基礎(chǔ)物理學(xué)五大發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)大爆炸完全是偶然事件

　　北京時(shí)間11月3日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，當(dāng)你講解科學(xué)方法時(shí)，你會(huì)考慮到使用最好的方法洞悉宇宙的一些自然現(xiàn)象。首先基于一些理論觀點(diǎn)，然后進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能驗(yàn)證了之前的理論觀點(diǎn)，也有可能與理論觀點(diǎn)相背。然而真實(shí)的世界將遠(yuǎn)比研究人員預(yù)想的更加復(fù)雜，有時(shí)你做的科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全與預(yù)期不同，有時(shí)，正確的解釋需要飛躍性思維，超出人們理性的邏輯觀點(diǎn)。以下是令人驚奇的五項(xiàng)基礎(chǔ)物理學(xué)發(fā)現(xiàn)：

　　邁克爾遜設(shè)計(jì)了一種干涉儀，用于測(cè)量地球穿過(guò)“以太(aether，是一種曾被假想的電磁波的傳播媒質(zhì))”時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況，而不是證實(shí)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論。

　　1、當(dāng)增強(qiáng)光的來(lái)源時(shí)，光速并不會(huì)發(fā)生改變。想像一下，你以最快速度投擲一個(gè)球，球的速度取決于你運(yùn)動(dòng)速度。僅使用手臂投擲，球速可以達(dá)到100英里/小時(shí)(45米/秒);如果你在火車或者飛機(jī)上投擲球，球速會(huì)更快，達(dá)到300英里/小時(shí)(134米/秒)。如果在火車內(nèi)以火車行進(jìn)的相同方向投擲球，球速會(huì)達(dá)到多快呢?實(shí)驗(yàn)表明球速會(huì)在火車速度的基礎(chǔ)上增加，達(dá)到400英里/小時(shí)(179米/秒)。目前，你想像一下，如果你不是投擲球，而是發(fā)射一束光，按照人們常規(guī)思維會(huì)認(rèn)為，在火車內(nèi)以火車行進(jìn)的相同方向發(fā)射一束光，“真實(shí)光速”應(yīng)該會(huì)提升。然而這將是一個(gè)完全錯(cuò)誤的答案。

　　實(shí)際上你所做的實(shí)驗(yàn)是愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的核心觀點(diǎn)，這并不是愛(ài)因斯坦進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，而是科學(xué)家阿爾伯特·邁克爾遜(Albert Michelson)，他在19世紀(jì)80年代進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了這一情況。無(wú)論是保持地球運(yùn)轉(zhuǎn)相同方向、垂直方向、反平行方向，發(fā)射的光束速度都不會(huì)產(chǎn)生差異，光速始終保持相同速度：c=299792458米/秒，即：光波或電磁波在真空或介質(zhì)中的傳播速度。

　　邁克爾遜設(shè)計(jì)了一種干涉儀，用于測(cè)量地球穿過(guò)“以太(aether，是一種曾被假想的電磁波的傳播媒質(zhì))”時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況，而不是證實(shí)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論。因其設(shè)計(jì)精密光學(xué)儀器，以及借助該儀器在光譜學(xué)和度量學(xué)的研究工作中所做巨大貢獻(xiàn)，邁克爾遜被授予1907年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他的研究成果也是科學(xué)史上一項(xiàng)最重要的發(fā)現(xiàn)。

　　歐內(nèi)斯特 盧瑟福在超薄的金箔上放射性衰變發(fā)射高能帶電粒子，之前他信心十足地期待所有粒子都會(huì)穿過(guò)，許多人都會(huì)這樣認(rèn)為，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎意料。

