке имеется концентрация массы, серьёзно превышающей массу альфа-частицы: атомное ядро.
Запуская высокоэнергетические заряженные частицы (от радиоактивного распада) в очень тонкий лист золотой фольги, Резерфорд ожидал, что они будут проходить её насквозь. Большая часть из них так и сделала, но некоторые эффектно отскочили! Как вспоминает Резерфорд:
Это было самое невероятное, что произошло со мной в жизни. Это было почти настолько же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в салфетку, а он бы отскочил от неё и попал в вас.
Резерфорд обнаружил атомное ядро, содержащее практически всю массу атома и ограниченное объёмом в 10-15 от размера всего атома.
Так родилась современная физика, проложившая путь квантовой революции XX века.
Два типа (излучающий и неизлучающий) бета-распада нейтрона. Бета-распад, в отличие от альфа- или гамма-распада, не сохраняет энергию – если вы не сможете обнаружить нейтрино.
3) «Недостающая энергия» привела к открытию крохотной, почти невидимой частицы. Во всех наблюдаемых взаимодействиях между частицами энергия всегда сохраняется. Её можно превратить из одного типа в другой – потенциальная, кинетическая, масса покоя, химическая, атомная, электрическая, и т.д. – но её нельзя создать или уничтожить. Поэтому почти сотню лет назад было так удивительно узнать, что у некоторых продуктов радиоактивных распадов получается немного меньше общей энергии, чем у изначальных реагентов. Это привело Бора к мысли, что энергия сохраняется всегда… за исключением тех случаев, когда теряется. Но Бор ошибся, а у Паули появилась другая идея.
Превращение нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино – решение проблемы несохранения энергии при бета-распаде
Паули спорил, что энергия должна сохраняться, поэтому в 1930-х предположил существование новой частицы: нейтрино.
Эта «маленькая нейтронная» частичка не вступала в магнитные взаимодействия, а вместо этого обладала крохотной массой и уносила с собой кинетическую энергию. Многие отнеслись к этому скептически, но в опытах среди продуктов ядерных реакций в 1950-х и 1960-х в итоге были найдены нейтрино и антинейтрино, что помогло привести физиков к Стандартной Модели и модели слабых ядерных взаимодействий. Это яркий пример того, как теоретические предсказания иногда могут привести к потрясающим прорывам, после того, как будут выработаны соответствующие экспериментальные технологии.
Кварки, антикварки и глюоны в Стандартной Модели обладают цветным зарядом – в дополнение к остальным свойствам вроде массы и электрического заряда. Все эти частицы, насколько нам известно, точечные, и распределены по трём поколениям
4) У всех частиц, с которыми мы взаимодействуем, есть нестабильные высокоэнергетические родственники. Часто говорят, что научные достижения обычно встречают не возгласом «эврика», а замечанием «хмм, вот странно…» – но в фундаментальной физике встречался и первый вариант.
Если зарядить электроскоп – в котором два проводящих металлических листка соединены с другим проводником – оба листка получат одинаковый заряд и будут отталкиваться. Если поместить его в вакуум, листки не должны терять заряды, но они со временем их теряют. Лучшим объяснением для этого было то, что из внешнего космоса на Землю летят высокоэнергетические частицы, космические лучи, и результат их столкновений разряжал электроскоп.
Астрономия космических лучей зародилась в 1912-м, когда Виктор Гесс отправился на воздушном шаре в верхние слои атмосферы и обнаружил частицы, падающие на Землю из космоса.
В 1912 Виктор Гесс при помощи воздушного шара провёл опыт для поиска этих высокоэнергетических космических частиц, и сразу же обнаружил их в изобилии, став отцом космических лучей. Сконструировав камеру с магнитным полем, можно измерить скорость и отношение заряда к массе на основе закругления пути частицы. Протоны, электроны, и даже первые частицы антиматерии были обнаружены именно так, но крупнейший сюрприз произошёл в 1933-м, когда Пол Кунц, работая с космическими лучами, обнаружил след частицы, очень похожей на электрон, только в сотни раз тяжелее!
Первый из обнаруженных мюонов, вместе с другими частицами космических лучей, оказался обладателем такого же заряда, как у электрона, только с массой в сотни раз больше – это было видно из его скорости и радиуса искривления пути
Существование мюона со временем жизни всего 2,2 мкс позднее было подтверждено на опыте, когда его обнаружили Карл Андерсон и его студент Сет Неддермайер, использовавшие наземную камеру Вильсона.
