За 15 лет с начала нового тысячелетия люди и не заметили, что попали в иной мир: мы живем в другой Солнечной системе, умеем ремонтировать гены и управлять протезами силой мысли. Ничего этого в XX столетии не было

Генетика

Геном человека полностью секвенирован

Робот сортирует ДНК человека в чашках Петри для проекта The Human Genome

Проект «Человеческий геном» (The Human Genome Project ) начался в 1990 году, в 2000-м был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном - в 2003 году. Однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков еще не закончен. В основном он был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Секвенирование генома имеет решающее значение для разработки лекарств и понимания того, как устроено человеческое тело.

Генная инженерия вышла на новый уровень

В последние годы был разработан революционный метод манипуляции ДНК при помощи так называемого CRISP -механизма. Эта методика позволяет избирательно редактировать определенные гены, что раньше было невозможно.

Математика

Доказана теорема Пуанкаре

В 2002 году российский математик Григорий Перельман доказал теорему Пуанкаре, одну из семи задач тысячелетия (важные математические проблемы, решение которых не найдено в течение десятков лет). Перельман показал, что исходная трехмерная поверхность (если в ней нет разрывов) обязательно будет эволюционировать в трехмерную сферу. За эту работу он получил престижную «медаль Филдса», аналог Нобелевской премии в математике.

Астрономия

Открыта карликовая планета Эрида

Впервые Эриду сфотографировали еще 21 октября 2003 года, но заметили на снимках только в начале 2005-го. Ее открытие стало последней каплей в спорах о судьбе Плутона (продолжать ли его считать планетой или нет), что изменило привычный образ Солнечной системы (см. стр. 142–143).

Обнаружена вода на Марсе

В 2005 году аппарат «Марс Экспресс» Европейского космического агентства обнаружил большие залежи водяного льда недалеко от поверхности - это очень важно для последующей колонизации Красной планеты.

Физика

Глобальное потепление - быстрее, чем ожидалось

В 2015 году ученые из Всемирного центра мониторинга ледников при Цюрихском университете (Швейцария) под руководством доктора Михаэля Цемпа, работая совместно с коллегами из 30 стран, установили, что темп таяния ледников на Земле к настоящему времени, по сравнению c усредненными показателями за XX век, вырос в два-три раза.

Обнаружена квантовая телепортация

Такая телепортация отличается от телепортации, о которой любят говорить фантасты, - при ней материя или энергия не передаются на расстояние. Эксперименты по передаче квантовых состояний на большие расстояния были удачно проведены за последние 15 лет не менее чем десятком научных групп. Квантовая телепортация очень важна для создания сверхзащищенных шифров и квантовых компьютеров.

Экспериментально подтверждено существование графена

Его двумерная (толщиной в один атом) кристаллическая решетка проявляет необычные электрофизические свойства. Впервые графен был получен Андреем Геймом и Константином Новоселовым в 2004 году (Нобелевская премия за 2010-й). Его планируется использовать в электронике (в сверхтонких и сверхбыстрых транзисторах), композитах, электродах и т. д. Кроме того, графен - второй по прочности материал на свете (на первом месте - карбин).

Доказано существование кварк-глюонной плазмы

В 2012 году эксперименты физиков, работающих с ускорителем RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), попали в Книгу рекордов Гиннесса с формулировкой «за самую высокую температуру, полученную в лабораторных условиях». Сталкивая ионы золота на ускорителе, ученые добились возникновения кварк-глюонной плазмы с температурой 4 триллиона °С (в 250 тысяч раз горячее, чем в центре Солнца). Спустя примерно микросекунду после Большого взрыва Вселенная была наполнена как раз такой плазмой.

Найден бозон Хиггса

Существование этой элементарной частицы, отвечающей за массу всех прочих частиц, теоретически было предсказано Питером Хиггсом еще в 1960-х годах. А найдена она была во время экспериментов на Большом адронном коллайдере в 2012-м (за что Хиггс, совместно с Франсуа Энглером, получил Нобелевскую премию 2013 года).