　　2、原子99.9%的質(zhì)量集中在一個(gè)非常致密的原子核中。你聽(tīng)過(guò)關(guān)于原子的“葡萄干布丁模型”嗎?現(xiàn)今這種理論觀點(diǎn)聽(tīng)起來(lái)很奇特，但在20世紀(jì)是被人們普遍接受的，當(dāng)時(shí)科學(xué)家認(rèn)為原子是一個(gè)混合結(jié)構(gòu)——負(fù)電荷(其特征像葡萄干)嵌入遍布太空環(huán)境的正電荷介質(zhì)(其特征像布丁)。電子可以被剝離或者竊取，從而解釋了靜電現(xiàn)象。多年以來(lái)，J.J。湯姆森(J.J。 Thomson)提出的“葡萄干布丁”復(fù)合原子模型被人們所接受。直到歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)實(shí)驗(yàn)推翻了該模型理論，盧瑟福在超薄的金箔上放射性衰變發(fā)射高能帶電粒子，之前他信心十足地期待所有粒子都會(huì)穿過(guò)，許多人都會(huì)這樣認(rèn)為，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎意料。盧瑟福指出，這是我一生中遇到最不可思議的事情，這就像你發(fā)射一枚15英寸口徑炮彈射擊在一張紙上，炮彈卻又朝向你反彈射過(guò)來(lái)。

　　盧瑟福所發(fā)現(xiàn)的是原子核，事實(shí)上包含一個(gè)原子的所有質(zhì)量，限定在原子千萬(wàn)億分之一的體積之中。這項(xiàng)研究代表著現(xiàn)代物理學(xué)的誕生，它為20世紀(jì)量子進(jìn)化論奠定了基礎(chǔ)。

　　中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子、電子和反電子中微子，是衰變過(guò)程中能量非守恒的“根源”。

　　3、“消失能量”導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)極小、接近無(wú)形的微粒。在我們所看到所有粒子之間的交互作用中，能量總是處于守恒狀態(tài)。它可以從一種類型轉(zhuǎn)換至另一種類型——?jiǎng)菽?、?dòng)能、靜止質(zhì)量(狹義相對(duì)論中的質(zhì)量)、化學(xué)能量、原子能、電能等，但是這些類型的能量從來(lái)不會(huì)制造或者毀滅。近百年來(lái)，科學(xué)家對(duì)此感到迷惑不解，他們發(fā)現(xiàn)一些放射性衰變會(huì)使總能量輕微減少。丹麥物理學(xué)家波爾假設(shè)能量始終保持守恒，除非當(dāng)能量損失的時(shí)候，但是波爾的假設(shè)理論是錯(cuò)誤的，理論物理學(xué)家泡利提出了其它理論觀點(diǎn)。

　　波爾主張能量必須保持守恒，所以他在1930年提出存在一種新粒子——中微子。這種“微小的中性粒子”不會(huì)產(chǎn)生電磁交互作用，而是會(huì)有一個(gè)極小質(zhì)量，并攜帶動(dòng)能。然而許多人對(duì)此持懷疑態(tài)度，上世紀(jì)50-60年代核反應(yīng)產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)最終探測(cè)到中微子和反中微子，這將幫助物理學(xué)家們建立標(biāo)準(zhǔn)模型和弱核交互作用模型。這是一個(gè)驚人的例子，一旦研制適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)技術(shù)，理論預(yù)測(cè)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的進(jìn)步。　

　　1912年，科學(xué)家維克多?赫斯(Victor Hess)進(jìn)行了氣球運(yùn)載實(shí)驗(yàn)，其目的是搜尋高能量宇宙粒子，在實(shí)驗(yàn)中他很快發(fā)現(xiàn)了大量的粒子，并成為了“宇宙射線之父”。

　　4、我們所接觸的所有粒子都有高能量、不穩(wěn)定“近親”。如果你對(duì)一個(gè)驗(yàn)電器充電，它的兩個(gè)傳導(dǎo)金屬葉片會(huì)連接至另一個(gè)導(dǎo)體，兩個(gè)葉片將獲得相同的電荷，最終會(huì)排斥對(duì)方。如果你將驗(yàn)電器放置在真空中，金屬葉片將不會(huì)放電，但隨著時(shí)間的推移，最終會(huì)電荷流失。我們對(duì)這種放電的最好理解是，高能量粒子從外太空、宇宙射線釋放碰撞地球，碰撞的產(chǎn)物導(dǎo)致驗(yàn)電器放電。