Когда физик Исидор Раби, сам удостоившийся нобелевской премии за открытие ядерного магнитного резонанса, узнал о существовании мюона, он изрёк известную теперь фразу: «А это кто заказал?» Позже было установлено, что как композитные частицы (протоны и нейтроны) так и фундаментальные (кварки, электроны, нейтрино) обладают несколькими поколениями более тяжёлых родственников, и мюон стал первой из открытых частиц «второго поколения».
Чем дальше вы смотрите в пространство, тем дальше вы смотрите во времени. Во времени нельзя заглянуть дальше, чем 13,8 млрд лет: это наша оценка возраста Вселенной. Экстраполяция данных обратно к самым ранним временам привела к появлению идеи Большого взрыва.
5) Вселенная началась с Большого взрыва, но это открытие было сделано совершенно случайно. В 1940-х Георгий Антонович Гамов с коллегами выдвинули радикальную идею: Вселенная, в текущий момент расширяющаяся и охлаждающаяся, в прошлом не только была горячее и плотнее, но была произвольно горячей и плотной.
Если экстраполировать назад достаточно далеко, получится Вселенная, достаточно горячая для ионизации всей имеющейся в ней материи, а ещё дальше распадутся даже атомные ядра. Идея получила известность как Большой Взрыв, и из неё вышло два главных прогноза:
1. Во Вселенной, с которой мы начали, должны были находиться не просто протоны и электроны, но целая смесь лёгких элементов, синтезированных вместе при высоких энергиях.
2. Когда Вселенная остыла достаточно для формирования нейтральных атомов, излучение высокой энергии освободилось и вечно путешествует по прямой, пока не наткнётся на что-либо, испытывая красное смещение и теряя энергию при расширении Вселенной.
Они предсказали, что температура этого «реликтового излучения» будет на несколько градусов выше абсолютного нуля.
Согласно первоначальным наблюдениям Пензиаса и Уилсона, в галактической плоскости есть несколько источников излучения (в середине), но сверху и снизу был почти идеально однородный фон
В 1964 году Арно Пензиас и Боб Уилсон случайно открыли остаточное излучение Большого взрыва.
Работая с радиоантенной в лабораториях Белла для изучения радаров, они обнаружили наличие равномерного шума, исходящего из всех мест в небе. Это было не Солнце, не Галактика, не атмосфера Земли – но они не знали, что это было. Они чистили поверхность антенны тряпками, разгоняли голубей, но шум никуда не девался. Только когда результаты измерений увидел физик, знакомый с детальными предсказаниями принстонской группы (Дик, Пиблз, Уилкинсон, и т.д.), и с радиометром, который строился как раз для обнаружения подобного сигнала, они поняли значимость того, что обнаружили. Впервые стало известно происхождение Вселенной.
Квантовые флуктуации, присущие космосу, протянулись по всей Вселенной во время космической инфляции, и породили звёзды, галактики и другие крупномасштабные структуры Вселенной, известные нам сегодня. На 2017-й год это наилучшее представление о происхождении структуры и материи Вселенной.
Оглядываясь назад, на собранные к сегодняшнему дню научные знания, на их предсказательные способности и на то, как столетия открытий преобразовали наши жизни, можно поддаться искушению смотреть на науку как на постоянное развитие идей.
Но на самом деле история науки неряшлива, полна неожиданностей и отягощена разногласиями. Для работающих на границе современных знаний, наука — это риски, изучение новых сценариев, попытки пойти в неизведанном направлении. История, оставшаяся в нашей памяти, полна успехов, но реальная история полна тупиков, неудачных опытов и явных ошибок. Тем не менее, открытый разум, желание и возможность проверять идеи, наша способность учиться на результатах и пересматривать заключения, ведёт нас из тьмы к свету. И в итоге от этого выигрывают все.
как открытия русского физика меняли науку и мир // Смотрим
Эффекты Александра Столетова: как открытия русского физика меняли науку и мир // Смотрим
Профиль
10 августа 2022, 13:00
10 августа 1839 года во Владимире родился выдающийся русский физик, исследователь магнетизма Александр Столетов.
Об ученом и как его открытия меняли науку и мир – рассказал Леонид Колдунов, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики МФТИ, зам.директора Физтех-школы физики и исследований им. Ландау.
