Когда вас учат научному методу, вы привыкаете следовать аккуратной процедуре, чтобы получить представление о каком-то естественном явлении нашей Вселенной. Начните с идеи, проведите эксперимент, проверьте идею или опровергните ее, в зависимости от результата. Но в реальной жизни все оказывается гораздо сложнее. Иногда вы проводите эксперимент, и его результаты расходятся с тем, что вы ожидали. Иногда подходящее объяснение требует проявления воображения, которое выходит далеко за рамки логических суждений любого разумного человека. Сегодняшняя физическая Вселенная довольно хорошо понята, но история о том, как мы к этому пришли, полна сюрпризов. Перед вами пять великих открытий, совершенных совершенно непредсказуемым образом.

Когда ядро вылетает из пушки сзади грузовика ровно с такой же скоростью, с какой тот движется, скорость снаряда оказывается нулевой. Если же вылетает свет, он всегда движется со скоростью света.

Скорость света не меняется при ускорении источника света

Представьте, что вы бросаете мяч как можно дальше. В зависимости от того, в каком виде спорта вы играете, мяч можно разогнать до 150 км/ч, используя силу рук. А теперь представьте, что вы на поезде, который движется невероятно быстро: 450 км/ч. Если вы бросите мяч из поезда, двигаясь в том же направлении, как быстро будет двигаться мяч? Просто суммируйте скорость: 600 км/ч, вот и ответ. А теперь представьте, что вместо того, чтобы бросить мяч, вы испускаете луч света. Добавьте скорость света к скорости поезда и получите ответ, который будет… совершенно неверным.

Это была центральная идея специальной теории относительности Эйнштейна, но само открытие сделал не Эйнштейн, а Альберт Михельсон в 1880-х годах. И неважно, выпускали бы вы пучок света по направлению движения Земли или перпендикулярно этому направлению. Свет всегда двигался с одинаковой скоростью: с, скорость света в вакууме. Михельсон разрабатывал свой интерферометр для измерения движения Земли через эфир, а вместо этого проложил путь для относительности. Его Нобелевская премия 1907 года стала самым известным в истории нулевым результатом и важнейшим в истории науки.

99,9% массы атома сосредоточено в невероятно плотном ядре

В начале 20 века ученые считали, что атомы сделаны из смены отрицательно заряженных электронов (начинка торта), заключенных в положительно заряженной среде (торт), которая заполняет все пространство. Электроны можно оторвать или удалить, чем объясняется явление статического электричества. Долгие годы модель композитного атома в положительно заряженном субстрате Томпсона была общепринятой. Пока Эрнест Резерфорд не решился ее проверить.

Обстреливая высокоэнергетическими заряженными частицами (из радиоактивного распада) тончайшую пластинку золотой фольги, Резерфорд ожидал, что все частицы пройдут насквозь. И некоторые прошли, а некоторые отскочили. Для Резерфорда это было совершенно невероятно: будто бы вы выстрелили пушечным ядром в салфетку, и оно отскочило.

Резерфорд обнаружил атомное ядро, которое содержало практически всю массу атома, заключенное в объеме, который занимал одну квадриллионную (10-15) размера всего атома. Это ознаменовало рождение современной физики и проложило путь для квантовой революции 20 века.

«Недостающая энергия» привела к открытию мельчайшей, практически невидимой частицы

Во всех взаимодействиях, которые мы когда-либо видели между частицами, энергия сохранялась всегда. Она может быть преобразована из одного типа в другой — потенциальный, кинетический, массы, покоя, химический, атомный, электрический и т. д. — но никогда не разрушается и не исчезает. Около сотни лет назад ученых озадачил один процесс: при некоторых радиоактивных распадах продукты распада имеют меньшую общую энергию, чем исходные реагенты. Нильс Бор даже постулировал, что энергия всегда сохраняется… кроме тех случаев, когда нет. Но Бор ошибся и за дело взялся Паули.