Биология

Людей поделили на три энтеротипа

В 2011 году ученые из Германии, Франции и нескольких других исследовательских центров доказали, что по генетике населяющих нас бактерий люди делятся на три категории, или энтеротипа. Энтеротип человека проявляется в разной реакции на еду, лекарства и диеты, и потому стало ясно, что никаких универсальных рецептов в этих областях существовать не может.

Создана первая синтетическая бактериальная клетка

В 2010 году ученые из Института Крейга Вентера (был одним из лидеров гонки по расшифровке человеческого генома) создали первую полностью синтетическую хромосому с геномом. Когда ее встроили в бактериальную клетку, лишенную генетического материала, она начала функционировать и делиться по предписанным новым геномом законам. В перспективе синтетический геном позволит создавать вакцины против новых вирусных штаммов за часы, а не за недели, производить эффективное биотопливо, новые пищевые продукты и т. д.

Удачно записаны и перезаписаны воспоминания

Начиная с 2010 года несколько исследовательских групп (США, Франция, Германия) научились записывать в мозг мышей ложные воспоминания, стирать реальные, а также превращать приятные воспоминания в неприятные. До человеческого мозга дело пока не дошло, но осталось недолго.

Получены «этичные» (не из эмбрионов) плюрипотентные стволовые клетки

В 2012 году Синъя Яманака совместно с Джоном Гёрдоном стали лауреатами Нобелевской премии за открытие 2006 года - получение плюрипотентных стволовых клеток мыши путем эпигенетического перепрограммирования. За последующее десятилетие не менее десятка научных групп добились впечатляющих успехов в данной области, в том числе с человеческими клетками. Это предвещает скорые прорывы в терапии рака, регенеративной медицине, а также в клонировании человека (или его органов).

Палеонтология

Впервые обнаружены мягкие ткани динозавра

Мэри Швейцер руководила научной группой, которая описала коллаген, выделенный из бедренной кости Tyrannosaurus reх

Молекулярный палеонтолог Университета Северной Каролины Мэри Швейцер в 2005 году в окаменевшей конечности подростка-тираннозавра из Монтаны (возрастом 65 млн лет) обнаружила мягкие ткани. Ранее считалось, что любые белки разложатся максимум за несколько тысяч лет, поэтому никто их в окаменелостях и не искал. После этого мягкие ткани (коллаген) были обнаружены и в других древнейших образцах.

У людей обнаружены гены неандертальцев и «денисовского человека»

Участники международного симпозиума «Переход к верхнему палеолиту в Евразии: культурная динамика и развитие рода Homo » осматривают место раскопок в центральном зале Денисовой пещеры

Из работ двух научных групп стало ясно, что от 1 до 3% генома среднестатистического европейца или азиата восходит к неандертальцам. Но у каждого современного индивидуума присутствуют несхожие неандертальские аллели (различные формы одного и того же гена), поэтому общая сумма «неандертальских» генов куда выше, до 30%. «Наследники» неандертальцев (скрещивание происходило около 45 тысяч лет назад) - в основном европейцы; у азиатов в геноме присутствуют следы скрещивания с еще одним гоминидом - «денисовским человеком». Самые «чистые» Homo sapiens - уроженцы Африканского континента.

Медицина

По дыханию распознана ранняя стадия рака легких

Год назад группа израильских, американских и британских ученых разработала устройство, которое способно точно идентифицировать рак легких и определить, в какой стадии он находится. Основой устройства стал анализатор дыхания со встроенным наночипом NaNose , способный «вынюхать» раковую опухоль с 90-процентной точностью, даже когда раковый узелок практически незаметен. В скором времени стоит ожидать анализаторов, которые смогут по «запаху» определять и другие виды рака.

Разработано первое полностью автономное искусственное сердце

Специалисты американской компании Abiomed разработали первое в мире полностью автономное постоянное искусственное сердце для имплантаций (AbioCor ). Искусственное сердце предназначено для пациентов, у которых невозможно лечение собственного сердца или имплантация донорского.

