人類文明に対する科学の影響を疑う人は誰もいませんし、科学における実験の重要性も同様に否定できません。 いくつかの実験は私たちがすでに知っていることを確認し、他の実験は観察された現象が引き起こされるメカニズムを示唆しています。
後者のタイプの実験については、古代ギリシャの博学者を思い出してください。 アルキメデス バスタブの中で、水の変位がその中に置かれた物の体積に直接関係していることに気づき、 伝説によれば、彼は裸で「ユーレカ！」と叫びながら通りを走り去ったという。 — 私たちが今知っていることは、おそらくそうではなかったでしょう 起こる。
ほとんどの科学研究は、「既知の未知のもの」の調査に基づいています。科学者は何かを観察し、テストする仮説を立て、それをテストするための実験を計画します。 しかし、他の実験は私たちの理解にさらに深い影響を与え、私たちが知らなかったもの、つまり「未知の未知のもの」を示唆します。
科学の歴史を通じて、すべての主要な分野で、パラダイムを変える、あるいは現状を打ち破るような結果をもたらす実験が行われてきました。
しかし、宇宙の理解に関して言えば、これほど私たちの概念を根本的に変える結果をもたらした科学分野はないでしょう。 物理学よりも宇宙の理解 — 天文学、おそらく初期の科学、素粒子物理学、核物理学、宇宙論、 量子力学。 物理的に行われる実験もあれば、歴史上の偉大な頭脳の中で仮説的に行われる実験もあります。
これらの物理学実験は、宇宙とその中での私たちの場所に対する私たちの見方を根本的に変えました。
地球が他の惑星とともに太陽の周りを回っているという考えは、特に物議を醸すものではないように思えるかもしれませんが、私たちが実際にそうしているという事実は、 宇宙において独自の視点や特権的地位を占めていないことが、最終的に利益を獲得し始めた1600年代に大きな波を引き起こした トラクション。
「中心の火」の周りを回る球形の地球という概念は、 地動説 紀元前 5 世紀には哲学者の思索を通じて フィロラウス そしてヒセタス、によって拡張されたもの サモスのアリスタルコス 2世紀後、紀元2世紀以降、科学思想はクラウディウスの天動説、つまり地球中心説に支配されるようになった。 アレクサンドリアのプトレマイオス.
これは、次の論文が出版されるまでほぼ 1,400 年間続くことになる。
ニコラウス・コペルニクスのデ・レボリューション・オービウム・コエレスティウム・リブリVI または、1543 年に「天球体の回転に関する 6 冊の本」が出版され、地動説が再び議論の対象となりました。この実験を行ったのは、イタリアの自然哲学者、天文学者、数学者ガリレオ・ガリレイでした。 太陽を中心とした太陽系のいわゆるコペルニクス的モデルは、最終的には地元の宇宙の正確なバージョンとして受け入れられました。 規模。
1610年、望遠鏡を使って ガリレオは金星を観測した、月と同じように位相があることを発見しました。
ガリレオは、これらの位相は、金星が地球の周りを回転するのではなく、太陽の周りを回り、時には私たちの星の後ろや向こうを通過することによってのみ説明できると推論しました。
地球が宇宙の中心ではないという概念は、聖書に矛盾すると信じていた教会を激怒させるでしょう。 これにより、 異端審問のプロセス ガリレオは地動説について話したり書いたりすることに対して猿ぐつわをはめられました。
アイザック・ニュートン卿の運動法則と重力理論への貢献は彼の最高の業績として広く認められていますが、この本の著者の大きな情熱は、 プリンキピア・マセマティカ 光学だった。
17世紀初頭、光学が機器の発達とともに物理学の分野として成長していた頃 顕微鏡と同じように、ニュートンは光の性質を調査し、色がどのように発生するかを発見することにしました。
の ニュートンが考案した実験 これを行うのは悪魔のように簡単でした。 物理学者はブラインドに小さなピンホールを押して、小さな太陽光線を通過させました。 彼は、プリズムで屈折すると、この光がさまざまな色で構成される長方形に変化することを発見しました。 ニュートンは、自分が開けた穴の形や大きさ、ひいては太陽光線の形に関係なく、屈折した光は同じ順序で同じ色をした長方形のブロックのままであることを発見しました。
