Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

100 фундаментальных экспериментов,
на которые опирается современная физика:
от Галилея до наших дней.

Список экспериментов (по областям физики).

Щелкая на названиях экспериментов левой клавишей мыши, вы попадете в раздел, посвященный конкретному эксперименту. Для того, чтобы посмотреть краткое описание эксперимента, не переходя к посвященной ему страничке, щелкните на надписи «Краткое описание...» справа от его названия.

Области физики:

Перейти к хронологическому списку экспериментов >>

    Механика

  1. В своих опытах Галилей подтвердил догадку о том, что тела равноускоренно падают и скатываются по наклонной плоскости в поле силы тяжести. Этим он опроверг господствовавшую веками точку зрения Аристотеля, согласно которой тяжелые тела должны падать быстрее легких. Открытие закона равноускоренного движения проложило дорогу к ньютоновской физике, в которой ускорение тела пропорционально действующей на него силе.

  2. Мысленно обобщив экспериментально подтвержденный факт, что шар, скатываемый с наклонной плоскости, поднимается на исходную высоту, Галилей приходит к выводу, что в отсутствие внешних воздействий он будет бесконечно долго катиться по горизонтальной плоскости. Этот принцип инерции переворачивает физику Аристотеля, в которой любое движение должно прийти к покою, а также приводит к первому в истории физики принципу относительности, впоследствии обобщенному Эйнштейном.

  3. Эмпирические данные, накопленные астрономами до Ньютона и обобщенные Кеплером в его трех замечательных законах, получили теоретическое объяснение только в «Математических началах натуральной философии» Ньютона на основе предложенного им закона всемирного тяготения. Астрономические наблюдения сыграли в утверждении последнего немаловажную роль, поскольку первым его успехом было правильное вычисление периода обращения Луны вокруг Земли.

  4. Один из первых прецезионных экспериментов, уловивший гравитационное взаимодействие в лабораторных условиях. Благодаря этому эксперименту дальнейшие спекуляции на тему закона всемирного тяготения стали бессмысленными. Кроме того, получив выражение для гравитационной постоянной, Кавендиш, говоря его собственными словами, «взвесил Землю», т.е. рассчитал ее массу, зная расстояние до Луны и период обращения последней вокруг Земли.

  5. Блистательный мысленный эксперимент, апеллирующий к эмпирически установленной относительности движения инерциальных систем отсчета, позволил сформулировать закон сохранения импульса. К этому мысленному эксперименту Гюйгенса подвели его исследования упругих столкновений шаров. С другой стороны, на основе сформулированного закона сохранения импульса он ввел еще один фундаментальный принцип в физике волн — принцип Гюйгенса — и заложил основы волновой теории света.

  6. Гюйгенс всесторонне исследовал колебания маятников, продолжив исследования Галилея, — в частности, с целью создания точных маятниковых часов. Он заметил, что нарушение изохронности колебаний, т.е. независимости их периода от амплитуды, наступает при достаточно больших отклонениях маятника от положения равновесия, и разработал циклоидальный маятник, свободный от этого недостатка. Результатом исследований Гюйгенса стали в десятки-сотни раз более точные часы, а также математическая теория кривых и теория колебаний маятника.

  7. С помощью маятника, подвешенного на 56-метровой нити за купол парижского Пантеона, Фуко ясно и просто показал, что Земля движется вокруг своей оси и поэтому является неинерциальной системой отсчета. Это проявлялось в медленном повороте (прецессии) плоскости колебаний маятника из-за действия силы инерции Кориолиса.

    Электродинамика

  8. Вильям Гильберт и Бенджамин Франклин были первыми, кто исследовал образование и истечение зарядов на диэлектриках. В частности, первый из них показал, что свойством электризоваться при трении обладает не только янтарь, как считали греки, но и многие другие вещества, в частности, минералы. Франклин развил исследования Гильберта, обнаружив существование двух знаков заряда и предположив, что знак заряда зависит от того, больше или меньше электрического флюида (дословно, жидкости) находится в теле, по сравнению с равновесным, нейтральным состоянием.

  9. Шарль Кулон поставил первый в истории прецезионный эксперимент по измерению силы притяжения между двумя заряженными шарами. В нем применялась техника точных и чувствительных крутильных весов, усиленная многочисленными решениями по минимизации влияния сторонних факторов на измеряемую силу. Результатом эксперимента явился основной закон взаимодействия зарядов в электростатике — закон Кулона — гласящий, что сила взаимодействия точечных зарядов пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

  10. Луиджи Гальвани первым обнаружил, что живые ткани (в частности, мышечная ткань) могут как генерировать, так и откликаться на электричество. Он также был первым, кто открыл контактную разность потенциалов на границе двух различных металлов, хотя и неправильно интерпретировал ее происхождение в своих опытах. Алессандро Вольта пересмотрел точку зрения Гальвани, всячески исследовал его гальванические элементы (две пластинки из разных металлов, между которыми проложен смоченный в электролите лоскут) и сформулировал концепцию электрического напряжения. В частности, он создал прибор для измерения напряжения и изучил основные его свойства. Также Вольта изобрел первый источник высокого напряжения — вольтов столб.

  11. С помощью эксперимента, использующего крутильные весы, Георг Ом пришел к своему закону, выражающему силу тока в проводнике через его сопротивление, а также ЭДС и внутреннее сопротивления источника питания. Кроме того, он показал независимость силы тока от других параметров. Полученные Омом результаты неявно говорили в пользу дрейфового характера движения зарядов в металлах.

  12. Закон Джоуля–Ленца — один из законов, на которых базируется закон сохранения и превращения энергии: в данном случае электрическая энергия преобразуется в эквивалентную ей тепловую. Открытие подобных превращений и универсальной сохраняющейся величины — энергии — потеснило общепринятую теорию теплорода. Наконец, закон Джоуля–Ленца, как и закон Ома, говорил в пользу дрейфового характера движения носителей заряда, переносящих ток.

  13. Исследования электролиза Фарадеем перебросили мост между химией и физикой. Он показал, что электричество имеет прямое отношение к химической связи, более того, что ее образование и разрыв сопровождается переносом электрического заряда в строго определенных количествах. Каждому атому вещества необходимо для этого определенное количество заряда, пропорциональное некоторому элементарному. Опыты Фарадея и сформулированные на их основе законы далеко продвинули представления о строении вещества и поставили задачу о нахождении частиц (электронов), ответственных за химическую связь.

  14. Джозеф Джон Томсон разгадал загадку известных и до него катодных лучей: их траектория изгибалась в магнитном поле, но не изгибалась в электрическом. Создав катодную трубку с высоким вакуумом, напоминающую современный кинескоп, и построив математическую модель движения заряженных частиц в ней, он доказал, что катодные лучи состоят из отрицательно-заряженных частиц. Для этих частиц он измерил удельный заряд e/m, и оказалось, что последний почти в 2000 раз меньше удельного заряда иона водорода H+. Фактически, в эксперименте была открыта первая субатомная частица — электрон.

  15. Дискретность электрического заряда, которую можно было только предположить на основании опытов Фарадея по электролизу, была непосредственно доказана в экспериментах Милликена и Иоффе. В этих опытах наблюдалось движение практически нейтральных частиц во внешнем электрическом поле. Результатом явилось обнаружение дискретности заряда частиц и измерение элементарного заряда. Этот заряд со знаком минус был приписан электрону, поскольку именно обмен электронами приводил к изменению зарядов наблюдаемых в опытах частиц.

  16. Карл Рикке с помощью простого опыта показал, что ток в металлах абсолютно не затрагивает их кристаллическую решетку. Было показано, что протекание тока из одного металлического проводника в другой, сделанный из другого металла, никак не приводит к смешиванию металлов. Эксперимент Рикке, несмотря на свою простоту, является чрезвычайно весомым аргументом в пользу электронной теории тока в металлах.