Бионика

Созданы биомеханические устройства и протезы, контролируемые усилием мысли

Американец Зак Вотер испытал бионический ножной протез, поднявшись по лестнице на 103-й этаж небоскреба Уиллис-тауэр, расположенного в Чикаго

В 2013 году появились первые опытные образцы «умных» протезов с обратной связью (эмуляцией осязательных ощущений), которые позволяют человеку чувствовать то, что «ощущает» протез. В 2010-х годах созданы и отдельные от человека устройства, управляемые только через мысленный интерфейс (иногда с инвазивными контактами, но чаще это похоже на головной обруч с сухим электродом), - компьютерные игры и тренажеры, манипуляторы, транспорт и пр.

Электроника

Перейден петафлопсный барьер

В 2008 году новый суперкомпьютер в Лос-Аламосе (США) заработал со скоростью более квадриллиона (тысяча триллионов) операций в секунду. Следующий барьер, эксафлопсный (квинтиллион операций в секунду) будет достигнут в ближайшие годы. Системы с такой невероятной скоростью необходимы в первую очередь для высокопроизводительных вычислений - обработки данных научных экспериментов, климатического моделирования, финансовых операций и т. д.

Фото: Alamy, SPL, Newscom / Legion Media, SPL / Legion Media (X2), Photo courtesy of North Carolina State University, Reuters / Pix- Stream, Александр Кряжев / РИА Новости, Reuters / Pix-Stream, Michael Hoch, Maximilien Brice / © 2008 CERN, for the benefit of the CMS Collaboration, AP / East News

Подведем теперь итоги сложного и бурного, поистине революционного" развития физики в двадцатом столетии. Накануне нового столетия у физиков было чувство некоторой самоуспокоенности. Им казалось, что физика покоится на прочных основаниях, что основные факты физического мира уже открыты и предстоит только некоторое уточнение "за пределами шестого десятичного знака". У. Томсон (Кельвин) указывал, что на этом общем благополучном фоне есть только два легких облачка: опыт Майкельсона и проблема теплового излучения. Достаточно только справиться с этими в общем незначительными затруднениями - и физика достигнет полного благополучия, картина мира будет полностью ясна и понятна. А "понимание" физики в общем совпадало с "пониманием" в обычном житейском смысле этого слова. Еще в 1909 г. О. Лодж писал: "Под физическим "объяснением" понимают ясное определение факта или закона при помощи чего-либо такого, с чем нас познакомила повседневная жизнь" (курсив мой.- П. К.).

Он продолжает: "Все мы ближе всего знакомы, с самого юного возраста, с двумя, по-видимому, простыми вещами, с движением и силой. (Разрядка Лоджа.) Для каждой из этих вещей у нас есть непосредственное чувство... Движение и сила - это первые объекты нашего опыта и сознания; и посредством их все другие, менее знакомые вещи, с которыми нам приходится сталкиваться, могут быть понятно определены и охвачены. Всякий раз, когда вещь может быть таким способом ясно и определенно установлена, про нее говорят, что она объяснена или понятна (разрядка Лоджа), и считают, что мы обладаем "динамической теорией" ее... Динамическая теория признается в одно и то же время необходимой и достаточной" (разрядка моя.- П. К.).

Итак, понимание физики XIX столетия - это механическое понимание. Оно требует принципиальной наглядности физической теории, ее совпадения с чувственными образами, создаваемыми нашим сознанием в процессе повседневного опыта.

Первый итог равития физики XX столетия состоит в том, что она покончила с этим представлением о механическом миропонимании. В том же 1909 г., когда Лодж писал эти строки, В. И. Ленин в своей книге "Материализм и эмпириокритицизм" убедительно показал, что механический материализм является для физики пройденным этапом, что она вступила в новую, высшую фазу диалектико-материалистического понимания природы.

Ленин указывал, что новая физика лежит в родах диалектико-материалистического мировоззрения. Он первым увидел, что физика вступила в новую эпоху неисчерпаемого атома и электрона и переживает подлинную революцию, сопровождающуюся кризисом старого мировоззрения физиков!

История физики XX столетия - это история небывалой по своим масштабам научной революции.

