FoodPro Preloader

Fysikk nobelister forteller om deres Prizewinning Discoveries


har omtalt utallige bidrag fra bemerkelsesverdige forskere-forfattere i sin 167-årige historie. Blant dem har nesten 150 Nobelprisvinnere skrevet for bladet, som bidrar til mer enn 200 artikler i sin helhet. I juli-utgaven presenterte vi 12 utdrag av de artiklene skrevet av tidligere vinnerne av Nobelprisen i fysikk for å falle sammen med det 62.

har omtalt utallige bidrag fra bemerkelsesverdige forskere-forfattere i sin 167-årige historie. Blant dem har nesten 150 Nobelprisvinnere skrevet for bladet, som bidrar til mer enn 200 artikler i sin helhet. I juli-utgaven presenterte vi 12 utdrag av de artiklene skrevet av tidligere vinnerne av Nobelprisen i fysikk for å falle sammen med det 62. årlige Nobelprisvinnermøtet i Lindau, Tyskland, som i år fokuserer på fysikk.

For å gi et mer komplett bilde av oppdagelseshistoriene som finnes i magasinets arkiver, har vi valgt tre ekstra artikler skrevet av fysikk nobelister. Alle tre, utdragene nedenfor, forholder seg på en eller annen måte til den forskningen som fikk sine respektive forfattere til en nobel.

1930-kontoen til William H. Bragg beskriver for eksempel hvordan røntgenstråler kan gi et vindu inn i krystallinsk struktur. Han hadde delt 1915 Nobelprisen i fysikk med sin sønn for å fremme det aktuelle feltet. På samme måte vant laureaten Donald A. Glaser i 1960 for oppfinnelsen detaljert i sin 1955 artikkel, "The Bubble Chamber". Og den nyeste fysikken Nobel, i 2011, gikk til en trio av forskere som spilte en ledende rolle i oppdagelsen at universets ekspansjon accelererer, takket være "mørk energi". En av disse forskerne, Adam G. Riess, medforfatter en 2004 artikkel i utdrag nedenfor, om innsatsen for å bestemme akkurat da universet begynte å øke hastigheten.

Røntgenfingre føler ut den atomiske strukturen i saken
Av William H. Bragg (Nobelprisen i 1915)
Publisert desember 1930

Mannen, som har muligheten til å prognostisere resultatet av å overvinne vanskeligheter og ønsker å prøve å overvinne dem, har uttalt ulike geniale metoder for å hjelpe ham i sin oppgave. Først av alt de vanskelighetene som er avhengige av at hans visjon er utilstrekkelig, har han oppfunnet mikroskopet som gir ham muligheten til å se detaljer tusenvis av ganger for fine for å bli oppfattet av det blotte øye.

Men det er et punkt som mikroskopet ikke kan passere. Med hjelpen oppfatter vi det som er veldig lite, men ikke "veldig veldig" lite. Det er detaljer om strukturen til den levende cellen, essensielle egenskaper i sammensetningen av metaller, bomull, silke, gummi, maling, bein, nerve og tusen andre ting som er skjult selv fra mikroskopet, og må alltid forbli så skjult fordi fiaskoen ikke ligger med optikerenes ferdighet, men med lysets manglende evne.

Strålens natur er i mange henseender et mysterium, men vi vet nok om det å forstå at vi kan snakke om det i mange viktige aspekter som bølger i noe medium som vi kaller eteren. Hvis strålingen faller på et objekt, blir det vendt til side og modifisert på forskjellige måter. Når øynene våre er rettet mot objektet, tar de de modifiserte strålene, og vi har lært med lang erfaring å vite, fra disse modifikasjonene, arten av objektet som har gjort dem. Det er "å se."

Prosessens sentrale punkt er spredning og modifikasjon. Nå har bølger en viss bølgelengde, og felles erfaring med slike bølger som det kan ses, for eksempel på havets overflate, forteller oss at en gjenstand som er meget mindre enn bølgens lengde, ikke har noen merkbar effekt på den. På samme måte kan det være objekter som er så små at de ikke kan påvirke en lysstråle, og slike gjenstander er for alltid usynlige i vanlig forstand. Lengden på lysbølgen som øynene våre kan oppleve, ligger innenfor kort rekkevidde på hver side av en femti tusen av en tomme.

X-strålene bryter ned barrieren for oss, og innrømmer oss til dette enorme feltet der vi vil være. De gjør det i kraft av deres karakter som lysbølger, 10.000 ganger eller mindre enn synlige bølger, men av akkurat samme natur.