Преобразование нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино является решением проблемы сохранения энергии при бета-распаде

Паули утверждал, что энергия должна сохраняться, и еще в 1930 году предложил новую частицу: нейтрино. Эта «нейтральная крошка» не должна взаимодействовать электромагнитно, а переносит небольшую массу и уносит кинетическую энергию. Хотя многие были настроены скептично, эксперименты с продуктами ядерных реакций в конечном итоге выявили как нейтрино, так и антинейтрино в 1950-х и 1960-х годах, что помогло привести физиков как к Стандартной модели, так и к модели слабых ядерных взаимодействий. Это потрясающий пример того, как теоретические предсказания могут иногда приводить к впечатляющему прорыву при появлении подходящих экспериментальных методов.

Все частицы, с которыми мы взаимодействуем, имеют высокоэнергетические, нестабильные аналоги

Часто говорят, что прогресс в науке встречают не фразой «эврика!», а «очень смешно», и это отчасти правда. Если вы заряжаете электроскоп — в котором два проводящих металлических листа соединены с другим проводником — оба листа получат один и тот же электрический заряд и в результате оттолкнут друг друга. Но если вы поместите этот электроскоп в вакуум, листы не должны разряжаться, но со временем разрядятся. Как это объяснить? Лучшее, что нам пришло в голову, — из космоса на Землю попадают высокоэнергетические частицы, космические лучи, и продукты их столкновений разряжают электроскоп.

В 1912 году Виктор Гесс провел эксперименты по поиску этих высокоэнергетических частиц на воздушном шаре и обнаружил их в большом изобилии, став отцом космических лучей. Построив детекторную камеру с магнитным полем, вы можете измерить как скорость, так и отношение заряда к массе, основываясь на кривых движениях частиц. Протоны, электроны и даже первые частицы антиматерии были обнаружены при помощи этого способа, но самый большой сюрприз пришел в 1933 году, когда Пол Кунце, работая с космическими лучами, обнаружил след от частицы, похожей на электрон… только в тысячи раз тяжелее.

Мюон с временем жизни всего 2,2 микросекунды был позднее подтвержден экспериментально и обнаружен Карлом Андерсоном и его студентом Сетом Неддермайером, использующими облачную камеру на земле. Позже выяснилось, что составные частицы (такие как протон и нейтрон) и фундаментальные (кварки, электроны и нейтрино) — все имеют несколько поколений более тяжелых родственников, причем мюон является первой частицей «поколения 2», когда-либо обнаруженной.

Вселенная началась со взрыва, но это открытие было совершенно случайным

В 1940-х годах Георгий Гамов и его коллеги предложили радикальную идею: что Вселенная, которая расширяется и остывает сегодня, была горячей и плотной в прошлом. И если уйти достаточно далеко в прошлое, Вселенная будет достаточно горячей, чтобы ионизировать всю материю в ней, а еще дальше — разбивает атомные ядра. Эта идея стала известной как Большой Взрыв, и вместе с ней возникло два серьезных предположения:

• Вселенная, с которой мы начали, была не только из материи с простыми протонами и электронами, но состояла из смеси легких элементов, которые синтезировались в высокоэнергетической юной Вселенной.
• Когда Вселенная остыла достаточно, чтобы сформировались нейтральные атомы, это высокоэнергетическое излучение было выпущено и стало двигаться по прямой целую вечность, пока не столкнется с чем-то, пройдет через красное смещение и потеряет энергию по мере расширения Вселенной.

Возникло предположение, что этот «космический микроволновый фон» будет всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.

В 1964 году Арно Пензиас и Боб Уилсон случайно обнаружили послесвечение Большого Взрыва. Работая с радиоантенной в лаборатории Белла, они обнаружили однородный шум везде, куда ни смотрели на небе. Это не было Солнцем, галактикой или атмосферой Земли… они просто не знали, что это. Поэтому они помыли антенну, убрали голубей, но от шума так и не избавились. И только тогда, когда результаты показали физику, знакомому с подробными предсказаниями всей Принстонской группы, он с помощью радиометра определил тип сигнала и осознал важность находки. Впервые ученые узнали о происхождении Вселенной.

Оглядываясь на те научные знания, которые мы имеем сегодня, с их прогностической силой, и на то, как столетия открытий изменили нашу жизнь, мы соблазняемся видеть в науке устойчивое развитие идей. Но на самом деле история науки беспорядочна, полна сюрпризов и насыщена спорами.