Первый подготовительный этап этой революции приходится на начало века. В 1901-1917 гг. внешний ход развития физики, каким он рисуется по журнальной литературе того времени, еще сравнительно спокоен. Физика развивается темпами XIX столетия, физические работы классифицируются по разделам, установленным еще в этом столетии. Знаменитая работа Эйнштейна "К электродинамике движущихся сред" идет в реферативных журналах под рубрикой "Электромагнитная индукция". Но в этой привычной картине плавного хода физической науки и сказывалась революция.

В этот период создается специальная и общая теория относительности, опрокинувшая представления о пространстве, времени, тяготении, укоренившиеся со времен Ньютона. Вместе с тем эта теория завершала построение здания макроскопической классической физики. "Теорию относительности,- писал известный физик XX столетия М. Борн,- справедливо можно рассматривать как кульминационный пункт физики XIX столетия. Но она является также главной движущей силой современной физики, так как отвергает традиционные метафизические аксиомы, предположенные Ньютоном о природе пространства и времени, и утверждает право ученого строить свои идеи, включая философские концепции, согласно эмпирической ситуации. Таким образом, новая эра физической науки началась актом освобождения, подобным тому, который подорвал авторитет Платона и Аристотеля со времен Ренессанса".

Следующий революционный шаг этого периода - проникновение в мир атома. В 1911 г. Э. Резерфорд открыл ядерную структуру атома, в 1912 г. Лауэ, отец и сын Брегги доказали волновую природу рентгеновских лучей и открыли метод рентгенографического анализа структуры кристаллов. В 1913 г. Бор дал квантовую теорию атома водорода и нашел ключ к расшифровке таинственных спектральных закономерностей. Революционные идеи Бора о существовании квантованных уровней энергии в атоме были подтверждены в 1914 г. опытами Франка и Герца. В 1915 г. Зоммерфельд обобщил правила квантования Бора на эллиптические орбиты и с помощью идеи пространственного квантования истолковал эффект Зеемана. В 1917 г. Эйнштейн дал замечательный вывод формулы Планка, основанный на идее квантовых переходов, и окончательно остановился на квантовой теории света.

Создание теории относительности и квантовой модели атома - важнейшие итоги развития физики в начале XX столетия, определившие дальнейший ход ее истории.

К достижениям в области классической физики следует прибавить замечательные итоги экспериментальной физики.

Развитие физики низких температур отмечается открытием нового термодинамического закона Нернстом (1907) и открытием сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом в 1911 г. Атомная и электронная физика также обогатились новыми достижениями, из которых прежде всего следует отметить классические опыты Милликена по определению заряда электрона (1909), изобретение счетчика Гейгера (1908), камеры Вильсона (1911), метода парабол Томсона (1913). Электронная лампа диод была изобретена Флемингом в 1904 г., триод - де Форестом в 1907 г. Катодный генератор незатухающих колебаний был изобретен Мейсснером в 1913 г. Наступала революция в физическом эксперименте, связанная с широким внедрением электроники.

Затем следует кратковременный период 1918-1925 гг. Это был период восстановления нормальной научной работы, нарушенной войной, восстановления международных научных связей, период становления советской физики. Внутренняя жизнь физики характеризуется дальнейшим прогрессом квантовой теории. Установление Бором принципа соответствия (1918) имело важное значение для всего последующего развития этой теории. Истолкование тонкой структуры спектральных линий и аномального эффекта Зеемана было дано в 1921 г. Ланде на основе формальной векторной модели. В этом же 1921 г. Штерн и Герлах провели свой замечательный опыт с молекулярными пучками по доказательству наличия магнитного момента у атомов. В эти же годы Бор разрабатывал теорию периодической системы и показал теоретически, что за группой редкоземельных элементов должен быть новый элемент. Этот элемент - гафний - был открыт в 1922 г. Хевеши и Костером.

