基礎物理學五大發現：發現大爆炸完全是偶然事件|大爆炸|中微子|相對論

　　新浪科技訊 北京時間11月3日消息，據國外媒體報道，當你講解科學方法時，你會考慮到使用最好的方法洞悉宇宙的一些自然現象。首先基於一些理論觀點，然後進行相應的實驗，實驗結果可能驗證了之前的理論觀點，也有可能與理論觀點相背。然而真實的世界將遠比研究人員預想的更加複雜，有時你做的科學實驗結果完全與預期不同，有時，正確的解釋需要飛躍性思維，超出人們理性的邏輯觀點。現今的宇宙物理學仍很難理解，但是科學家們的致力探索帶來了一些驚喜，如果你希望進一步探索，會獲得更多的發現。以下是令人驚奇的五項基礎物理學發現：

　　邁克爾遜設計了一種干涉儀，用於測量地球穿過「以太（aether，是一種曾被假想的電磁波的傳播媒質）」時的運動狀況，而不是證實愛因斯坦的狹義相對論。

　　1、當增強光的來源時，光速並不會發生改變。想像一下，你以最快速度投擲一個球，球的速度取決於你運動速度。僅使用手臂投擲，球速可以達到100英里/小時（45米/秒）；如果你在火車或者飛機上投擲球，球速會更快，達到300英里/小時（134米/秒）。如果在火車內以火車行進的相同方向投擲球，球速會達到多快呢？實驗表明球速會在火車速度的基礎上增加，達到400英里/小時（179米/秒）。目前，你想像一下，如果你不是投擲球，而是發射一束光，按照人們常規思維會認為，在火車內以火車行進的相同方向發射一束光，「真實光速」應該會提升。然而這將是一個完全錯誤的答案。

　　實際上你所做的實驗是愛因斯坦狹義相對論的核心觀點，這並不是愛因斯坦進行的實驗發現，而是科學家阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson），他在19世紀80年代進行的實驗中證實了這一情況。無論是保持地球運轉相同方向、垂直方向、反平行方向，發射的光束速度都不會產生差異，光速始終保持相同速度：c=299792458米/秒，即：光波或電磁波在真空或介質中的傳播速度。

　　邁克爾遜設計了一種干涉儀，用於測量地球穿過「以太（aether，是一種曾被假想的電磁波的傳播媒質）」時的運動狀況，而不是證實愛因斯坦的狹義相對論。因其設計精密光學儀器，以及藉助該儀器在光譜學和度量學的研究工作中所做巨大貢獻，邁克爾遜被授予1907年度諾貝爾物理學獎，他的研究成果也是科學史上一項最重要的發現。

　　歐內斯特?盧瑟福在超薄的金箔上放射性衰變發射高能帶電粒子，之前他信心十足地期待所有粒子都會穿過，許多人都會這樣認為，但是實驗結果出乎意料。

　　2、原子99.9%的質量集中在一個非常緻密的原子核中。你聽過關於原子的「葡萄乾布丁模型」嗎？現今這種理論觀點聽起來很奇特，但在20世紀是被人們普遍接受的，當時科學家認為原子是一個混合結構——負電荷（其特徵像葡萄乾）嵌入遍布太空環境的正電荷介質（其特徵像布丁）。電子可以被剝離或者竊取，從而解釋了靜電現象。多年以來，J.J。湯姆森（J.J。 Thomson）提出的「葡萄乾布丁」複合原子模型被人們所接受。直到歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）實驗推翻了該模型理論，盧瑟福在超薄的金箔上放射性衰變發射高能帶電粒子，之前他信心十足地期待所有粒子都會穿過，許多人都會這樣認為，但是實驗結果出乎意料。盧瑟福指出，這是我一生中遇到最不可思議的事情，這就像你發射一枚15英寸口徑炮彈射擊在一張紙上，炮彈卻又朝向你反彈射過來。

　　盧瑟福所發現的是原子核，事實上包含一個原子的所有質量，限定在原子千萬億分之一的體積之中。這項研究代表著現代物理學的誕生，它為20世紀量子進化論奠定了基礎。

中子轉化為質子、電子和反電子中微子，是衰變過程中能量非守恆的「根源」。

　　3、「消失能量」導致發現極小、接近無形的微粒。在我們所看到所有粒子之間的交互作用中，能量總是處於守恆狀態。它可以從一種類型轉換至另一種類型——勢能、動能、靜止質量（狹義相對論中的質量）、化學能量、原子能、電能等，但是這些類型的能量從來不會製造或者毀滅。近百年來，科學家對此感到迷惑不解，他們發現一些放射性衰變會使總能量輕微減少。丹麥物理學家波爾假設能量始終保持守恆，除非當能量損失的時候，但是波爾的假設理論是錯誤的，理論物理學家泡利提出了其它理論觀點。