さらに驚くべきことに、彼は 2 番目の黒を導入すると、虹を白い光に戻すことができることを発見しました。
これは、太陽からの白色光がさまざまな色の混合物でできていることを示しました。 さらに深く調査すると、ニュートンは、プリズムで屈折しても赤や青の光は変化しないことを発見しました。
おそらく、この実験で得られた最も重要な発見は、屈折角が 光の性質はその色に依存しており、光の色には独自の周波数があり、 波長。
原子（物質を切断できなくなる点）の概念は古代ギリシャにまで遡り、その言葉自体も ギリシャ語で「不可分」を意味する「アトモス」。 1897 年まで、科学者たちは原子には内部構造がなく、原子は原子の最小単位であると信じていました。 案件。 それは、マイナスに帯電した小さな粒子、つまり電子が発見される前のことでした。 ジョセフ・ジョン・トムソン。
1904 年、J.J トムスポンは、これらの粒子が正に帯電した物質の中に埋め込まれていると示唆しました。 彼の適切な名前のプラム プディング モデルでは、プラム プディングに分散された果物によく似た物質が含まれています。 原子。
このモデルは、 ガイガー・マースデン実験、金箔実験またはα粒子散乱実験としても知られ、アーネスト・ラザフォードによって開拓され、彼の弟子であるアーネスト・マースデンとハンス・ガイガーによって実施されました。
薄い金箔のシートで放射線源によって放出されるα粒子（現在ではヘリウム4原子核と同一であることがわかっています）の発火 ラザフォードは、原子のプラムプディングモデルが正しければ、これらの移動する粒子は最も小さな衝撃を経験するだろうと推論した。 たわみ。 これは、α粒子の質量が電子の約7,000倍であるという事実によるものです。
1911 年の実験では、α 粒子が時折大きな偏向を受けることが示されました。 45°以上偏向されたアルファ粒子は 20,000 個に 1 個だけでしたが、これは原子についての大きな再考を引き起こし、原子核の存在を明らかにするのに十分でした。
ラザフォードは比較した その結果は、15 インチの砲弾をティッシュペーパーに向けて発射し、それが直接自分に跳ね返されることです。
これにより、原子内の物質の大部分がその中心に集中していることが明らかになりました。 ラザフォードは、正に荷電した巨大な原子核の周りを電子が周回する原子のモデルを提案しました。
このモデルはやがて覆されることになりますが、これは陽子と中性子を発見し、原子構造を明らかにする上で重要なステップとなりました。
ニュートンにとって、空間の概念は非常に単純でした。 宇宙の出来事がただ展開される舞台。 しかし、20 世紀の最初の 20 年間で、アルバート アインシュタインは平凡な空間の概念を打ち破り、次のように示しました。 空間自体が宇宙の出来事のプレーヤーとなり、アクションを指揮するとともに、他のアクターの影響を受けることの両方です。 質量。 これ自体が革命的だっただろうが、アインシュタインはそこで止まらず、時間と空間が単一であることを示した。 時間の 4 次元を持つ実体は、状況に応じて空間と同様に変化する可能性があります。 観察者。
アインシュタインがゲダンケン実験のマスターになった一方で、あるいは 思考実験 — 特殊相対性理論、そして一般相対性理論を発展させるには、何よりも思考実験が 1 つあります。 アインシュタインの時間に対する画期的なアプローチをおそらく最もよく表しているもの、いわゆる「双子」 逆説。"
の 双子のパラドックス 「動く時計はゆっくり進む」という概念と時間の遅れの概念を表現しています。 それは双子の姉妹、テラとアストラを想像しています。後者はロケットで地球から飛び立ち、遠くの恒星系に向かいました。 テラは地球で待機しており、基準フレームからアストラの動く時計がゆっくりと動いているのが見えます。
しかし、ここでパラドックス要素が導入されます。
アストラの基準フレームでは、動いているのは彼女の時計ではなく、テラの時計です。 それは、テラの時計が彼女の時計よりも遅く動いていることを彼女が見ていることを意味します。 そこで問題は、誰が正しいのかということです。 何年も経ってアストラが地球に戻ったときに姉妹が再会したとき、どちらが年上でしょうか?