Hvis et stoff er slik at alle atomer som komponerer det er arrangert på ett og samme mønster, slik at de rette rader løper gjennom fra side til side, er stoffet en enkelt krystall; krystallinsk karakter betyr ganske enkelt perfekt arrangement. Men de fleste stoffer, og spesielt de vi håndterer hver dag, som metaller, må beskrives som masser av små separate krystaller.

Men vi forsøker å deformere [en bar av multikrystallinsk materiale], det er alltid noen krystaller som motstår å deformeres på den spesielle måten. Og de forskjellige krystaller går tilbake hverandre i henhold til noe prinsipp som vi ikke forstår fullt ut. Dermed er barens egenskaper avhengig av dets krystallinske karakter. Det er bare X-strålen som kan fortelle oss det indre arrangementet av krystallet.

X-strålene er av kort nok bølgelengde som skal vendes til side eller spredt av atomene, når lengre lysbølger ikke er. Et enkelt atom kan imidlertid gjøre svært lite. Her er hvor regelmessigheten av krystallarrangementet kommer inn. Mønsterenheten gjentas et enormt antall ganger, selv i en krystall som bare er synlig for det blotte øye. Uansett hvilken av disse enhetene er i vei for spredning, gjør alle de andre i regelmessig rekkefølge. Den kombinerte mengden er merkbar, og så er det krystallinske karakter detektert.

Selvfølgelig er dette en indirekte måte å undersøke strukturen på. Vi oppfatter ikke de enkelte atomer; vi oppdager bare deres arrangementer. Men kunnskapen som er oppnådd kan kombineres med annen kunnskap som vi allerede har, og vi har faktisk funnet oss i stand til å dechifrere naturens mønstre i en grad vi ikke drømte om for noen år siden.

Boblekammeret
Av Donald A. Glaser (Nobelprisen i 1960)
Publisert februar 1955

I deres utforskning av atomkjernens submikroskopiske verden er fysikere som menn som groper i en mørk hule med en lommelykt som fortsetter for et øyeblikk og hver gang lyser bare et lite hjørne av hulen. Av og til fanger blitsen noe aktivitet eller hendelse - enten en kjent partikkel oppfører seg på en kjent måte eller en merkelig ny partikkel hvis oppførsel er helt forvirrende. Fra disse skarpe glimtene forsøker kjernefysikere å identifisere partiklene og styrkene som er på spill i den mørke, voldelige verden av atomkernen. Det ville hjelpe hvis de hadde en bedre lommelykt.

La oss se etter et øyeblikk på de hendelsene de prøver å observere og på de observerende enhetene som har vært tilgjengelige hittil. Fysikere probing kjernen ved å bombardere den med partikler, fortrinnsvis partikler med nok energi til å bryte opp kjernen i dens bestanddeler.

Han har hatt to måter å se og måle disse hendelsene på. Den første er Wilson skyskammeret. I et kammer overmettet med en damp, etterlater en flygende ladet partikkel et synlig spor av væskedråper som kondenserer på de ionene partikkelen har produsert ved å treffe damp- og gassatomer i sin vei. Noen ganger brytes partikkelen ned ") i mindre partikler som gjør divergerende spor. Men disse interessante hendelsene skjer sjelden i et dampfylt kammer, fordi kollisjoner i gassen er sjeldne.

Den andre enheten for registrering av atomarrangementer er den fotografiske emulsjonen. En partikkelladning inn i den tette emulsjonen har stor sannsynlighet for å kollidere med kjerner; derfor er det en god sjanse for at emulsjonen vil vise interessante hendelser, inkludert spredning, desintegrasjoner og dannelse av nye partikler. Imidlertid har emulsjonen også sine ulemper. Dens meget tetthet gjør kollisjoner så hyppige og partikkelbanen er så skarp at effekten av et magnetfelt ikke kan måles. Og fra det øyeblikket den er produsert, begynner en emulsjon å samle tilfeldige partikkelspor fra kosmiske stråler og jordbasert radioaktivitet

Kunne noen kompromiss bli funnet som ville eliminere feilene og kombinere de respektive dyder i skyskammeret og emulsjonen? I mai 1952 begynte jeg å prøve en ny tilnærming til problemet, og jeg bestemte meg snart for å undersøke muligheten for et flytende medium.

