基础物理学五大发现
本文转载自新浪探索（ID：sinascience），作者：叶倾城
当你讲解科学方法时，你会考虑到使用最好的方法洞悉宇宙的一些自然现象。首先基于一些理论观点，然后进行相应的实验，实验结果可能验证了之前的理论观点，也有可能与理论观点相背。然而真实的世界将远比研究人员预想的更加复杂，有时你做的科学实验结果完全与预期不同，有时，正确的解释需要飞跃性思维，超出人们理性的逻辑观点。现今的宇宙物理学仍很难理解，但是科学家们的致力探索带来了一些惊喜，如果你希望进一步探索，会获得更多的发现。以下是令人惊奇的五项基础物理学发现：
迈克尔逊设计了一种干涉仪，用于测量地球穿过“以太（aether，是一种曾被假想的电磁波的传播媒质）”时的运动状况，而不是证实爱因斯坦的狭义相对论。
1.当增强光的来源时，光速并不会发生改变
想像一下，你以最快速度投掷一个球，球的速度取决于你运动速度。仅使用手臂投掷，球速可以达到100英里/小时（45米/秒）；如果你在火车或者飞机上投掷球，球速会更快，达到300英里/小时（134米/秒）。如果在火车内以火车行进的相同方向投掷球，球速会达到多快呢？实验表明球速会在火车速度的基础上增加，达到400英里/小时（179米/秒）。目前，你想像一下，如果你不是投掷球，而是发射一束光，按照人们常规思维会认为，在火车内以火车行进的相同方向发射一束光，“真实光速”应该会提升。然而这将是一个完全错误的答案。
实际上你所做的实验是爱因斯坦狭义相对论的核心观点，这并不是爱因斯坦进行的实验发现，而是科学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson），他在19世纪80年代进行的实验中证实了这一情况。无论是保持地球运转相同方向、垂直方向、反平行方向，发射的光束速度都不会产生差异，光速始终保持相同速度：c=299792458米/秒，即：光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。
迈克尔逊设计了一种干涉仪，用于测量地球穿过“以太（aether，是一种曾被假想的电磁波的传播媒质）”时的运动状况，而不是证实爱因斯坦的狭义相对论。因其设计精密光学仪器，以及借助该仪器在光谱学和度量学的研究工作中所做巨大贡献，迈克尔逊被授予1907年度诺贝尔物理学奖，他的研究成果也是科学史上一项最重要的发现。
欧内斯特-卢瑟福在超薄的金箔上放射性衰变发射高能带电粒子，之前他信心十足地期待所有粒子都会穿过，许多人都会这样认为，但是实验结果出乎意料。
2.原子99.9%质量集中在一个非常致密的原子核中
你听过关于原子的“葡萄干布丁模型”吗？现今这种理论观点听起来很奇特，但在20世纪是被人们普遍接受的，当时科学家认为原子是一个混合结构——负电荷（其特征像葡萄干）嵌入遍布太空环境的正电荷介质（其特征像布丁）。电子可以被剥离或者窃取，从而解释了静电现象。多年以来，J.J。汤姆森（J.J。 Thomson）提出的“葡萄干布丁”复合原子模型被人们所接受。直到欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）实验推翻了该模型理论，卢瑟福在超薄的金箔上放射性衰变发射高能带电粒子，之前他信心十足地期待所有粒子都会穿过，许多人都会这样认为，但是实验结果出乎意料。卢瑟福指出，这是我一生中遇到最不可思议的事情，这就像你发射一枚15英寸口径炮弹射击在一张纸上，炮弹却又朝向你反弹射过来。
卢瑟福所发现的是原子核，事实上包含一个原子的所有质量，限定在原子千万亿分之一的体积之中。这项研究代表着现代物理学的诞生，它为20世纪量子进化论奠定了基础。
中子转化为质子、电子和反电子中微子，是衰变过程中能量非守恒的“根源”。
3.“消失能量”导致发现极小、接近无形的微粒