  17. Попросту говоря, Толмен и Стюарт доказали, что частица, которая переносит ток в металлах, совпадает с электроном, полученным Дж.Дж. Томсоном из катодных лучей. Они использовали инерционную генерацию тока: если движущийся металлический проводник подвергнуть резкому торможению, то электронный газ внутри него под действием силы инерции на малое время сместится к «носу» от «кормы» проводника. Это приводит к образованию инерционной ЭДС на его концах, которую и измерили Толмен и Стюарт. Сравнив ускорение проводника и полученную в опыте ЭДС, они вычислили удельный заряд частиц, участвующих в токе, который замечательно совпал с удельным зарядом электрона Томсона.

  18. Эрстед был первым, кто наблюдал магнитное действие тока — можно сказать, первопроходцем электромагнетизма. Пусть качественно, но он исследовал поворот магнитной стрелки, установленной вблизи провода с электрическим током, тем самым показав, что электрические и магнитные явления таинственным образом связаны.

  19. Ампер продолжил исследования Эрстеда, подойдя к задаче количественно. Во-первых, он обнаружил, что взаимодействуют не только ток с магнитом, но и два проводника с током. Во-вторых, с помощью точнейших весов Ампер изучил зависимость силы взаимодействия между проводниками с током от расстояния и силы тока, а удостоверился в ее независимости от вещества проводников. В результате был получен закон Ампера, дающий силу взаимодействия двух проводников с током. Фактически, Ампер обнаружил первый релятивистский эффект — магнитное взаимодействие движущихся зарядов — наблюдаемый только потому, что в проводнике их число чрезвычайно велико. Также на основе своего закона Ампер пришел к важнейшей гипотезе молекулярных токов.

  20. Открытие явления электромагнитной индукции как бы продолжило исследования Ампера: теперь было обнаружено, что и магнитное поле может быть источником электрических явлений. Изменение магнитного поля или его направления относительно проводника приводило к образованию ЭДС в последнем, что и наблюдали в своих опытах Фарадей и Генри. Чрезвычайно важным для данных открытий является также изобретение катушки индуктивности Генри. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, что укрепило его полевые представления в отношении электричества и магнетизма. Этот закон в несколько обобщенном виде был включен Максвеллом в уравнения электромагнитного поля.

  21. Уравнения Максвелла были теоретической конструкцией, обобщавшей законы Гаусса, Ампера и Фарадея для электромагнитного поля. Из этих уравнений напрямую следовала возможность существования электромагнитных волн в пустоте и в диэлектриках, поэтому обнаружение, а главное, генерация этих волн, представляли собой важную экспериментальную задачу. Эту задачу успешно решил Генрих Герц, сначала построив математическую теорию излучения колеблющегося диполя, а затем изготовив вибратор, излучающий волны определенной частоты. Герц доказал, что для излучаемых волн характерны интерференция, поляризация, преломление и отражение, а также измерил их скорость и длины волн. Полученная скорость совпала со скоростью света, что вместе с обнаруженными Герцем другими свойствами волн, характерными для света, делало практически неоспоримой гипотезу о его электромагнитной природе.

    Молекулярная и статистическая физика

  22. Эвангелиста Торричелли с помощью экспериментов с изобретенным им ртутным барометром не только продемонстрировал наличие атмосферного давления, но и доказал, что столб ртути на определенной высоте удерживает именно давление воздуха, а не втягивающая сила со стороны пустоты, образующейся над этим столбом, как считали некоторые его предшественники. Он измерил атмосферное давление и обнаружил его вариации со временем, что предопределило череду исследований связи погодных явлений и атмосферного давления.

  23. Физик, математик и философ Блез Паскаль наглядно продемонстрировал гидростатический парадокс с помощью известного опыта, в котором вес пары кружек воды, налитых в длинную и тонкую вертикальную трубку, создавал на ее нижнем конце давление, способное разорвать закрытую дубовую бочку. Результатом этого и других опытов, проведенных Паскалем, явился основной закон гидростатики (закон Паскаля): давление, приложенное к жидкости или газу, передается во все его точки и действует одинаково по всем направлениям.

  24. Джон Уильям Рэлей выполнил достаточно простой опыт, до которого, тем не менее, до него никто не додумался: опустив каплю масла на поверхность воды, он стал наблюдать ее растекание во все более и более тонкую пленку, в конце концов дождавшись остановки процесса ее утончения. Это означало, что пленка теперь состоит из одного слоя молекул жира, и измерив площадь пленки, Рэлей оценил размеры этих молекул. Полученный результат дал оценку для молекулярных масштабов в иерархии строения вещества (в данном случае речь шла о макромолекулах органической природы, состоявших из сотен атомов).

  25. Эти исследования начались, естественно, с самого Роберта Брауна (R.Brown), который, будучи ботаником, обнаружил хаотическое дрожание мелких твердых частиц пыльцы, взвешенных в капле воды. Дальнейшие исследования Р.Брауна и других ученых привели к выводу о постоянстве броуновского движения и его независимости от внешних воздействий, сотрясающих жидкость, в которой взвешены броуновские частицы. Кроме того, физик и математик Мариан Смолуховский вывел формулу для среднеквадратичного смещения броуновской частицы за время t. Все эти открытия подготовили почву для будущего опыта Перрена и теории броуновского движения А. Эйнштейна.

  26. С помощью точного и красивого опыта с вращающимися цилиндрами Отто фон Штерн измерил и визуализировал распределение атомов газообразного серебра по скоростям. Вероятность для одной из компонент скорости атомов соответствовала толщине слоя серебряного напыления, возникавшего на металлической стенке одного из цилиндров, при этом значения скорости «отсчитывались» по азимуту вокруг оси цилиндра. Этот опыт подтвердил ключевое для статистической физики распределение Максвелла частиц газа по скоростям.

  27. В опыте Жана Батиста Перрена исследовалось распределение мелких частиц, взвешенных в жидкости, помещенной в гравитационное поле Земли. В отличие от газа, в этом случае была очевидна дискретность частиц и случайность их броуновского блуждания, --- тем не менее, средняя концентрация частиц, которая достигалась по прохождении времени релаксации, полностью соответствовала распределению Больцмана, т.е. экспоненциально убывала с высотой. На основе анализа этой закономерности и ее сравнения с барометрической формулой Перрен нашел основные параметры микроскопического масштаба молекулярно-кинетической теории: число Авогадро и массы некоторых молекул. Кроме этого, исследования Перрена подтвердили математическую теорию броуновского движения Эйнштейна–Смолуховского.

  28. Уравнение состояния идеального газа, называемое ныне уравнением Клапейрона–Менделеева, открывалось по частям. Отдельно исследовались изобарический, изотермический и изохорный режимы. Для данных исследований важное значение также имели развитие воздухоплавания, разработка ртутного барометра и газового термометра, способного измерять абсолютную температуру.

  29. Джеймс Джоуль провел серию опытов, в которых изучал взаимные превращения между различными видами энергии: механической, химической, электрической, тепловой. В частности, изучая, сколько тепла может дать использование потенциальной энергии груза заданной массы, поднятого над землей на 1 метр, он обнаружил, что это количество является универсальным, т.е. не зависит от рода тела и теплоприемника. По сути дела, Джоуль получил энергетический эквивалент тепловой единицы — калории.

  30. Спиновое эхо — это эффект самопроизвольной ориентации спинов частиц через существенное время после ее утери в силу эффектов беспорядочного взаимодействия между частицами. Восстановление начального, высоко упорядоченного состояния с малой энтропией производится с помощью короткого импульса магнитного поля, который в прямом смысле слова переворачивает все спины и в результате обращает их эволюцию во времени. Данный эффект является экспериментальной реализацией гипотетического обращения скоростей молекул газа. Такое обращение, согласно законам механики, должно привести к эволюции термодинамической системы против второго начала термодинамики — с уменьшением энтропии.