姉妹たちは、アストラが若さを保っている一方で、テラは老化していることに気づき、その理由が重要な鍵の1つである 特殊相対性理論の側面では、非慣性基準系、つまり慣性を持たない基準系にのみ適用されます。 加速します。 アストラが宇宙を旅している間、方向転換など、加速しなければならない場面が何度かあります。
テラとアストラの年齢差は、彼女の速度、離れていた時間、速度や方向を変更しなければならなかった回数などの要因によって異なります。
時間の遅れの影響は、もはや思考実験に限定されません。 物理学者はその影響を測定しました ミュオンと呼ばれる短命のもの。 大気上層部に衝突する宇宙線によって生成された場合、これらの粒子はわずか 2.2 マイクロ秒間存在するはずです。 時間の遅れとミュオンの信じられないほどの速度（0.98c または光の速度の 98%）を考慮しても、これらの粒子のうち、地球の表面に衝突するまで十分に長く生き残ることはほとんどありません。 しかし、アストラが若さを保っているのと同じように、時間の遅れのおかげで、これらの粒子の多くは惑星の表面に到達するまで十分長く生き残ることができます。
プリズムを通過する際の光の分割は、現実のこの基本的な側面についての私たちの研究の始まりでした。 何十年もの間、光は粒子なのか波なのかという議論が物理学者の間で激しく繰り広げられました。 二重スリット実験により、光は粒子でも波でもなく、両方の性質を持っていることが証明されました。
の 二重スリット実験 単色光、つまり 1 つの波長の光、したがって色の光が、その波長と同じ距離だけ離れた幅を持つ 2 つのスリットを通って輝くことから始まります。
波が両方のスリットを通過すると、水の波が岩に衝突するのと同じように、2 つの新しい波に分かれます。 これら 2 つの波は互いに干渉し、山と谷が出会うところで互いに打ち消し合います。いわゆる破壊的干渉です。 ただし、ピークとピークが交わる場所では、波が強化され（強め合う干渉）、最も明るい光が現れるポイントになります。
スクリーンの後ろの 2 番目の壁に、光は干渉パターンと呼ばれる縞模様を作成します。 これは光の波の性質を示していますが、この実験にはそれだけではありません。
スリットを通って送られる光の強度が一度に 1 光子ずつ減少すると、スクリーン上に粒子状の分布が構築されるのが見えます。 しかし、粒子が積み重なると、光子同士が干渉しているかのように、干渉パターンが構築され始めます。
これにより、光子は粒子の性質を持つものとして検出されるが、粒子特有の干渉が存在することが実証された。 二重スリットを通過する波が現れ、光子が粒子と粒子の性質を持っていることが明らかになりました。 波。
物理学者は二重スリット実験を終えたわけではありません。 それはすでに光の粒子と波の二重性を明らかにしていましたが、研究者たちは実験を行うことを決意していました。 別の粒子を使った実験、光を電子、つまりマイナスに帯電した物質の小さな基本粒子に置き換えます。
電子銃を使って二重スリット部分から粒子を蛍光板などの粒子検出器に発射すると、電子がランダムに出現するように見えます。
より多くの電子がスリットを通過すると、干渉パターン (暗い「ヒット」と光のミスの帯) が形成されます。 光子で見たのと同じように展開します。これは、電子が光子と同じように移動していることを意味します。 波。
この干渉パターンは実験を再度実行すると消えますが、今回はスリットの 1 つを閉じた状態で行うため、弾丸の場合と同じように画面上にヒットが積み重なることになります。
両方のスリットを開いて電子を一度に 1 つずつ滴下して実験を再実行すると、干渉パターンが再び出現し始めることがわかります。 これは、光子と同様に、電子も二重スリットを通過する際に干渉していることを意味します。
この結果、粒子は空間を通る単一の定義された軌道を持つという古典的な考え方を放棄せざるを得なくなりました。 粒子は各スリットを通過して、強め合う干渉と弱め合う干渉を引き起こすと考えられます。 また、物質が光と同様に、次のことを示すことも示しています。 粒子と波の二重性.