在我们所看到所有粒子之间的交互作用中，能量总是处于守恒状态。它可以从一种类型转换至另一种类型——势能、动能、静止质量（狭义相对论中的质量）、化学能量、原子能、电能等，但是这些类型的能量从来不会制造或者毁灭。近百年来，科学家对此感到迷惑不解，他们发现一些放射性衰变会使总能量轻微减少。丹麦物理学家波尔假设能量始终保持守恒，除非当能量损失的时候，但是波尔的假设理论是错误的，理论物理学家泡利提出了其它理论观点。
波尔主张能量必须保持守恒，所以他在1930年提出存在一种新粒子——中微子。这种“微小的中性粒子”不会产生电磁交互作用，而是会有一个极小质量，并携带动能。然而许多人对此持怀疑态度，上世纪50-60年代核反应产物的实验最终探测到中微子和反中微子，这将帮助物理学家们建立标准模型和弱核交互作用模型。这是一个惊人的例子，一旦研制适当的实验技术，理论预测有时会产生巨大的进步。
1912年，科学家维克多-赫斯（Victor Hess）进行了气球运载实验，其目的是搜寻高能量宇宙粒子，在实验中他很快发现了大量的粒子，并成为了“宇宙射线之父”。
4.我们接触的所有粒子有高能量、不稳定“近亲”
如果你对一个验电器充电，它的两个传导金属叶片会连接至另一个导体，两个叶片将获得相同的电荷，最终会排斥对方。如果你将验电器放置在真空中，金属叶片将不会放电，但随着时间的推移，最终会电荷流失。我们对这种放电的最好理解是，高能量粒子从外太空、宇宙射线释放碰撞地球，碰撞的产物导致验电器放电。
1912年，科学家维克多·赫斯（Victor Hess）进行了气球运载实验，其目的是搜寻高能量宇宙粒子，在实验中他很快发现了大量的粒子，并成为了“宇宙射线之父”。通过构造一个带有磁场的探测室，你可以依据粒子轨道曲线测量速度和质量比率，质子、电子，甚至是反物质的第一个粒子都可以通过这种方法被探测到。1933年，科学家保罗·库泽（Paul Kunze）在实验中获得了最大发现，他在研究宇宙射线的时候发现了粒子的轨道就像电子一样……并且比预期的重数百倍！
μ介子的寿命仅2.2微秒，之后是由卡尔·安德逊（Carl Anderson）和他的学生赛斯·内德梅耶（Seth Neddermeyer）在实验中证实和探测到的。物理学家I.I。拉比因发现核磁共振而获得了诺贝尔物理学奖，他发现了μ介子的存在。后期科学家们陆续发现了复合粒子（例如：质子和中子），以及基础粒子（例如：夸克、电子和中微子），这些粒子的质量都较重，μ介子成为迄今发现首个“第二代粒子”。
宇宙诞生于大爆炸，但是发现大爆炸完全是偶然事件
5.宇宙诞生于大爆炸，但发现大爆炸是偶然事件
上世纪40年代，物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）和他的合作者提出了一项激进观点：现今宇宙膨胀和冷却并非是由于过去炽热和密集，而是反复无常的结果。如果你大胆追溯推测，你会发现足够炽热的宇宙能够电离其内部所有物质，而在更遥远的区域还会分裂原子核，这是他提出的“大爆炸”理论，该观点还形成两个重要预测：一是我们的宇宙最初并不仅是由质子和电子组成的物质，而是由混合的光元素构成，在高能量早期宇宙中融合在一起；二是当宇宙冷却至足以形成中性原子的时候，高能辐射就会被释放出来，并沿着一条直线永恒传播，直至它与某些物体发生碰撞，随着宇宙的膨胀而发生红移和失去能量。
“宇宙微波背景（cosmic microwave background）”是在绝对零度之上的几度条件下预测其存在的，1964年，科学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和鲍勃·威尔逊（Bob Wilson）偶然间发现大爆炸余辉，他们在贝尔实验室里用无线电研究雷达，发现天空中遍布均匀的噪音，这些噪音并非来自于太阳、地球大气层以及银河系，对此他们感到十分困惑。因此他们用拖把清除了实验室内部的天线，消除了实验过程中产生的杂波，但是噪音仍然存在。直到将研究结果送至他们熟悉的普林斯顿大学研究小组（迪克、皮布尔斯、威尔逊等科学家组成），他们使用辐射计对这种类型的信号进行精确勘测，识别发现这些噪音的重要性，这是首次证实我们宇宙的起源。
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