    Оптика

  31. Виллеброрд Снеллиус, исследовав преломление света на границе различных сред, обнаружил, что отношение угла падения к углу преломления является постоянным для данной пары сред. В результате им был введен показатель преломления, который еще нескоро будет связан со скоростью света в среде. И лишь в опытах Фуко середины XIX века эта скорость будет измерена напрямую, выявив окончательное несогласие с предсказаниями корпускулярной теории света Ньютона.

  32. Эразм Бартолин впервые описал двойное лучепреломление в кристаллах исландского шпата. Он тщательно исследовал явление, однако, не сделал никаких предположений о его причинах. Христиан Гююйгенс, продолживший исследования Бартолина, обнаружил, что два преломленных луча обладают разными свойствами, в частности, уже не расщепляются во втором кристалле исландского шпата, параллельном первому. На основе своей волновой теории и представлении о сфероидальных волнах Гюйгенс предложил теорию двулучепреломления, очень близкую к современным воззрениям. Фактически, открытие данного явления распахнуло дверь в физику поляризации света.

  33. Исаак Ньютон с помощью несложных опытов с призмой продемонстрировал, что разложение света в радугу не обусловлено его окрашиванием веществом призмы. Более того, радужные лучи, собранные вместе в пустоте, без участия стекла снова порождают белый свет. В результате была опровергнута аристотелевская теория света, в которой цвета считались производными от «света» и «тьмы». Таким образом, было обнаружено еще одно свойство света — цвет — и дан дисперсионный метод, позволяющий исследовать данное свойство. Тем не менее, о связи цвета и частоты колебаний не было известно ничего: сам Ньютон считал цвет внутренним свойством световых корпускул, у которых отсутствовали какие бы то ни было частоты.

  34. Исаак Ньютон открыл один из важнейших интерференционных эффектов, возникающий на контакте двух прозрачных тел переменной толщины. Например, между линзой, лежащей своей выпуклой поверхностью на стеклянной подложке, и подложкой возникает тонкий воздушный слой переменной толщины (клин), приводящий к интерференции двух лучей, отраженных от его граней. Данный эффект наблюдается в виде разноцветных концентрических окружностей (эллипсов), локализованных в точке соприкосновения линзы и поверхности.

  35. Итальянский ученый Франческо Гримальди впервые обнаружил, что свет обладает возможностью заходить в область геометрической тени, более того, очертания самой тени при этом размываются, и вблизи ее границы возникают темные и светлые полосы радужной окраски. Аналогичные опыты в монохроматическом свете по схеме Гримальди провел Ньютон.

  36. Жесткое рентгеновское излучение обладает настолько малой длиной волны, что проходит в любые, даже микроскопические щели без дифракционного отклонения. Другими словами, рентгеновские лучи ведут себя, как потоки корпускул. Для обнаружения волновых свойств этого излучения Макс фон Лауэ предложил использовать трехмерную дифракционную решетку, составленную периодически выстроенными ионами кристалла. Основываясь на теории отражения от кристаллических плоскостей, построенной отцом и сыном Брэггами, Лауэ смог расшифровать рентгеновскую дифракционную картину, совершенно не похожую на результат дифракции света на двумерных решетках. Фактически, Лауэ и Брэгги заложили основы рентгеноструктурного анализа, который дает сведения о структуре (поли)кристаллических веществ на атомном уровне.

  37. Доминик Араго поставил решающий эксперимент для волновой теории света Френеля: из этой теории следовало, что параллельный пучок света, падающий нормально на непрозрачный диск, должен создавать за ним дифракционные светлые и темные концентрические кольца, причем в центре обязательно должно быть светлое пятно. Данный факт, выведенный теоретически Симеоном Пуассоном, казалось бы, противоречил ежедневным наблюдениям светотени — однако, Араго провел точный эксперимент по наблюдению светлого центрального пятна и удостоверился в справедливости теории Френеля.

  38. Томас Юнг провел классический опыт по наблюдению интерференции сферических волн, исходивших от двух тонких щелей в непрозрачном экране. Более того, Юнг предложил правильное объяснение наблюдавшегося явления на основе волновой теории света. Он же ввел в оптику термин «интерференция». Значение опыта Юнга трудно переоценить: он открыл дверь в волновую оптику как область физики, обладающую предсказательной силой.

  39. Еще Христиан Гюйгенс обнаружил, что два луча, возникающие при преломлении света в исландском шпате, уже не испытывают двойного лучепреломляются, если на их пути поставить второй, параллельный первому кристалл шпата. С другой стороны, при повороте данного кристалла относительно первого два луча расщепляются на четыре. Эти простые наблюдения говорят об отличии свойств света обыкновенного луча от необыкновенного — и, в то же время, о том, что эти свойства переходит друг в друга при повороте. Кроме того, Юнг и Френель обнаружили, что две световые поляризации не интерферируют друг с другом, что вместе с наблюдениями Гюйгенса приближало науку к пониманию поперечности световых волн.

  40. Этьен Малюс обнаружил, что свет, отраженный от диэлектриков, обладает частичной поляризацией: видимая яркость этого света зависит от угла поворота кристалла исландского шпата, через который его наблюдают. Более того, при определенном угле падения отраженный свет оказывается полностью (т.е. линейно) поляризованным. Зависимость этого угла от свойств диэлектрика исследовалась Этьеном Малюсом, а также Дэвидом Брюстером, причем последний показал, что при падении света под углом поляризации отраженный и преломленный лучи образуют прямой угол. Открытие Малюса и Брюстера являлось крайне важным для понимания явления поляризации света.

  41. Данное явление называется магнитооптическим эффектом Фарадея и связано с различием фазовых скоростей распространения света с правой и левой циркулярной поляризацией. В отличие от линейно поляризованной волны, для которой вектор напряженности электрического поля колеблется «вверх-вниз», у циркулярно поляризованной волны этот вектор описывает круг по или против часовой стрелки. Магнитооптический эффект демонстрирует взаимосвязь магнитного поля и оптических явлений, поэтому прокладывает дорогу электромагнитной теории света Максвелла.

  42. Петр Николаевич Лебедев провел прецезионное измерение давления света, которое предсказывала электромагнитная теория Максвелла. На пути к измерению этой ничтожной величины ему пришлось преодолеть соперничающие со световым давлением силы, имеющие газокинетическую природу. Несмотря на пренебрежимую малость светового давления в быту, именно оно приводит к образованию хвостов комет и удерживает вещество внутри звезд в состоянии динамического равновесия.

  43. Оле (Олаф) Рёмер исследовал источник небольшой апериодичности наблюдающихся затмений спутника Юпитера Ио для задач навигации: по этим затмениям было бы легко синхронизировать часы на кораблях в открытом море. Рёмер сделал неожиданное предположение: апериодическая добавка к временному промежутку между ближайшими затмениями связана с конечностью скорости света. За время между затмениями расстояние от Юпитера до Земли успевает измениться, поэтому свет затрачивает уже большее время на его преодоление. В итоге Рёмер вычислил значение скорости света, равное 220000км/с, которое с учетом точности имеющихся в конце XVII века астрономических данных было близко к истинному. Распространение света попало в сферу интересов физики и приобрело количественную характеристику — скорость.

  44. С помощью техники быстро вращающегося колеса, между зубьями которого при правильной синхронизации проходили падающий и отраженный лучи, Ипполит Физо смог обнаружить эффекты запаздывания в земных условиях. Измеренная скорость света составила 313000км/с.

