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.

    Квантовая теория и физика элементарных частиц

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.

  5. 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.

  6. 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.

  7. 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.

  8. 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.

  9. 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.

  10. 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.

  11. 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.

  12. 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.

  13. 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.

  14. 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.

  15. 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.

  16. 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.

  17. 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.

  18. 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.

  19. 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.

  20. 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.

  21. 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.

  22. 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.

  23. 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.

  24. 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.

  25. 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.

  26. 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.

  27. 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.

  28. 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.

  29. 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.

  30. 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.