общество
музыка
шоу
наука
искусство
физика
радио
природа
культура
мода
история
медицина
лирика
эволюция
Рита Митрофанова
Александр Пушной
Популярные радиопрограммы
История (Радио Маяк)
Популярные шоу (Радио Маяк)
Жизнь (Радио «Маяк»)
Научпоп (Радио «Маяк»)
В эфире (Радио «Маяк»)
Смотрим всё
Авто-геолокация
Это необычное открытие в области квантовой физики может революционизировать наше понимание реальности
Недавнее открытие в области квантовой физики, сделанное исследователями из Университета Пердью, открыло путь к совершенно новому взгляду на нашу физическую реальность.
По словам исследователей, совершенно новая техника, позволяющая создавать искривленные поверхности с использованием неэрмитовости в плоских пространствах, может полностью изменить наше понимание кривизны и расстояния, а также наши знания о неэрмитовой квантовой физике. . Группу возглавляет доктор Ци Чжоу из Purdue Physics and Astronomy.
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ФИЗИКИ
Согласно фундаментальному принципу, если кто-то хочет создать искривленную поверхность даже на микроскопическом уровне, нужно начать с плоской поверхности и согнуть ее. Хотя это может показаться самоочевидным, такие принципы являются важным руководством для исследователей, работающих в области квантовой механики, обработки информации, астрофизики и целого ряда научных дисциплин.
Однако, по словам исследовательской группы Purdue, стоящей за этим последним открытием, они нашли способ «нарушить» этот закон, в результате чего искривленное пространство ведет себя на квантовом уровне как плоское.
Короче говоря, это открытие, похоже, нарушает фундаментальные правила, которые многие физики считают само собой разумеющимися.
ОТКРЫТИЕ МОЖЕТ ИЗМЕНИТЬ НАШЕ ПОНИМАНИЕ
«Наша работа может произвести революцию в понимании широкой публикой кривизны и расстояния», — сказал Ци Чжоу, профессор физики и астрономии, который также является соавтором статьи, объявляющей о намерениях исследовательской группы. потенциально новаторские результаты. «Он также ответил на давние вопросы неэрмитовой квантовой механики, соединив неэрмитовскую физику и искривленные пространства».
Опубликовано в журнале Nature Communications, статья и ее авторы объясняют, что открытие связано с созданием изогнутых поверхностей, которые ведут себя как плоские, особенно на квантовом уровне, в результате чего получается система, которую они описывают как «неэрмитову».
Например, квантовые частицы на теоретической решетке могут мгновенно «прыгать» из одного места в другое.
Если шансы этой частицы прыгнуть влево или вправо равны, то такая система называется эрмитовой. Однако если шансы неравны, то система неэрмитова.
«Обычные учебники по квантовой механике в основном посвящены системам, управляемым гамильтонианами, которые являются эрмитовыми», — сказал аспирант Ченвэй Лв, который также является ведущим автором статьи. В результате команда отмечает, что об их открытии очень мало литературы.
«Квантовая частица, движущаяся в решетке, должна иметь одинаковую вероятность туннелировать в левом и правом направлениях», — объясняет Лв, прежде чем привести примеры, где определенные системы теряют эту равную вероятность. «В таких неэрмитовых системах привычные результаты из учебников больше не применимы, а некоторые могут даже выглядеть совершенно противоположно результатам эрмитовых систем».
Lv и команда Purdue обнаружили, что неэрмитова система на самом деле «искривляет» пространство, в котором находится квантовая частица. В этом случае, объясняют они, квантовая частица в решетке с невзаимным туннелированием фактически движется по искривленной поверхности.
Лв отмечает, что эти типы неэрмитовых систем «резко контрастируют» с тем, чему студентов-первокурсников, изучающих квантовую физику, учат с первого дня обучения.
«Эти необычные свойства неэрмитовых систем интриговали физиков на протяжении десятилетий, — добавляет Лв, — но многие нерешенные вопросы остаются открытыми».
Профессор Жэнь Чжан из Сианьского университета Цзяотун, который был соавтором исследования, говорит, что их исследование и его неожиданные результаты имеют значение в двух разных областях.
«С одной стороны, он устанавливает неэрмитичность как уникальный инструмент для моделирования интригующих квантовых систем в искривленных пространствах», — пояснил он. «Большинство квантовых систем, доступных в лабораториях, плоские, и часто требуются значительные усилия для доступа к квантовым системам в искривленных пространствах». Эта негерметичность, добавляет Чжан, дает экспериментаторам «дополнительную ручку» для доступа к искривленным пространствам и управления ими.