  45. Жан Леон Фуко осуществил с некоторыми усовершенствованиями идею Доминика Араго о постановке опыта по измерению скорости света с вращающимся зеркалом. В опыте Фуко свет от такого зеркала проходил через оптическую систему с большой базой и возвращался на зеркало, уже повернувшееся на некоторый угол. По сдвигу зайчика можно было определить запаздывание отраженного луча — и в итоге скорость света. Фуко получил значение скорости света в вакууме с точностью до 500км/с, а также измерил скорость света в воде. Последняя оказалась меньше скорости света в вакууме в n=1.33 раза, что согласовывалось с волновой теорией света. В рамках корпускулярной модели света Ньютона скорость света в среде должна быть в n раз больше его скорости в вакууме.

  46. Изобретение лазера как источника электромагнитных полей высокой напряженности открыло во второй половине XX века совершенно новую область — нелинейную оптику. При взаимодействии света высокой интенсивности со средой распространения свойства последней меняются (модулируются) полем электромагнитной волны. В результате становятся возможными такие эффекты, как самофокусировка света, генерация высших гармоник, смешение частот, оптическое выпрямление, рассеяние света на свете и др. Первыми нелинейными эффектами взаимодействия прозрачной среды с электромагнитным полем, обнаруженными еще в конце XIX века, были электрооптические эффекты Керра и Поккельса, заключающиеся в изменении показателя преломления среды при ее помещении в постоянное электрическое поле.

    Специальная теория относительности

  47. Брэдли исследовал наблюдавшееся еще до него годичное движение звезд по эллиптическим траекториям на небесной сфере. Удивительно, что все звезды в данной части неба описывали эллипсы одинакового размера, что скорее всего не могло быть связанным с движением самих звезд (в таком случае последние обязаны были находиться на одинаковом расстоянии от Земли). С другой стороны, дополнительное движение звезд не могло быть обусловлено и движением самой Земли, т.к. эллипсы были неодинаковыми в разных небесных широтах. Данное явление, называющееся аберрацией, Брэдли объяснил на основе представлений о конечности скорости света и движении Земли сквозь неподвижный эфир. Благодаря этому движению астроному казалось, что свет звезды исходит из другой точки, которая и смещалась из-за изменения вектора скорости Земли. Как результат, Брэдли была дана оценка величины скорости света в вакууме.

  48. В рамках чисто ньютоновской теории скорость света в движущейся среде должна получаться векторным сложением со скоростью самой среды, поэтому возникал вопрос: если свет распространяется в эфире со скоростью c, а в неподвижной стеклянной линзе — со скоростью c/n, то с какой скоростью он будет распространяться в движущейся линзе? Данный вопрос актуален в астрономии, поскольку все телескопы движутся вокруг Солнца вместе с Землей со скоростью 30км/с. В рамках тривиальных подходов скорость света в движущихся линзах должна была модифицироваться так, что менялись законы преломления света — и, в итоге, оптическая сила линз. Последнее обнаруживало бы зависимость наблюдаемой величины аберрации от конструкции телескопа. Несмотря на это, Доминик Араго обнаружил полную независимость видимого положения звезд от вещества линз телескопа. Данный результат теоретически объяснил Огюстен Френель на основе представления об увлечении эфира движущимися прозрачными телами. Теория Френеля дает первое приближение для релятивистской формулы сложения скоростей.

  49. Джордж Эйри продолжил линию опытов Араго, наблюдая аберрацию звезд через слой воды. В опытах Эйри использовался зенитный телескоп, через который наблюдал аберрацию и Брэдли. Результаты экспериментов еще раз подтвердили независимость законов преломления от скорости движения среды относительно неподвижного эфира. Этот опытный факт, как и результаты Френеля, приближал физику к пониманию лоренц-инвариантности.

  50. Ипполит Физо, поставивший свой знаменитый опыт по измерению скорости света в вакууме с помощью зубчатого колеса, провел и другой эксперимент, в котором изучалась зависимость скорости света в среде от скорости движения последней. В опыте Физо 1851 года два луча света проходили по и против течения воды, а затем интерферировали. Измеренная конечная разность фаз между лучами зависела от разности скоростей света в двух направлениях, которая, как оказалось, находится в соответствии с теорией частичного увлечения эфира Френеля. По сути дела, Физо поставил первый полностью наземный эксперимент по измерению влияния движения прозрачной среды на скорость света.

  51. Соперничающая с теорией относительности теория излучения Уолтера Ритца предсказывала наличие зависимости скорости излучаемого света от скорости источника. В такой теории свет от компонент двойной звезды, движущихся по эллипсам, будет распространяться быстрее, когда излучающая звезда движется к Земле, и медленнее, когда звезда удаляется от нее. В результате на Землю, удаленную от двойной звезды на значительное расстояние, «медленная» и «быстрая» волны придут с существенной разницей во времени. Тем не менее, наблюдение двойных звезд, периодически заслоняющих друг друга, позволяет заключить, что звездные затмения происходят регулярно и никаких запаздывающих световых лучей от звезд не исходит. Замечательно, что регистрация затмения двойной звезды не требует разрешения ее компонент: в это время у звезды падает видимая яркость. В теории Ритца также возможно одновременное наблюдение двух изображений звезды, которое в реальности не наблюдается. Это говорит о независимости скорости света от движения источника с высокой степенью точности.

  52. В опыте Майкельсона–Морли два луча, полученные разделением одного, проходили равные расстояния между зеркалами в перпендикулярных направлениях, после чего интерферировали. В опыте наблюдался нулевой максимум, имеющий место одновременно для всех длин волн (т.е. в белом свете), по мере медленного вращения всего интерферометра. Если бы скорость света в двух перпендикулярных направлениях отличалась (что наверняка должно было иметь место при движении Земли сквозь неподвижный эфир), разность фаз между двумя лучами менялась бы при повороте интерферометра. Майкельсону удалось доказать равенство скоростей света с точностью до орбитальной скорости Земли (30км/с) — что говорило об отсутствии «эфирного ветра». Опыт Майкельсона–Морли является ключевым для теории относительности и говорит о том, что скорость света не зависит от движения наблюдателя.

  53. Опыт Майкельсона–Морли, на самом деле, чувствителен только к разности скоростей света вдоль перпендикулярных плеч интерферометра: с помощью него нельзя зафиксировать изменение самой скорости с течением времени. С другой стороны, движение Земли по-разному складывается с движением Солнечной системы и Млечного Пути в течение года, поэтому абсолютная величина скорости движения Земли относительно неподвижных звезд (и эфира?) также испытывает сезонные изменения. Чтобы исследовать возможные вариации скорости света на движущейся с переменной скоростью Земле, Кеннеди и Торндайк использовали высокоточный интерферометр типа Майкельсона, но с плечами различной длины. Наблюдение интерференционных максимумов высоких порядков в течение полугода показало отсутствие их смещения — стало быть, наблюдаемая скорость света не зависит от скорости Земли. В рамках теории относительности ее независимость может быть объяснена тем, что на движущейся Земле время замедляется, причем во столько же раз, во сколько сокращаются все расстояния вдоль движения планеты.

  54. Из-за релятивистского замедления времени частицы, движущиеся с околосветовыми скоростями, с точки зрения покоящегося наблюдателя распадаются медленнее. По этой причине короткоживущие релятивистские мюоны, рождающиеся при взаимодействии космических лучей с атмосферой, проникают в нее значительно глубже. Именно это свойство мюонов исследовалось в эксперименте Бруно Росси и Дэвида Холла. В предположении отсутствия замедления времени получалось, что мюоны движутся в несколько раз быстрее света.

  55. Использование столкновений пучков частиц является энергетически более привлекательным, чем бомбардировка неподвижной мишени: в первом случае большая часть энергии частиц идет на столкновение, а меньшая уходит в отдачу. Это основная идея ускорителей частиц на встречных пучках (коллайдеров). Оказывается, релятивистская зависимость кинетической энергии частиц от их импульса приводит к существенно большему выигрышу в энергии столкновения на коллайдере, чем ожидается в нерелятивистской механике. Это повсеместно наблюдается на современных ускорителях.