　　1912年，科學(xué)家維克多·赫斯(Victor Hess)進(jìn)行了氣球運(yùn)載實(shí)驗(yàn)，其目的是搜尋高能量宇宙粒子，在實(shí)驗(yàn)中他很快發(fā)現(xiàn)了大量的粒子，并成為了“宇宙射線之父”。通過(guò)構(gòu)造一個(gè)帶有磁場(chǎng)的探測(cè)室，你可以依據(jù)粒子軌道曲線測(cè)量速度和質(zhì)量比率，質(zhì)子、電子，甚至是反物質(zhì)的第一個(gè)粒子都可以通過(guò)這種方法被探測(cè)到。1933年，科學(xué)家保羅·庫(kù)澤(Paul Kunze)在實(shí)驗(yàn)中獲得了最大發(fā)現(xiàn)，他在研究宇宙射線的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了粒子的軌道就像電子一樣……并且比預(yù)期的重?cái)?shù)百倍!

　　μ介子的壽命僅2.2微秒，之后是由卡爾·安德遜(Carl Anderson)和他的學(xué)生賽斯·內(nèi)德梅耶(Seth Neddermeyer)在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)和探測(cè)到的。物理學(xué)家I.I。拉比因發(fā)現(xiàn)核磁共振而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他發(fā)現(xiàn)了μ介子的存在。后期科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了復(fù)合粒子(例如：質(zhì)子和中子)，以及基礎(chǔ)粒子(例如：夸克、電子和中微子)，這些粒子的質(zhì)量都較重，μ介子成為迄今發(fā)現(xiàn)首個(gè)“第二代粒子”。

　　宇宙誕生于大爆炸，但是發(fā)現(xiàn)大爆炸完全是偶然事件。

　　5、宇宙誕生于大爆炸，但是發(fā)現(xiàn)大爆炸完全是偶然事件。上世紀(jì)40年代，物理學(xué)家喬治·伽莫夫(George Gamow)和他的合作者提出了一項(xiàng)激進(jìn)觀點(diǎn)：現(xiàn)今宇宙膨脹和冷卻并非是由于過(guò)去熾熱和密集，而是反復(fù)無(wú)常的結(jié)果。如果你大膽追溯推測(cè)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)足夠熾熱的宇宙能夠電離其內(nèi)部所有物質(zhì)，而在更遙遠(yuǎn)的區(qū)域還會(huì)分裂原子核，這是他提出的“大爆炸”理論，該觀點(diǎn)還形成兩個(gè)重要預(yù)測(cè)：一是我們的宇宙最初并不僅是由質(zhì)子和電子組成的物質(zhì)，而是由混合的光元素構(gòu)成，在高能量早期宇宙中融合在一起;二是當(dāng)宇宙冷卻至足以形成中性原子的時(shí)候，高能輻射就會(huì)被釋放出來(lái)，并沿著一條直線永恒傳播，直至它與某些物體發(fā)生碰撞，隨著宇宙的膨脹而發(fā)生紅移和失去能量。

　　“宇宙微波背景(cosmic microwave background)”是在絕對(duì)零度之上的幾度條件下預(yù)測(cè)其存在的，1964年，科學(xué)家阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和鮑勃·威爾遜(Bob Wilson)偶然間發(fā)現(xiàn)大爆炸余輝，他們?cè)谪悹枌?shí)驗(yàn)室里用無(wú)線電研究雷達(dá)，發(fā)現(xiàn)天空中遍布均勻的噪音，這些噪音并非來(lái)自于太陽(yáng)、地球大氣層以及銀河系，對(duì)此他們感到十分困惑。因此他們用拖把清除了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的天線，消除了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的雜波，但是噪音仍然存在。直到將研究結(jié)果送至他們熟悉的普林斯頓大學(xué)研究小組(迪克、皮布爾斯、威爾遜等科學(xué)家組成)，他們使用輻射計(jì)對(duì)這種類型的信號(hào)進(jìn)行精確勘測(cè)，識(shí)別發(fā)現(xiàn)這些噪音的重要性，這是首次證實(shí)我們宇宙的起源。