«С другой стороны, — говорит Чжан, — двойственность позволяет экспериментаторам использовать искривленные пространства для исследования неэрмитовой физики. Например, наши результаты предоставляют экспериментаторам новый подход к доступу к исключительным точкам с использованием искривленных пространств и повышению точности квантовых датчиков, не прибегая к диссипации».
ОТКРЫТИЕ В ФИЗИКЕ ЭТО ДВЕ СТОРОНЫ ОДНОЙ МЕТЕЛИ
Исследовательская группа отмечает, что их открытие может помочь исследователям в широком спектре дисциплин, а будущие исследования будут развиваться в нескольких направлениях.
Во-первых, те, кто занимается изучением искривленных пространств, могли реализовать аппараты команды Пердью, а физики, работающие над неэрмитовыми системами, могли адаптировать диссипации для доступа к нетривиальным искривленным пространствам, которые нелегко получить обычными средствами.
В конце Lv указывает на более широкие последствия их открытия и его место в мире квантовой физики.
«Необычайное поведение неэрмитовых систем, десятилетиями озадачивавшее физиков, перестанет быть загадочным, если мы признаем, что пространство искривлено», — сказал Лв.
«Другими словами, неэрмитовость и искривленные пространства двойственны друг другу, являясь двумя сторонами одной медали».
Свяжитесь с автором Кристофером Плейном в Твиттере @plain_fiction
12 шагов — от идеи к открытию
1 — Новые идеи и модели
«Стандартная модель» физики элементарных частиц представляет собой набор уравнений, которые точно описывают, как взаимодействует небольшое количество фундаментальных частиц и как они образуют видимую материю. Но мы знаем, что эта модель должна быть неполной, поскольку она не учитывает такие наблюдения, как темная материя или темная энергия. Поэтому физики формулируют новые, часто конкурирующие теории для объяснения этих наблюдений, иногда предсказывая новые частицы с большими массами или другие явления.
Для производства новых частиц требуется достаточное количество энергии, чтобы втиснуться в крошечное пространство, где энергия (‘E’) преобразуется в массу частицы (‘m’) в соответствии с уравнением Эйнштейна E=mc 2 . В коллайдере это достигается столкновением двух частиц. Поскольку для создания частиц с большей массой требуется более высокая энергия столкновения, физики стремятся строить все более и более мощные ускорители.
2 — Моделирование и прототипирование
Создание новых частиц — это только часть дела, они также должны быть обнаружены детектором. Чтобы точно понять, как могут появляться новые частицы и как должны работать детекторы, ученые моделируют очень большое количество столкновений. Эти симуляции основаны как на известных законах физики («Стандартная модель»), так и на предсказаниях исследуемой новой модели (моделей).
Программное обеспечение моделирует столкновения частиц, последующее образование других частиц и их возможный распад на более легкие частицы.
Он также моделирует треки частиц, все взаимодействия с материалами детектора и реакцию считывающей электроники. Наконец, программа реконструкции анализирует, как сигнал наблюдался бы в этом (гипотетическом) детекторе так же, как и для реального события. Необходимо много таких симуляций, чтобы оптимизировать геометрию и состав материала детектора, прежде чем его можно будет начать конструировать.
3 — Строительство
Планирование, проектирование, тестирование и изготовление ускорителей и детекторов может занять 20 и более лет. Например, планирование Большого адронного коллайдера (БАК) началось в 1984 г., а его строительство было завершено в 2008 г. Круговой ускоритель длиной 27 км оснащен двумя вращающимися в противоположных направлениях протонными пучками, каждый из которых ускоряется до энергии 6,5 ТэВ и затем сталкиваются в 4 точках взаимодействия.
Параллельно тысячи физиков собираются вместе, чтобы организовать сотрудничество для планирования и создания детекторов, которые измеряют частицы, образующиеся при столкновениях, в поисках новых явлений.
В примере с LHC два из них, ATLAS и CMS, представляют собой огромные детекторы общего назначения, которые основаны на разных конструкциях и управляются отдельными командами, каждая из которых состоит из более чем 3000 физиков. Два других детектора на LHC более специализированы: LHCb, который изучает симметрию между материей и антиматерией, и ALICE, который исследует свойства первичного состояния кварков и глюонов.