  56. В 1887 году с помощью своего интерферометра Майкельсон обнаружил расщепление спектральных линий атома водорода, которое было названо тонким в силу своей малости. Это открытие было сделано задолго до появления специальной теории относительности Эйнштейна (1905) и модели атома Бора–Зоммерфельда (1913). В 1916 году в рамках этой модели Арнольд Зоммерфельд показал, что тонкое расщепление уровней связано с релятивистскими поправками к движению электрона в атоме.

  57. Вывод нерелятивистского выражения для эффекта Доплера не учитывает релятивистское замедление времени у источника волн. При учете последнего обстоятельства оказывается, что небольшой сдвиг частоты претерпевает и сигнал, пришедший к нам в направлении, перпендикулярном к направлению движения источника. Данное явление называется поперечным эффектом Доплера и отсутствует в нерелятивистском пределе. Для исследования этого эффекта Ивес и Стилвелл использовали излучение разогнанных в разрядной трубке положительных ионов — анодных лучей. Результаты наблюдения спектра этого излучения подтвердили предсказания теории относительности с точностью до нескольких процентов.

  58. Современные релятивистские концепции сформировались в понятие о лоренц-инвариантности — независимости свойств физической системы от ее поворотов в четырехмерном пространстве-времени. По этой причине все векторные величины являются относительными, а абсолютными (инвариантными) являются только длины и скалярные произведения. Современные эксперименты по проверке лоренц-инвариантности также изучают тесно связанную с ней CPT-четность — сохранение формы физических законов при одновременном отражении в пространстве-времени и замене частиц на античастицы. Поиски вакуумного расщепления фотона и эффекта Фарадея, отличия хода атомных часов, выполненных из материи и антиматерии, а также специфических расщеплений атомных спектров, которые могут возникнуть из-за нарушения лоренц- и CPT-инвариантности, дали отрицательные результаты, поэтому на сегодняшний день лоренц-инвариантность является фундаментальной симметрией Мироздания. Несмотря на это, в рамках многих моделей, в том числе, теории суперструн, ожидается возможность незначительного ее нарушения.

    Квантовая теория и физика элементарных частиц

  59. В 1927 году Дэвиссон и Джермер провели опыт по дифракции электронов на металлической пластинке. Этот опыт напоминал эксперименты Макса фон Лауэ по дифракции рентгеновских лучей на кристалле: в качестве щелей дифракционной решетки использовались промежутки между атомами кристаллической решетки. В экспериментах фон Лауэ была доказана волновая природа рентгеновских лучей, а в опытах Дэвиссона–Джермера — электронов. Эти свойства находились в полном соответствии с гипотезой коппускулярно-волнового дуализма Луи де Бройля.

  60. В данном опыте также исследовалась дифракция электронов, однако в качестве дифракционной решетки использовался поликристалл, состоящий из беспорядочно расположенных кристаллических «осколков». В силу дифракции отражение от кристаллических плоскостей осколков происходит только на определенные углы (т.н. условие Брэгга–Вульфа), поэтому то же самое имеет место для всего поликристалла. Дифракционная картина, как и предполагалось, состояла из концентрических колец, радиусы которых соответствовали брэгговским максимумам. Из экспериментов Томсона–Тартаковского также получалась длина волны электронов, даваемая соотношением де Бройля.

  61. Опыт Фабриканта–Бибермана однозначно заключил: дифракция электронов не есть коллективное явление, в частности, она не связана с взаимодействием электронов друг с другом. В данном опыте пучок электронов проходил через малое круглое отверстие и, так же, как в оптике, образовывал дифракционную картину в виде концентрических колец. Тем не менее, данная картина сохраняла свой вид, даже когда через систему пролетали отдельные электроны. Для наблюдения дифракционной картины в таком режиме необходимо было большое время экспозиции, тем не менее, радиусы кругов находились в точном соответствии с гипотезой де Бройля.

  62. В эксперименте Йонссона исследовалась двухлучевая интерференция электронов по схеме Юнга (интерференция на двух щелях). Этот опыт также выявил независимость способности электронов к дифракции от величины их потока. Электроны интерферировали сами с собой. С другой стороны, отдельные электроны не расщеплялись на две части, проходящие через каждую из щелей, как световая волна. Действительно, при попытке регистрации прохождения электронов через одну из щелей дифракционная картина мгновенно исчезала: на экране оставались только две полосы, имеющие место в неквантовой корпускулярной теории. Таким образом, в опыте Йонссона было обнаружено явление квантовой декогеренции (разрушения дифракционной картины) наблюдением квантовой частицы.

  63. Исследования спектров теплового излучения начались задолго до появления квантовой теории и кульминировали в законах Кирхгофа. Эти законы, в частности, утверждали, что спектральное распределение равновесного излучения абсолютно черного (не отражающего свет) тела не зависит от его природы и определяется лишь температурой этого тела. Из классической статистической физики получалось, однако, что полная энергия высокочастотных компонент этого излучения расходится. Несмотря на эту ультрафиолетовую катастрофу, асимптотики спектра излучения были получены Рэлеем, Джинсом и Вином. В теории равновесного излучения оставалось одно недостающее звено — фундаментальная константа, позволяющая переводить температуру в частотные единицы. Именно эту константу и ввел Планк, предложив квантование энергии излучающих осцилляторов. В теории Планка удивительным образом получались все известные асимптотики для спектра излучения черного тела, а также устранялась ультрафиолетовая катастрофа.

  64. Антуан Анри Бекеррель исследовал явление флуоресценции — вторичного свечения веществ под действием солнечного или другого света — в связи с высказанной Анри Пуанкаре гипотезой о флуоресцентной природе рентгеновского излучения. В частности, Бекеррель изучал соли урана, известные своей флуоресценцией в видимом диапазоне. Действительно, излучение этих солей, помещенных на солнечный свет, засвечивало завернутую в черную бумагу фотопластинку. Внезапно оказалось, что ураносодержащие соли засвечивают фотопластинку и в темном ящике, более того, они испускают лучи высокой проникающей способности независимо ни от каких внешних факторов. Это явление было названо спонтанной радиоактивностью.

  65. Фотоэффект проявляет себя не только как эмиссия электронов с поверхности освещенного светом металла, но и как фотопроводимость, возникновение фотоЭДС в электролитах и т.п. Последнее явление было открыто Александром Эдмоном Бекеррелем и явно говорило о связи между химией, электричеством и светом. Явление же фотоэлектронной эмиссии было впервые описано Генрихом Герцем, который отмечал облегчение пробоя своего резонатора при его освещении ультрафиолетовыми лучами. Дальнейшие опыты обнаружили, что эмитируется с поверхности проводника именно отрицательный заряд. После открытия электрона Томсоном Филипп Ленард также доказал, что именно эти частицы выбиваются световой волной из металла.

  66. Александр Столетов провел систематическое исследование явление фотоэффекта: сравнил его величину для различных металлов, изучил влияние состояния поверхности металла на его способность к фотоэмиссии, измерил зависимость тока эмиссии от интенсивности и длины волны света, а также температуры образца. Помимо множества побочных результатов (например, поглощающей способности воздуха), он получил беспрецедентные данные о фотоэффекте, обобщенные в виде трех законов. Один из этих законов, утверждающий наличие красной границы фотоэффекта, прямо указывает на его квантовую природу, которая и была описана в теории Эйнштейна 1908 года.

  67. Явление автоэлектронной эмиссии — вырывания электронов из металла сильным постоянным электрическим полем — было открыто Робертом Вудом в 1897 году. Дальнейшие исследования этого явления показали, что ток эмиссии экспоненциально возрастает с убыванием напряженности. Такой закон мог получаться из классической термодинамики — однако, эксперименты безапелляционно свидетельствовали, что автоэлектронная эмиссия не зависит от температуры. Теория данного явления была разработана Фаулером и Нордхаймом на основе квантовой механики. Это явление оказалось следствием туннельного эффекта — прохождения квантовой частицы через потенциальный барьер, слишком высокий для его классического преодоления.

