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.

    Специальная теория относительности

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.

  5. 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.

  6. 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.

  7. 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.

  8. 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.

  9. 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.

  10. 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.

  11. 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.

  12. 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.