　　波爾主張能量必須保持守恆，所以他在1930年提出存在一種新粒子——中微子。這種「微小的中性粒子」不會產生電磁交互作用，而是會有一個極小質量，並攜帶動能。然而許多人對此持懷疑態度，上世紀50-60年代核反應產物的實驗最終探測到中微子和反中微子，這將幫助物理學家們建立標準模型和弱核交互作用模型。這是一個驚人的例子，一旦研製適當的實驗技術，理論預測有時會產生巨大的進步。

　　1912年，科學家維克多?赫斯（Victor Hess）進行了氣球運載實驗，其目的是搜尋高能量宇宙粒子，在實驗中他很快發現了大量的粒子，並成為了「宇宙射線之父」。

　　4、我們所接觸的所有粒子都有高能量、不穩定「近親」。如果你對一個驗電器充電，它的兩個傳導金屬葉片會連接至另一個導體，兩個葉片將獲得相同的電荷，最終會排斥對方。如果你將驗電器放置在真空中，金屬葉片將不會放電，但隨著時間的推移，最終會電荷流失。我們對這种放電的最好理解是，高能量粒子從外太空、宇宙射線釋放碰撞地球，碰撞的產物導致驗電器放電。

　　1912年，科學家維克多·赫斯（Victor Hess）進行了氣球運載實驗，其目的是搜尋高能量宇宙粒子，在實驗中他很快發現了大量的粒子，並成為了「宇宙射線之父」。通過構造一個帶有磁場的探測室，你可以依據粒子軌道曲線測量速度和質量比率，質子、電子，甚至是反物質的第一個粒子都可以通過這種方法被探測到。1933年，科學家保羅·庫澤（Paul Kunze）在實驗中獲得了最大發現，他在研究宇宙射線的時候發現了粒子的軌道就像電子一樣……並且比預期的重數百倍！

　　μ介子的壽命僅2.2微秒，之後是由卡爾·安德遜（Carl Anderson）和他的學生賽斯·內德梅耶（Seth Neddermeyer）在實驗中證實和探測到的。物理學家I.I。拉比因發現核磁共振而獲得了諾貝爾物理學獎，他發現了μ介子的存在。後期科學家們陸續發現了複合粒子（例如：質子和中子），以及基礎粒子（例如：夸克、電子和中微子），這些粒子的質量都較重，μ介子成為迄今發現首個「第二代粒子」。

宇宙誕生於大爆炸，但是發現大爆炸完全是偶然事件。

　　5、宇宙誕生於大爆炸，但是發現大爆炸完全是偶然事件。上世紀40年代，物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）和他的合作者提出了一項激進觀點：現今宇宙膨脹和冷卻並非是由於過去熾熱和密集，而是反覆無常的結果。如果你大膽追溯推測，你會發現足夠熾熱的宇宙能夠電離其內部所有物質，而在更遙遠的區域還會分裂原子核，這是他提出的「大爆炸」理論，該觀點還形成兩個重要預測：一是我們的宇宙最初並不僅是由質子和電子組成的物質，而是由混合的光元素構成，在高能量早期宇宙中融合在一起；二是當宇宙冷卻至足以形成中性原子的時候，高能輻射就會被釋放出來，並沿著一條直線永恆傳播，直至它與某些物體發生碰撞，隨著宇宙的膨脹而發生紅移和失去能量。

　　「宇宙微波背景（cosmic microwave background）」是在絕對零度之上的幾度條件下預測其存在的，1964年，科學家阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和鮑勃·威爾遜（Bob Wilson）偶然間發現大爆炸餘輝，他們在貝爾實驗室里用無線電研究雷達，發現天空中遍布均勻的噪音，這些噪音並非來自於太陽、地球大氣層以及銀河系，對此他們感到十分困惑。因此他們用拖把清除了實驗室內部的天線，消除了實驗過程中產生的雜波，但是噪音仍然存在。直到將研究結果送至他們熟悉的普林斯頓大學研究小組（迪克、皮布爾斯、威爾遜等科學家組成），他們使用輻射計對這種類型的信號進行精確勘測，識別發現這些噪音的重要性，這是首次證實我們宇宙的起源。（葉傾城）

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