アルバート・アインシュタインを驚かせた科学現象はどれも革命的なものでなければなりません。 の概念 もつれ これは、一方を変更するともう一方も即座に変更されるような方法で 2 つの粒子をリンクできるという考えです。 しかし、アインシュタインを悩ませたのは、たとえ粒子が宇宙の両端にあったとしても、この変化は瞬時に起こるという事実でした。
これは、物理学の局所的実在論の考え方、つまり物理的変化の原因が必ず存在しなければならないという概念に疑問を投げかけます。 局所的であり、物体の特性は現実であり、私たちの存在とは独立して私たちの物理宇宙に存在します。 心。 これらの課題により、アインシュタインは絡み合いを「遠くからの不気味な動き」と表現し、その結果、晩年を過ごすことになりました。 思考実験を考案する それは、量子物理学の理論が、もつれの性質を説明する隠れた変数に関して不完全であることを示すことになる。
物理実験により、もつれの非局所的な性質が最終的に検証されるでしょう。 1960 年代の物理学者、ジョン ベルは、と呼ばれるテストを考案しました。 ベルの不等式 隠れた変数を探します。
目的は 3 つの仮定をテストする; 局所性、現実性、選択の自由 - 物理学者は隠れた変数の影響を受けることなく自由に測定できるという考え。 ベルの不等式をテストする実験では、粒子が絡み合うと、 測定値は、次のように記述される非量子システムで予想されるよりも統計的に相関しています。 古典物理学。
ほとんどの物理学者は、もつれはベルの不等式の第 1 原則または第 2 原則に違反すると信じています。 確かなことは、絡み合った粒子の変化がその相手に瞬間的な変化を引き起こすということです。
量子物理学によって記述される亜原子の世界の法則は奇妙です。 科学者はこれを直観に反すると表現するでしょうが、おそらく他の思考実験の中でも特にこの奇妙さを完璧に例示している思考実験があるでしょう。
量子力学では、システムの非常に小さな可能な状態の物理学は、重なり合う可能性のある波動関数によって決定されます。 これは、波によってモデル化された量子システムが、同時に複数の状態に存在するものとして記述できることを意味します。 重ね合わせ — これらの状態は、測定されるか、別のシステムと強制的にやり取りされると崩壊し、単一の値になります。
量子力学のコペンハーゲン解釈として知られるものの一部、 エルヴィン・シュレーディンガー この理論の欠陥を示したかったため、うっかり史上最も話題になった思考実験の 1 つであるシュレーディンガーの猫を作成してしまいました。
シュレーディンガーが提案した 原子核が崩壊すると壊れる猛毒の入った瓶という極悪非道の装置が入った箱に猫を入れるというものだ。 原子の崩壊は完全にランダムなプロセスであるため、箱を開けずに原子の崩壊が起こったかどうかを判断する方法はありません。
つまり、箱を量子システムとして扱うと、シュレディンガーの猫は究極の重ね合わせ状態にあり、同時に死んでいると同時に生きているということになります。 この状況は、システムの波動関数が崩壊し、猫が生きているか死んでいるかが判明したときに箱を開けたときにのみ解決されます。
の 宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) ビッグバン直後の「」と呼ばれる現象で残った放射線です。最後の散りばめこれは、約 140 億年前、宇宙が十分に冷えて電子が陽子と結合して最初の原子を形成できる時点でした。
この結果、光子は自由電子によって際限なく散乱されることがなくなり、突然宇宙を自由に移動できるようになりました。 言い換えれば、宇宙は不透明から透明になったのです。 この点からの放射は均一な温度を持ち、一部は非常に均一な方法で宇宙全体に広がります。
1965 年まで、ボブ ディッケとプリンストン大学のチームは、宇宙に凍結されたこの「宇宙の化石」の証拠を熱心に探していました。 しかし、彼らの知らないうちに、わずか50マイルほど離れたニュージャージー州の別のチームがすでにCMBを検出していました。彼らはまだそれを知らなかっただけです。
天文学者のアルノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンは、 ホルムデルホーンアンテナ– ベル研究所のマイクロ波電波望遠鏡と衛星通信システム。 二人はこの高感度機器を使って天の川で水素を探そうとしていましたが、空のあらゆる領域から同じ音を拾っていました。 二人は、この静電気の原因となる可能性がある自分たちの身に起こったすべてのことを制限しようとして、この「バックグラウンドノイズ」を数回除去しようと試みました。
これには、絶縁不良のワイヤを排除することが含まれ、さらにはホーン型アンテナに潜り込んで、 彼らが「白い誘電体」と表現したもの（あなたと私への鳩の糞）をねぐらから取り除く 鳥。 ペンジアスとウィルソンは最終的に信号が地球から来ているものではないと判断した。 ペンジアスとウィルソンが自分たちが何を発見したかに気づいたのは、プリンストン大学でディッケと連絡を取ったときだった。 ベル研究所チームとの短い電話会話の後、 ディッケの言葉 彼のチームはこう言いました。「まあ、みんな、私たちはスクープされていますよ。」
アルノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンは、 1978 年ノーベル物理学賞 ピョートル・レオニドヴィッチ・カピツァとのCMBの発見に対して、「低温物理学の分野における彼の基本的な発明と発見に対して。
現在では、CMB が絶対零度より 3 度未満高い 2.7 K の均一な温度で宇宙を満たしていることがわかっており、ある時点では米国のすべてのリビング ルームでビット効果が見られたことがあります。 NASAによると、CMB は「ケーブルの時代以前から、テレビのかなりの量の静電気の原因となっていました。 テレビを「中間」チャンネルにすると、見える静音の一部がビッグバンの残光です。」
CMBは、宇宙がその初期の歴史において急速な膨張期を経験したことを決定的に明らかにし、宇宙論のビッグバンモデルが疑いの余地なく確認された。 しかし、膨張する宇宙はまだ私たちの宇宙理解に最大の打撃を与えていませんでした。
20世紀初頭、エドウィン・ハッブルは観測された銀河の距離と後退速度の関係から、宇宙が膨張していることを発見した。
1929年まで、ハッブルの短い論文「距離と動径速度の関係」の出版。 銀河系外星雲」では、宇宙は静止しており、 変わらない。 アルバート・アインシュタインは、宇宙が静的であることを保証するために、ギリシャ文字のラムダで表される宇宙定数と呼ばれる係数を宇宙の方程式に追加しました。
しかし、この啓示が科学界にとって驚きだったとすれば、この普遍的な拡大が加速しているという 1998 年の発見は完全な衝撃でした。 その理由を理解するには、スイングをプッシュしてから徐々に遅くなるのを観察することを想像してください。 突然停止しようとすると、再び速度を上げ始め、力を加えていないにもかかわらず加速します。
それが、「標準キャンドル」として知られる遠方の Ia 型超新星を調べた天文学者らの発見です。 均一な光出力により、優れた距離測定が可能になるため、これは暗示的に、 宇宙。 ビッグバンによる最初の急速な膨張の後は減速したにもかかわらず、宇宙構造そのものが再び膨張を加速させています。
これが「」の導入につながりました。ダークエネルギー」は、この加速する拡大を推進するあらゆる力のプレースホルダーとして使用されます。 最初の超新星観測以来、独立して確認されてきたが、NASA は現在、暗黒エネルギーが宇宙の物質/エネルギー含有量の 68 パーセントを占めると推定している。
そして、暗黒エネルギーの影響は現在、再導入されたものによって説明されています。 宇宙定数 — まだラムダで表されています — 新しい目的を持って科学のゴミ箱から救出されました。
星が太陽と同じような天体であることを人類が知って以来、私たちはそのことについて疑問に思ってきました。 これらの遠く離れた恒星体を周回する可能性のある惑星、そしてそれらが地球と同じように生命を宿す可能性があるかどうか そうです。
しかし、天文学の長い歴史とおそらく最初の科学としての地位にもかかわらず、最初の発見は 太陽系外の惑星、つまり太陽系外惑星または系外惑星の場合は20年末までかかるだろう 世紀。
系外惑星発見に関する2つの大きな「初」は、どちらも1990年代に起きた。 1992年1月、天文学者のデイル・フレイルとアレクサンダー・ヴォルシュツァンは、2つの岩石惑星と、パルサーを周回する3番目の惑星の可能性を発見したと発表した。 PSR B1257+12 — 地球から約 2,000 光年離れたところにあります。
パルサーは急速に回転する中性子星であり、強力な放射線を吹き出します。つまり、周囲の 3 つの惑星は PSR B1257+12 生命を維持できる可能性はありません。
1995年に、 ミシェル・メイヤーとディディエ・ケローがペガシ座51号機を発見 — いわゆるホットジュピター系外惑星で、その星に非常に近いため、華氏1,000〜1,800度の灼熱の高温の表面温度を持ち、わずか4日で軌道を一周します。
この発見により 2019 年のノーベル物理学賞を共同受賞したこの二人は、 動径速度テクニック. これは、周回惑星が主星に引き起こす小さなぐらつきを測定します。 小さな動きにより、星が発する光の波長にわずかな変化が生じます。
これにより、星からの光は、星が引っ張られると赤くなり、地球に引き寄せられると青くなり、天文学者はこれを利用して惑星の存在を推測することができます。
最初の系外惑星の発見以来、人類は過去を振り返っていません。 NASA の系外惑星カタログには現在、太陽系外に確認されている世界が 4,800 を超えています。これは、最も小さな信号を正確に特定できる検出方法の威力を証明しています。
これらの、 NASAによると惑星の数は927個 動径速度法を使って発見されました。 これにより、この方法はトランジット方法に次いで 2 番目に成功した系外惑星検出方法になります。 惑星がその星の表面を通過するときに光がわずかに沈む - 3854 個の系外惑星の発見に使用されている NASAによると。
のイベントに伴い、 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) 系外惑星科学の黄金時代が本格的に始まりました。