  68. В опыте Франка–Герца исследовалась возможность неупругих столкновений атомов ртути с разогнанными электрическим полем электронами. Оказалось, что электроны, обладающие энергией ниже определенного значения, пролетая через пары ртути, взаимодействуют с атомами упруго. Электроны же с энергиями выше этой «красной границы» при столкновениях с атомами ртути переводят их в возбужденное состояние и оттого теряют энергию. Это проявляется в уменьшении электронного тока через прибор и говорит о квантованной структуре энергетических уровней атомов ртути.

  69. Эрнест Резерфорд, исследуя внутреннюю структуру атомов золота и других тяжелых металлов ударами быстрых альфа-частиц, обнаружил, что внутри атома имеется очень малое ядро, способное оттолкнуть альфа-частицу на угол, близкий к 180o. В этом положительно заряженном ядре, согласно экспериментам, была сосредоточена практически вся масса атома. Наблюдавшаяся структура атома шла существенно вразрез с моделью атома Томсона, в которой изюминки-электроны плавают внутри облака положительного заряда. Такое облако просто не могло создать достаточно сильное кулоновское поле, чтобы оттолкнуть альфа-частицу. На основе своих опытов Резерфорд предложил планетарную модель атома, которая, однако, обладала существенным недостатком: электроны, теряя энергию на излучение, должны были быстро упасть на ядро. В борьбе с этой проблемой и возникла квантовая механика, начавшаяся с постулатов Бора–Зоммерфельда и гипотезы де Бройля.

  70. Крайне важным для атомной физики было исследование спектра атома водорода, которое началось с работ Иоганна Бальмера. Он обнаружил, что линии излучения водорода организуются в серию, и вывел эмпирическое выражение для длин волн спектральных линий. Впоследствии были открыты и другие серии, причем формула Бальмера для длин волн легко на них обобщалась. Это обобщение, сделанное Ридбергом, было прямым отражением пока загадочной внутриатомной структуры. Для ее описания была необходима теория, которая смогла бы объяснить как дискретный спектр атома, так и формулу Бальмера—Ридберга. Такой теорией стала модель Бора 1913 года, основанная на квантовых представлениях, в частности, гипотезе де Бройля.

  71. Интересно, что открытый в 1896 году Питером Зееманом эффект триплетного расщепления спектральных линий атома натрия в магнитном поле был вполне объясним на уровне классической физики. Данное объяснение на основе понятия о ларморовой прецессии и дал Антон Лоренц, после чего ему вместе с Зееманом была присуждена Нобелевская премия. Только через двадцать лет Альфред Ланде обнаружил гораздо чаще встречающийся в природе аномальный эффект Зеемана — расщепление линий на более чем три компоненты. Данный эффект, в отличие от нормального эффекта Зеемана, уже никак не укладывается в классическую механику и электродинамику. Ланде дал адекватное объяснение этому явлению на основе квантовой механики: оказалось, что аномальный эффект Зеемана есть проявление наличия спинового момента электрона и его квантовомеханического сложения с орбитальным моментом.

  72. Уиллис Лэмб и Роберт Ризерфорд с помощью тончайшего эксперимента, основанного на методе атомных пучков, обнаружили, что между состояниями 2p1/2 и 2s1/2 атома водорода имеется энергетическая щель примерно в 1000 МГц шириной. Это расщепление ожидалось в рамках квантовой механики из-за взаимодействия электрона атома с нулевыми флуктуациями электромагнитного поля, которые становились пространственно-неоднородными в кулоновском поле ядра. Результаты Лэмба и Ризерфорда считаются первым экспериментальным подтверждением квантовой теории поля, обобщающей принципы квантовой механики на системы с бесконечным числом степеней свободы — поля.

  73. Эффект Казимира, как и лэмбовский сдвиг, является проявлением квантовополевого вакуума. Вакуум квантовой теории поля — наинизшее энергетическое состояние полей, приходящее на смену классической пустоте. Такой вакуум заполнен флуктуациями, вообще говоря, обладающими энергией. По этой причине изменение пространственной конфигурации вакуума (например, обрамление его непроницаемой для поля оболочкой) требует энергетических затрат (или наоборот, высвобождает энергию). Наличие энергии вакуума, в частности, проявляется в притяжении двух параллельных незаряженных металлических пластин в пустоте — эффекте Казимира. Данный эффект был предсказан Хендриком Казимиром в 1948 году, а его достоверные измерения были проведены лишь в 1990-х. Несмотря на сложность своего наблюдения, данный эффект играет важную роль в ядерной физике, физике коллоидных растворов и, возможно, даже в космологии.

  74. Аномальный магнитный момент электрона возникает благодаря тому, что последний постоянно испускает виртуальные фотоны, а затем поглощает их. В результате сложения аномального и дираковского магнитного моментов гиромагнитное отношение для спина электрона становится равным не двум, а примерно 2.002. Этот эффект был экспериментально подтвержден Грегори Брейтом и Поликарпом Кушем с помощью измерения зеемановского расщепления в атомных пучках.

  75. Взаимодействие электронов с электромагнитным излучением очень малых длин волн (например, рентгеновскими лучами) подобно столкновениям шаров. При этом, с одной стороны, рассеянный свет имеет частоту, отличающуюся от частоты падающего, а, с другой стороны, возможно рассеяние с понижением частоты. Данный эффект был тщательно изучен и объяснен на основе квантовых представлений Артуром Комптоном в 1923 году. В его экспериментах длина волны рассеянного на графите рентгеновского излучения измерялась с помощью брэгговского спектрометра. Формула, полученная Комптоном исходя из понятий о фотонах, хорошо описывала наблюдающиеся частотные сдвиги рассеянного излучения.

  76. Фотоэлектронный умножитель — прибор, использующий вторичную электронную эмиссию для многократного усиления электронной лавины, изначально порожденной фотоэффектом. Каскадное усиление лавины позволяет четко наблюдать единичные акты фотоэффекта, порождаемые отдельными фотонами, при этом их энергия соответствует формуле Планка.

  77. В опыте Штерна–Герлаха 1921 года, как предполагалось изначально, было открыто наличие нормального гиромагнитного отношения g=1 и квантования орбитального момента электронов в атомах серебра. В этом опыте пучок атомов, помещенный в неоднородное магнитное поле, расщеплялся на две компоненты, что говорило о наличии в нем атомов с двумя значениями проекции магнитного момента на направление поля. Вообще говоря, расщепление пучка, обусловленное орбитальным моментом, должно было давать нечетное число компонент, однако предполагалось, что третья компонента по каким-то причинам не наблюдается. Лишь спустя четыре года Уленбек и Гаудсмит предложили гипотезу о наличии спина электрона с гиромагнитным соотношением g=2, проекция которого на заданную ось может принимать значения ±1/2. В свете этой гипотезы результаты опыта Штерна–Герлаха были переосмыслены, и последний стал прямым подтверждением гипотезы о спине.

  78. В опыте Барнетта 1914 года исследовалось намагничение металлического стержня, возникающее при его быстром вращении вокруг своей оси. Данный эффект должен был иметь место, поскольку, как предполагалось, магнитные свойства атомов обусловлены наличием в них витков тока — электронов, вращающихся по замкнутым орбитам (эта гипотеза восходит еще к Амперу). Классическая электродинамика давала однозначное выражение для отношения намагниченности стержня к скорости его вращения — в опыте же обнаружилось, что это отношение в два раза больше предсказываемого. Данный результат был указанием на то, что ферромагнитные свойства веществ обусловлены спиновыми, а не орбитальными моментами атомных электронов. Тем не менее, до осознания этого факта должно было пройти время: согласие опыта Барнетта с другими магнитомеханическими опытами было достигнуто только к середине 20-х годов, да и гипотеза о спине появилась только в 1925-м.

