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.

    Общая теория относительности и космология

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.

  5. 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.

  6. 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.

  7. 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.

  8. 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.

  9. 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».

  10. 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.

  11. 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.

  12. 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.