4 — Столкновения
Появление очень массивных частиц является редким событием и обычно происходит реже, чем один раз на миллиард столкновений. Поэтому БАК был спроектирован так, чтобы производить более 1 миллиарда столкновений в секунду. Общее количество столкновений часто выражается в единицах «обратных фемтобарнов» (1 fb -1 представляет ~80 000 миллиардов столкновений).
5 — Обнаружение
Столкновение создает тысячи частиц, которые проходят через детектор, окружающий точку столкновения. Детекторы похожи на огромные трехмерные цифровые камеры, состоящие примерно из 100 миллионов сенсоров, организованных в несколько слоев и передающих информацию о положении или энергии частицы.
Заряженные частицы, пересекающие датчик в «трекере», производят слабый электрический сигнал, который затем усиливается и записывается вместе с положением датчика. Сильное магнитное поле искривляет траектории заряженных частиц, позволяя измерить их «импульс» (произведение массы и скорости). Энергия нейтральных и заряженных частиц измеряется в калориметрах, расположенных в несколько слоев снаружи трекера.
6 — Выбор события
Протоны состоят из точечных компонентов, называемых кварками и глюонами. При столкновении двух протонов вероятность близкого столкновения этих составляющих очень мала. С другой стороны, только эти короткодействующие взаимодействия могут производить очень массивные частицы. Такие события характеризуются большим количеством частиц, разлетающихся во всех направлениях и оставляющих сигналы во многих различных слоях детектора. Сверхбыстрая процедура фильтрации выбирает эти «интересные» события из миллионов столкновений, в которых два протона пересекают друг друга почти без помех.
На первом этапе очень быстрые электронные схемы проверяют, выделяется ли большое количество энергии во внешних слоях детектора; тысячи онлайн-компьютеров затем усваивают и синхронизируют информацию из разных частей детектора с целью обнаружения таких частиц, как высокоэнергетические мюоны, электроны или фотоны.
Выбранные данные, обычно 1000 «сырых» событий в секунду (что эквивалентно примерно 1 ГБ), затем передаются в центр обработки данных CERN и записываются в массовое хранилище, в результате чего объем данных составляет несколько 10 000 ТБ в год на каждый детектор.
7 — Реконструкция
Каждое «сырое» событие содержит всю информацию, записанную в различных слоях детектора. При реконструкции события эти необработанные данные преобразуются в физические величины. Идентифицируются треки заряженных частиц и определяются их параметры (направление, кривизна); суммируются запасы энергии в калориметрах; информация из разных слоев объединяется для реконструкции физических объектов, таких как фотоны, электроны, мюоны или струи частиц.
Суммируя энергию всех измеренных частиц и сравнивая ее с энергией столкновения, можно сделать вывод о «недостающей энергии» частицы, которая избежала обнаружения (например, нейтрино).
Реконструкция события обычно повторяется несколько раз по мере того, как команды/ученые лучше понимают работу детектора, чтобы были доступны наиболее точные измерения треков частиц и энерговыделений. Затем событие классифицируется в соответствии с его физическими характеристиками и записывается как «сводные данные о событии» для дальнейших этапов анализа. Реконструкция событий сильно использует вычислительное время и в основном выполняется с использованием вычислительной сетки LHC.
8 — Калибровка
Измерение положения и энергии детекторных слоев должно быть точно откалибровано, прежде чем их выходные данные можно будет интерпретировать как физические сигналы. Первоначальные калибровки основаны на измерениях тестового луча, а затем постоянно уточняются с использованием реальных данных о столкновениях.
Положение датчиков в слоях трекера калибруется путем сравнения (и корректировки) предсказанных и измеренных положений частицы, проходящей через них. Шкалы энергии калориметров откалиброваны с использованием продуктов распада известных частиц. Данные калибровки используются в программах реконструкции для преобразования измеренных сигналов в физические величины.
9 — Анализ данных и поиск
Физический анализ начинается со сводных данных события, которые содержат полную информацию о восстановленных характеристиках события (например, количество электронов, мюонов, фотонов, джетов). Программы анализа состоят из набора критериев отбора, и их целью является поиск конкретных закономерностей среди обнаруженных частиц путем расчета набора производных физических величин для каждого события.
Рассмотрим поиск еще неизвестной частицы, распадающейся на два фотона высокой энергии. Для всех событий, содержащих два (или более) фотона выше определенного энергетического порога, и предполагая, что фотоны исходят от распада родительской частицы, «инвариантная» масса родительской частицы в ее системе покоя рассчитывается из измеренного положения и энергия фотонов (см.