Hvilken form for reversibel prosess i en væske kan vise banen til en flygende partikkel og raskt slette sporet etter passasjen? Det ville måtte være en prosess som forsterket den lille effekten av atompartikkelen selv, da kondensering av dråper i overmettet damp forstørrer ioniseringen fremstilt av en partikkel i et skyskammer. Det skjedde for meg at en overopphetet væske, som en overmettet damp, kunne gi den ønskede ustabile likevekten som kunne utløses av et lite stimulus for å gi en stor effekt. Fysiske kjemikere har lenge kjent at i en ren, jevn veggen beholder kan en meget ren væske oppvarmes over sitt vanlige kokepunkt uten koking. Jeg lurte på om en flygende partikkel kan under passende forhold utløse dannelsen av mikroskopiske bobler som starter kokeprosessen. Hvis det er tilfelle, kan det gjøre et synlig spor i en overopphetet væske.

Jeg brukte en pære (en halv tomme i innerdiameter) fylt med eter; Den var forbundet med et kapillarrør til en stempelmontert sylinder med en håndvev som raskt kunne senke trykket. Høyhastighetsfilmer, med en hastighet på 3000 bilder per sekund, ble laget av hendelsene i pæren da trykket ble redusert. Sikkert nok viste bildene et spor av små bobler da en partikkel dartet gjennom den overopphetede eter. Kobletypen av kammer viste seg snart å være en svært sensitiv opptaker. Selv raske mu mesoner, som bare ioniserer lett, gjorde synlige spor i den overopphetede væsken.

Etter å ha demonstrert at boblekammerets ide fungerte, fortsatte vi oppgaven med å bygge en stor nok til praktisk laboratoriebruk. Vi bygget først et to-tommers kammer av duralumin og glass, med en membran, aktivert av trykkluft, som fullt ut kunne utvide kammeret i fem tusendeler av et sekund. Væsken forblev følsom i syv tusendeler av et sekund. Vi innarbeidet deretter de samme designfunksjonene i en større pentanfylt versjon der væskevolumet er seks inches langt, to inches bredt og tre inches høyt. Dette kammeret er nå i bruk med Cosmotron på Brookhaven National Laboratory. Vi har laget 400 flotte bilder av spor av protoner fra denne akseleratoren. Disse sporfotografiene er like enkle å lese som de beste skyskammerpostene og er omtrent 10 ganger så nøyaktige.

Fra Slowdown til Speedup
Av Adam G. Riess (Nobelprisen i 2011) og Michael S. Turner
Publisert februar 2004

Fra Isak Newtons tid til slutten av 1990-tallet var den definerende egenskapen til tyngdekraften dens attraktive natur. Gravity holder oss jordet. Det senker oppstigningen av baseballs og holder månen i bane rundt jorden. Gravity hindrer vårt solsystem fra å flytte fra hverandre og binde sammen enorme galakser. Selv om Einsteins generelle relativitetsteori tillater tyngdekraften å presse så vel som å trekke, betraktet de fleste fysikere dette som en rent teoretisk mulighet, irrelevant for universet i dag. Frem til forrige år ventet astronomer å se tyngdekraften forsinke ekspansjonen av kosmos.

I 1998 oppdaget forskerne den motstridende siden av tyngdekraften. Ved nøye å observere fjerne supernovae-stjerneeksplosjoner som for en kort stund skinner så sterkt som 10 milliarder sols-astronomer fant at de var svakere enn forventet. Den mest troverdige forklaringen på uoverensstemmelsen er at lyset fra supernovaene, som eksploderte for mange hundre år siden, reiste en større avstand enn teoretikere hadde spådd. Og denne forklaringen førte til sin side til at utvidelsen av universet faktisk øker, ikke avtar. I løpet av de siste årene har astronomene styrket saken for kosmisk akselerasjon ved å studere stadig mer fjerntliggende supernovaer.

Men har den kosmiske ekspansjonen gått opp i hele universets levetid, eller er det en relativt ny utvikling - det vil si i løpet av de siste fem milliarder årene eller så? Svaret har dype implikasjoner. Hvis forskere finner ut at universets ekspansjon alltid har akselerert, må de fullstendig revidere deres forståelse av kosmisk evolusjon. Men hvis, som kosmologer forventer, viser akselerasjonen seg å være et nytt fenomen, kan forskere kanskje bestemme sin årsak - og kanskje svare på det store spørsmålet om universets skjebne - ved å lære når og hvordan utvidelsen begynte å hente fart .

I Einsteins teori holder begrepet tyngdekraften som en attraktiv kraft frem for alle kjente former for materie og energi, selv på kosmisk skala. Derfor forutser generell relativitet at universets ekspansjon skal senke med en hastighet bestemt av tettheten av materie og energi i den. Men generell relativitet tillater også muligheten for energiformer med merkelige egenskaper som produserer repulsiv tyngdekraft. Oppdagelsen av akselerasjon i stedet for decelerating ekspansjon har tydeligvis avslørt nærværet av en slik energiform, referert til som mørk energi.