  79. Сверхпроводимость — явление течения электронной жидкости сквозь кристаллическую решетку металла без сопротивления — было открыто Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году. Скачкообразное исчезновение электрического сопротивления являлось настоящим чудом. Теория сверхпроводимости появилась почти через полвека и утверждала, что ее причиной является образование бесспиновых связанных состояний электронов — куперовских пар. Эти пары возникают при содействии кристаллической решетки и обладают другими, нежели одиночные электроны, энергетическими свойствами. Эти свойства, в свою очередь, обеспечивают течение жидкости куперовских пар без трения. Сверхтекучесть жидкого гелия-3 была открыта Петром Капицей в 1938 году и через три года объяснена Львом Ландау: атомы гелия-3 также образуют пары с нулевым спином. Явления сверхпроводимости и сверхтекучести являются макроскопическими квантовыми эффектами, нашедшими множество применений в науке и технике.

  80. Белые карлики — очень маленькие звезды с необычайно высокой плотностью вещества — демонстрируют на себе тот факт, что эффекты квантовой статистики способны оказывать влияние подобно классическим силам и даже удерживать звезды от коллапса. Специфическое свойство электронов избегать нахождение в одном и том же квантовом состоянии (принцип Паули) противодействует дальнейшему сжатию белого карлика. Такое сжатие, однако, приводит к взрыву сверхновой, если масса белого карлика больше так называемого предела Чандрасекхара. Этот предел может быть вычислен из квантовой статистики, описывающей коллективное поведение электронов, не сводящееся к классическому взаимодействию.

  81. Две изначально свободные квантовые частицы, взаимодействовавшие в течение некоторого времени, уже не могут рассматриваться как независимые, даже после их разлета на большое расстояние. Система этих частиц описывается единой волновой функцией. Результаты измерений импульса первой частицы коррелируют с такими же измерениями для второй частицы, поскольку импульс системы фиксирован. Этот факт, однако, с трудом сочетается с конечностью скорости распространения взаимодействий: казалось бы, измерение импульса одной частицы не должно мгновенно влиять на состояние второй. Тогда у последней можно успеть измерить координату и по ней вычислить координату первой частицы. Поэтому кажется, что система двух частиц позволяет одновременно измерить и импульс, и координату первой частицы. Данное рассуждение носит название парадокса Эйнштейна–Подольского–Розена (ЭПР-парадокса) и выдвигался в защиту позиций локального реализма: импульс и координата каждой частицы существуют одновременно, но квантовая механика не может дать описание их сосуществованию. Данная гипотеза была опровергнута в опытах Фридмана–Клаузера и Аспэ, в которых измерялись корреляции состояний поляризации двух связанных фотонов. Поляризация фотона определяется проекцией его спина на заданную ось, причем проекции на разные оси не могут быть измерены одновременно, как импульс и координата. В опытах было обнаружено, что корреляции между спинами фотонов превышают допустимые теориями локального реализма, что подтвердило так называемую копенгагенскую интерпретацию квантовой механики.

  82. Существование позитрона было предсказано Полем Дираком на основании предложенного им релятивистского уравнения для заряженной частицы со спином 1/2. Дирак предполагал, что это уравнение должно описывать электроны — однако, у него имелся класс решений с отрицательной энергией. Чтобы избежать «падение» электронов в отрицательный континуум состояний, Дирак предположил, что он является уже заполненным. Дырки в этом, так называемом море Дирака и должны были соответствовать позитронам. Экспериментально предсказанная античастица была обнаружена Карлом Андерсоном в космических лучах с помощью камеры Вильсона. В магнитном поле эти частицы отклонялись в противоположную, по сравнению с электронами, сторону.

  83. Существование нейтрино впервые предположил в 1930 году Вольфганг Паули в связи с наблюдавшимся несохранением энергии при бета-распаде ядер. Паули заключил, что несохранение спина и энергии связано с излучением уносящей их неуловимой частицы. Эта частица была обнаружена 25 лет спустя Райнесом и Кованом с помощью ядер кадмия-108, способных к активному захвату нейтронов с испусканием гамма-кванта. Нейтрино же стимулировало образование этих нейтронов из ядер атомов водорода.

  84. Пионы (пи-мезоны) были предсказаны японским физиком-теоретиком Хидеки Юкавой и должны были переносить ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами. Исходя из наблюдаемых радиусов ядер Юкава оценил массу пиона примерно в 150 МэВ. Кроме того, пионы должны были образовывать триплет (π+, π0, π-). Заряженные пионы были обнаружены Сесилом Пауэллом среди продуктов взаимодействия космических лучей и ядер атомов атмосферы по их мюонной моде распада. Согласно современным представлениям, пионы являются связанными состояниями легкого кварка и антикварка.

  85. Кварковая модель была предложена Мюррейем Гелл-Манном в 1960-х годах, чтобы упорядочить непрерывно растущее множество открытых элементарных частиц. Кваркам приписывался дробный электрический заряд, который не наблюдался ни для каких свободных частиц. Кроме того, наблюдение короткоживущей частицы Δ++ сподвигло Оскара Гринберга к введению особого кваркового заряда — цвета. Данный термин был избран в связи с существованием трех «базовых цветов», а также бесцветностью их смеси. Все наблюдаемые свободные частицы оказываются бесцветными, а кварки в свободном виде не существуют. Эксперименты, обнаруживающие кварковую структуру адронов, проводятся с конца 1960-годов: о ней недвусмысленно говорят опыты по глубоко неупругому рассеянию электронов на адронах, высокоэнергетической электрон-позитронной аннигиляции в адроны и другие эксперименты.

  86. Первые эксперименты в данной области начались с открытия мюонного нейтрино: было показано, что нейтрино, испускаемые при распадах мюонов, стимулируют другую моду ядерного бета-распада, нежели электронные нейтрино. В дальнейшем было также доказано, что нейтрино не тождественно своей античастице. Третий заряженный лептон — тау-лептон — был открыт в 1975 году. Эта частица рождалась в электрон-позитронной аннигиляции и была зарегистрирована по лептонным продуктам распада. Существование тау-нейтрино было доказано только в 2000 году: это нейтрино, как и электронное, приводит к бета-распаду, однако, с испусканием не электрона, а тау-лептона. Аналогичные исследования касались кварков: среди их числа постепенно обнаруживалась та же структура поколений, которая наблюдается у лептонов: каждое из трех поколений содержит кварк с зарядом 1/3 и кварк с зарядом 2/3. Самый тяжелый из известных t-кварк был обнаружен в 1995 году и имеет массу 170 ГэВ, как у тяжелого атомного ядра.

  87. Квантовая механика предсказывает увеличение сечения рассеяния частиц, если энергии столкновения в точности хватает, чтобы на время перевести одну из них в возбужденное состояние. Данное явление является обыкновенным резонансом, поэтому так же называют и возбужденные состояния частиц. Такие состояния протона и нейтрона выглядят как короткоживущие частицы с большими массами — адронные дельта-резонансы. Первый дельта-резонанс был открыт в реакциях рассеяния пионов на нуклонах в 1950-х годах и имеет массу порядка 1230 МэВ. Дельта-резонансы сыграли важную роль в утверждении понятия цветового заряда (цвета) кварков.

  88. Осцилляции нейтрино — спонтанный переход распространяющегося электронного нейтрино в мюонное и тау-нейтрино — изначально не были заложены в стандартную модель элементарных частиц. Наличие таких осцилляций прямо говорит о существовании у нейтрино массы, которая напрямую не возникает в рамках стандартной модели. Гипотеза осцилляций тесно связана с проблемой солнечных нейтрино: в 1960-х годах эксперимент Дэвиса и Баакалла по регистрации солнечных электронных нейтрино обнаружил, что их поток расходится с теориями Солнца в меньшую сторону. Недостаток электронных нейтрино и был объяснен их конверсией в нейтрино других ароматов. Современные эксперименты по регистрации нейтрино всех трех ароматов подтверждают данную гипотезу: суммарный нейтринный поток оказывается непротиворечивым.