формулу слева). Для каждой комбинации двух фотонов этот расчет повторяется. Результаты для всех выбранных событий заносятся в гистограмму, показывающую, сколько раз встречалось определенное значение рассчитанной массы.
10 — Сравнение с смоделированными данными
Частица, распадающаяся на пару фотонов, появляется как «выпуклость» в двухфотонном распределении масс и может быть распределена по нескольким интервалам масс, в зависимости от времени жизни распадающейся частицы и разрешения измерения.
Такая выпуклость обычно находится поверх плавного распределения, происходящего от фоновых процессов, которые также могут производить два (или более) фотона. Важно понимать различия между смоделированными и экспериментальными данными при поиске признаков новых частиц. Для каждого анализа количество смоделированных событий должно быть сравнимо (или даже больше) с количеством проанализированных событий, чтобы гарантировать, что статистические флуктуации не зависят от неопределенностей в фоновых распределениях.
11 — Удары и статистика
Прежде чем можно будет заявить об открытии новой частицы, ученые должны убедиться, что превышение числа событий над фоновым распределением имеет достаточно высокую статистическую значимость. Если взять пример поиска частицы, распадающейся на два фотона, то для каждого интервала гистограммы, представляющей инвариантное распределение масс, определяется количество событий фона, т.е. всех известных процессов, порождающих два фотона. Это число (N) имеет статистическую неопределенность (сигма), равную квадратному корню из N, при условии, что N значительно больше 1. Проще говоря, если в течение заданного интервала от фона ожидается 100 событий, одна сигма будет быть равным 10. Затем количество фактически наблюдаемых событий сравнивается с ожидаемым количеством событий, и разница выражается в сигме, что дает статистическую значимость. Например, если наблюдается 150 событий, превышение числа по сравнению с фоном составляет 50, а статистическая значимость составляет 50/10, т.
е. 5 сигм. Об «открытии» говорят, когда статистическая значимость превышения («выброса») составляет не менее 5 сигм. Это означает, что вероятность всплеска данных, вызванного статистической случайностью фона, составляет всего 3 на 10 миллионов.
12 — Открытие и более глубокое исследование
Если открывается новая частица, возникает много других вопросов. Каковы свойства частицы, такие как ее масса и ширина (характеристика, связанная с ее временем жизни)? Какова его производительность? Можно ли определить спин частицы по угловому распределению продуктов распада? Возникает ли частица одна или в сочетании с другой частицей? Наблюдается ли распад одной и той же частицы на другие частицы (такие как бозон Хиггса, который впервые наблюдался как в двухфотонном спектре, так и в результате его 4-лептонного распада)? Наблюдалась ли в независимом эксперименте та же самая частица со статистически совместимыми параметрами? Какая теоретическая модель лучше всего соответствует наблюдениям? Существуют ли теоретические модели, исключенные наблюдениями? Нужны ли дальнейшие эксперименты или еще большие ускорители, чтобы ответить на эти вопросы? Вся эта аналитическая работа в конечном итоге приведет к большему знанию, новым моделям, новым предсказаниям и новым экспериментам.
Физика элементарных частиц — это наука-открытие
Физика элементарных частиц — это наука-открытие — Физика элементарных частиц — это наука-открытие
Задача физики элементарных частиц состоит в том, чтобы выяснить, из чего состоит наш мир и как он работает в самых малых масштабах. Физика элементарных частиц исследует неизведанную вселенную от мельчайших частиц до дальних уголков космоса. Стремление понять наш мир вдохновляет и обучает студентов по всей стране и стимулирует инновации, которые улучшают здоровье, благосостояние и безопасность нации.
Физика элементарных частиц — наука открытий
PDF 2 МБ
Американская программа исследований в области физики элементарных частиц позволяет американским ученым совершать открытия нового поколения дома и за рубежом. Исследователи университетов и национальных лабораторий США ищут ответы на некоторые из самых больших вопросов человечества.
Каковы основные силы природы?
Физики элементарных частиц из Соединенных Штатов являются лидерами в поисках понимания бозона Хиггса и поиска новых частиц и взаимодействий.
Закрыть
Какие строительные блоки материи?
Призрачные и таинственные нейтрино кажутся краеугольным камнем во взаимодействии элементарных частиц. Американские ученые – лидеры в использовании интенсивных пучков нейтрино и чувствительных детекторов для выявления роли, которую они играют.