Hvorvidt ekspansjonen senker eller øker hastigheten avhenger av en kamp mellom to titaner: det attraktive tyngdekraften av materie og det motstridende tyngdekraften på mørk energi. Hva teller i denne konkurransen er tettheten av hver. Tettheten av materie minker ettersom universet utvides fordi volumet av plass øker. Selv om lite er kjent om mørk energi, forventes dens tetthet å endres sakte eller ikke i det hele tatt da universet utvides. Foreløpig er tettheten av mørk energi høyere enn det som er av materie, men i den fjerne fortiden burde stoffets tetthet ha vært større, så utvidelsen burde ha senket seg da.

Det er viktig å se etter direkte bevis på en tidligere, sakte ekspansjonsfase. Slike bevis vil bidra til å bekrefte den vanlige kosmologiske modellen og gi forskere en anelse om den underliggende årsaken til den nåværende perioden med kosmisk akselerasjon. Fordi teleskoper ser tilbake i tid ettersom de samler lys fra fjerntliggende stjerner og galakser, kan astronomer utforske universums ekspansjonshistorie ved å fokusere på fjerne gjenstander. Den historien er kodet i forholdet mellom avstander og tilbakeslagshastigheter i galakser. Hvis ekspansjonen senker seg, vil hastigheten til en fjern galakse være relativt større enn hastigheten spådd av Hubbles lov. Hvis ekspansjonen øker, vil den fjerne galaksenes hastighet falle under den forutsagte verdien. Eller, for å si det på en annen måte, vil en galakse med en gitt lavkonjunkturhastighet være lenger unna enn forventet - og dermed svakere - hvis universet akselererer.

For å dra nytte av dette enkle faktum, er det nødvendig med å finne astronomiske objekter som har en kjent inneboende lysstyrke - mengden stråling per sekund produsert av objektet - og det kan ses over hele universet. En bestemt klasse av supernovaer kjent som type Ia passer godt til oppgaven. I løpet av det siste tiåret har forskerne nøye kalibrert den innebygde lysstyrken av type Ia supernovaer, slik at avstanden til en av disse eksplosjonene kan bestemmes ut fra sin tilsynelatende lysstyrke.

Å finne slike gamle og avanserte supernovaer er imidlertid vanskelig. En type Ia-supernova som eksploderte da universet var halvparten av sin nåværende størrelse, er omtrent en ti milliarddel så lys som Sirius, den lyseste stjernen i himmelen. Jordbaserte teleskoper kan ikke pålidelig oppdage gjenstandene, men Hubble Space Telescope kan. I 2001 annonserte en av oss (Riess) at romteleskopet hadde serendipitøst avbildet en ekstremt fjern type Ia-supernova (kalt SN 1997ff) i gjentatte observasjoner. Gitt rødskiftet av lyset fra denne stjernens eksplosjon - som skjedde for rundt 10 milliarder år siden, da universet var en tredjedel av sin nåværende størrelse - virket objektet mye lysere enn det ville vært hvis [støvfylling intergalaktisk rom bare gjorde supernovaene dim, som noen forskere hadde foreslått]. Dette resultatet var det første direkte beviset på decelerating epoken. De to av oss foreslo at observasjoner av flere supernovaer med høy røde skift kunne gi et definitivt bevis og legge ned overgangen fra nedgang til fart.

Advanced Camera for Surveys, et nytt bildeinstrument installert på romt teleskopet i 2002, gjorde det mulig for forskere å gjøre Hubble til en supernova-jaktmaskin. Riess gjorde en innsats for å oppdage den nødvendige prøven av svært fjerne type Ia supernovaer ved å piggybacking på Great Observatories Origins Deep Survey. Teamet fant seks supernovaer som eksploderte da universet var mindre enn halvparten av sin nåværende størrelse (mer enn syv milliarder år siden); sammen med SN 1997ff, er disse de fjerneste type Ia-supernovae noensinne oppdaget. Observasjonene bekreftet eksistensen av en tidlig nedbremsningsperiode og satte overgangsstraffen mellom avstenging og fart på omtrent fem milliarder år siden.

Nedskalert: Ny Nano-enhet kan veie enkeltmolekylerHvorfor "Venus Rainbow" er egentlig en herlighetForskere lager første rom-temperatur single-electron transistorLong-Locked Genome of Ancient Man SequencedIslamic Artisans konstruert eksotisk nonrepeating mønster 500 år før matematikereKan et tall løse klimaendringene?Exxon Valdez la til hvileContinent-Wide Telescope bringer galaktisk svart hull i fokus