    Общая теория относительности и космология

  89. Эйнштейновское описание гравитации через искривление пространства-времени существенным образом основывается на локальной эквивалентности (неразличимости) явлений инерции и гравитации. Эйнштейн рассматривает относительность этих явлений на примере воображаемого лифта, равноускоренно движущегося в космосе, обобщая мысленный эксперимент Галилея с кораблем. В опыте Этвёша силы инерции и гравитации, действующие на два тела на крутильных весах, уравновешивают друг друга, что говорит о равенстве инертной и гравитационной масс. Данное равенство есть количественное выражение принципа эквивалентности.

  90. Пожалуй, единственной экспериментальной предпосылкой общей теории относительности было наличие не укладывавшейся в ньютоновскую физику поправки к скорости прецессии перигелия Меркурия (т.е. передвижения точки, где Меркурий максимально приближается к Солнцу, вдоль его орбиты). Эта ничтожная аномальная прецессия составляла примерно 43 угловых секунды за столетие и была обнаружена в 1859 году астрономом Урбеном Леверье. Кроме того, простое обобщение ньютоновской теории гравитации на случай релятивистских скоростей движения масс встречало и чисто теоретические проблемы.

  91. Наблюдение отклонения видимых положений звезд вблизи солнечного диска во время полного солнечного затмения 1919 года, осуществленное Артуром Эддингтоном, окончательно отдало общей теории относительности Эйнштейна пальму первенства в конкуренции с альтернативными теориями гравитации (например, теорией Нордстрема). Важно отметить, что ни максвелловский подход к описанию света, ни подход специальной теории относительности не приводят к наличию отклонения световых лучей, проходящих близко к Солнцу.

  92. Двойные пульсары и двойные системы, состоящие из пульсара и нейтронной звезды, замечательны тем, что допускают измерение своего орбитального периода с высокой точностью. У двойной системы PSR B1913+16, открытой Халсом и Тейлором в 1974 году, период обращения уменьшался на 75 микросекунд в год, что говорило о постепенном сближении двух звезд. Но именно такая величина уменьшения периода получается в рамках теории Эйнштейна в силу потерь кинетической энергии ускоренно движущихся звезд на гравитационное излучение.

  93. В теории относительности Эйнштейна время течет медленнее в точках пространства с большим гравитационным потенциалом, поэтому частота электромагнитных волн, летящих от пола к потолку, уменьшается с набором высоты. Данный эффект называется гравитационным красным смещением. В опыте Паунда–Ребка гравитационное красное смещение фотонов складывалось с доплеровским сдвигом; когда достигалась взаимная нейтрализация двух эффектов, наступал резонанс источника и приемника фотонов. Так было впервые измерено гравитационное красное смещение в земных условиях.

  94. Для искусственных спутников и даже самолетов гравитационное замедление времени соперничает с кинематическим (лоренцевским) его аналогом. Оба эти явления наблюдались на рейсовом самолете с помощью цезиевых часов в 1971 году. Из-за сложения скорости самолета относительно земной поверхности со скоростью осевого вращения Земли в самолетах восточного и западного направления кинематическое замедление времени имело различную величину. Гравитационный же эффект находился в великолепном согласии с общей теорией относительности.

  95. Ключевым свойством искривленного пространства является невозможность «расчертить» конечный его объем параллельными линиями. Результат параллельного переноса вектора зависит от траектории переноса. Из данного геометрического свойства следует физический эффект: ось вращения гироскопа, свободно летящего по орбите вокруг Земли, немного меняет свое направление за один оборот вокруг планеты. Измерения этого эффекта на специально запущенном в 2007 году космическом зонде Gravity Probe B подтвердили предсказания теории Эйнштейна.

  96. Наличие красного смещения у далеких галактик и пропорциональность его расстоянию до них обнаружил астроном Эдвин Хаббл в 1929 году. Данный факт говорил либо об убегании галактик со скоростью, пропорциональной расстоянию, либо о другом темпе течения времени/других пространственных масштабах в ранней Вселенной (ведь далекие галактики мы видим такими, какими они были миллионы и миллиарды лет назад!). Эти наблюдения, а также теоретические результаты Александра Фридмана по расширяющимся вселенным, составили основу для теории Большого Взрыва и однозначно констатировали необходимость изучения Вселенной в ее юности, когда она была очень сжатой.

  97. Из космологических моделей Фридмана следовало, что Вселенная на ранних стадиях своей эволюции должна была иметь малые размеры, а поэтому большую плотность и высокую температуру. На основании этих результатов Георгий Гамов предложил теорию горячей вселенной, описывающую каскад превращений частиц, происходивших в процессе ее расширения и охлаждения. Из теории Гамова следовало, что современную Вселенную должно равномерно заполнять излучение, оставшееся от ранних эпох и охладившееся за миллиарды лет до нескольких кельвин. Это излучение было обнаружено многими учеными в 1950-60-х годах, в частности, Пензиасом и Уилсоном с помощью методов радиоспектроскопии. Данное открытие однозначно говорило о существовании у Вселенной «горячего прошлого».

  98. Реликтовое излучение имеет примерно одинаковую температуру по всем направлениям в пространстве, т.е. изотропно. С другой стороны, регистрация температурной и поляризационной анизотропии фонового излучения дает уникальную возможность заглянуть в конец эпохи рекомбинации (380 тысяч лет после Большого Взрыва) и даже в более ранние эпохи. С учетом того, что первые звезды начали светить через полмиллиарда лет после этого, реликтовое излучение было единственным светом, заполнявшим Вселенную в дозвездные, Темные века. Анизотропия этого излучения дает сведения о кривизне ранней Вселенной, распределении в ней вещества, плотности межгалактической среды и даже об инфляции, возможно, имевшей место сразу после Большого Взрыва.

  99. Космологическая кривизна, согласно моделям Фридмана, зависит от средней плотности материи во Вселенной: если эта плотность больше критической, кривизна положительна, если меньше — отрицательна. Более того, в процессе расширения Вселенной кривизна быстро удаляется от равновесного, нулевого значения. Несмотря на это, наблюдения анизотропии реликтового излучения говорят, что кривизна была равна нулю и в ранние эпохи эволюции Вселенной, а тем более сейчас. Это, с одной стороны, создает проблему тонкой подстройки: чтобы реализовался сценарий нулевой кривизны, плотность в момент Большого Взрыва должна быть равна критической с точностью до 60 значащих цифр. С другой стороны, наблюдаемое современными астрономами вещество дает всего 4% критической плотности (а вместе с темной материей — всего 25%). Этому несоответствию, в частности, обязана своим появлением гипотетическая темная энергия.

  100. Наблюдения вращения звезд в галактиках и галактик в скоплениях, а также гравитационного линзирования света массивными кластерами выявляют существенное превосходство гравитационной массы галактик над массой их видимого вещества. В связи с этим в астрофизику было введено понятие темной материи — материи, из четырех фундаментальных взаимодействий участвующей только в гравитационном. Для света и обычного вещества темная материя неотличима от пустоты. Этот вид материи окружает все галактики так называемым темным гало и принимает существенное участие в их зарождении и развитии. С другой стороны, даже массы темной материи не хватает, чтобы обеспечить нулевую космологическую кривизну пространства-времени. По этой причине ученые предполагают также существование темной энергии, восполняющей недостаток космологической плотности. Последнему виду материи также приписывается свойство эффективного отталкивания, поскольку недавно было обнаружено ускорение расширения Вселенной, отсутствующее в моделях без темной энергии.