Закрыть
Как Вселенная развилась до своей нынешней формы?
Темная материя и темная энергия составляют 96% содержимого Вселенной и составляют структуру галактик, которую мы видим сегодня. Но что такое темная материя и темная энергия? Американские ученые являются лидерами в наземных и космических экспериментах, чтобы ответить на эти вопросы.
Закрыть
Детектор нейтринного эксперимента Daya Bay. Изображение предоставлено Национальной лабораторией Лоуренса Беркли.
Телескоп Южного полюса. Изображение предоставлено NSF.
Сообщество США реализует свое видение будущего, основанное на пяти взаимосвязанных научных факторах. Эти убедительные направления исследований показывают большие перспективы для открытий.
Использование бозона Хиггса в качестве нового инструмента для открытий
Недавно обнаруженный бозон Хиггса представляет собой невиданную ранее форму материи, и он загадочен. Какие принципы определяют его воздействие на другие частицы? Как она взаимодействует с нейтрино или с темной материей? Есть ли одна частица Хиггса или много? Действительно ли новая частица фундаментальна или состоит из других частиц? Бозон Хиггса предлагает уникальный портал в законы природы.
Close
Изучить физику, связанную с массой нейтрино
За последние два десятилетия физика нейтрино значительно продвинулась вперед благодаря удивительным открытиям, что нейтрино обладают массой и что они меняются между типами по мере своего перемещения.
Разнообразная исследовательская программа с использованием астрофизики элементарных частиц, экспериментов с ускорителями и реакторами открыла новый ландшафт в физике нейтрино с многообещающим будущим для дальнейших открытий. Недавние результаты показывают, что ответы на некоторые из наиболее важных вопросов о нейтрино находятся в пределах досягаемости экспериментов следующего поколения. Физики теперь знают, что нейтрино существуют трех типов и что они колеблются, т. е. меняют тип при движении в пространстве и времени. Наблюдаемые осцилляции означают, что нейтрино имеют массы. Многие аспекты физики нейтрино вызывают недоумение, а экспериментальная картина неполна. Будущие эксперименты будут посвящены вопросам: каково происхождение массы нейтрино? Как упорядочены массы (так называемая иерархия масс)? Какие массы? Нейтрино и антинейтрино колеблются по-разному? Существуют ли дополнительные типы нейтрино или взаимодействия? Являются ли нейтрино собственными античастицами?
Закрыть
Определить новую физику темной материи
Астрофизические наблюдения показывают, что известные частицы Стандартной модели составляют лишь около одной шестой всей материи во Вселенной.
Остальное — темная материя. Предполагается, что темная материя состоит из одного или нескольких видов новых частиц. Свойства этих частиц, окружающих нас повсюду, неизвестны. Темная материя представляет собой причудливый теневой мир фундаментальных частиц, которые одновременно вездесущи и практически незаметны. Эксперименты готовы раскрыть сущность темной материи, открытие, которое изменит область физики элементарных частиц, продвинув понимание основных строительных блоков Вселенной.
Close
Понимание космического ускорения: темная энергия и инфляция
Вооружившись двойными инструментами телескопов, которые заглядывают в прошлое, и высокоэнергетическими ускорителями, изучающими элементарные частицы, ученые собрали воедино историю происхождения и эволюции Вселенной. Важной частью этой истории является существование двух периодов, в течение которых расширение Вселенной ускорялось. Первичная эпоха ускорения, называемая инфляцией, произошла в течение первой доли секунды существования.
Причина этой инфляции неизвестна, но, возможно, связана с неизученной в настоящее время физикой сверхвысоких энергий. Вторая отчетливая эпоха ускоренного расширения началась примерно девять миллиардов лет спустя и продолжается сегодня. Предполагается, что это расширение вызвано какой-то темной энергией, которая может быть связана с космологической постоянной Эйнштейна, или другим типом темной энергии, которая развивается со временем.
Закрыть
Исследуйте неизвестное: новые частицы, взаимодействия и физические принципы
Существуют четкие признаки новых явлений, ожидающих открытия, помимо тех, что мотивируют остальные четыре движущих силы. Физика элементарных частиц — это наука об открытиях, определяемая поиском новых частиц и новых взаимодействий, а также проверкой физических принципов. Инструменты для этого поиска разнообразны и включают в себя пучки протонов и электронов очень высоких энергий, интенсивные пучки протонов и космические источники частиц сверхвысоких энергий.