В 1923 г. Комптон открыл эффект, носящий его имя, который получил наглядное теоретическое истолкование им самим и Дебаем с помощью идеи о фотоне как частице с определенной энергией и импульсом. Это открытие укрепило позиции квантовой теории света, но вместе с тем с еще большей остротой поставило вопрос о сочетании волновых и корпускулярных свойств света. В 1924 г. Де Бройль выдвинул идею о существовании волн материи. В том же 1924 г. Паули ввел новое квантовое "внутреннее" число, которое после введения в 1925 г. Юленбеком и Гаудсмитом гипотезы о вращающемся электроне получило значение "спинового" квантового числа. 1924 г. был также годом рождения новой квантовой статистики Бозе-Эйнштейна

Не менее важные события происходили в ядерной физике. В 1919 г. Резерфорд открывает первую ядерную реакцию. В том же году Астон, продолжая в Кембридже прерванные войной исследования, с помощью своего масс-спектрографа открывает изотопы стабильных элементов. Бомбардируя α-частицами легкие элементы, Резерфорд и Чедвик в 1921-1924 гг. получили реакции с ядрами всех элементов от бора до калия, за исключением углерода и кислорода. Все эти реакции были типа (α, р), т. е. ядра бомбардируемых атомов поглощали α-частицу и испускали протон. В ходе этих исследований Резерфорд пришел к выводу о существовании нейтрона и тяжелого водорода. Он полагал, что если бы удалось получить в массовом количестве частицы, обладающие энергией, сравнимой с энергией α-частиц или превосходящей ее, то дело расщепления ядер атома, "новая алхимия", как назвал ее Резерфорд, двинулось бы небывалыми темпами.

Крупные успехи выпали на долю радиоэлектроники. В 1918 г. Армстронг изобрел супергетеродин. Радиотехника начала осваивать коротковолновый диапазон. Триод стал ведущим прибором в электронной радиофизике. Теория этого прибора успешно разрабатывалась Баркгаузеном, Лэнгмюром, Иккльсоми другими в 1918-1920 гг.

С 1918 г. в России развивается электронная радиотехника. Большую роль при этом сыграла организованная в 1918 г. по указанию В. И. Ленина Нижегородская лаборатория. Здесь работали организаторы советской радиотехники - М. А. Бонч-Бруевич, Д. А. Рожанский, В. К. Лебединский, А. Ф. Шорин и другие. М. А. Бонч-Бруевич, применив водяное охлаждение анода, создал в 1920 г. мощные лампы. Мощность ламп повышалась из года в год и к 1923 г. составила 30 квт . В 1924 г. началось советское радиовещание.

Период 1918-1925 гг. был в полной мере периодом накопления сил перед решающим штурмом. Мировая физика пополнилась новым мощным отрядом советских физиков.

В полную силу работали такие физики, как Резерфорд, Бор, Эйнштейн, Планк, Зоммерфельд, Эренфест, Лауэ, Ланжевен, А. Ф. Иоффе, Д. С. Рождественский, на плечи которых лег переход к новой физике. В науку пришли молодые силы: Паули, Гейзенберг, Дирак, которые наряду с физиками более старшего возраста: Де Бройлем, Шредингером, Борном и в особенности Бором - совершили переворот в физическом мировоззрении.

Период 1926-1939 гг. был особенно важным в истории научной революции XX в. Уже в 1925 г. появилась первая работа Гейзенберга по новой квантовой механике и работа Дирака. В 1926 г. появились новые работы Гейзенберга и Дирака, первые статьи Шредингера, работы Борна и Иордана по разработке математического аппарата новой механики. Затем последовала работа по физическому осмысливанию квантовой механики. В результате были открыты статистическая интерпретация волновой функции Борном, принцип неопределенности Гейзенбергом и принцип дополнительности Бором.

Осенью 1927 г. на Сольвеевском конгрессе состоялась дискуссия тю основным проблемам квантовой механики. Оппонентами копенгагенской теории были Лорентц и Эйнштейн. Особенно острой была дискуссия между Бором и Эйнштейном. Эти дискуссии отражали тот факт, что в физику вторгалось новое мышление, в корне противоположное классическому миропониманию. И не удивительно, что такие представители классической физики, как Лорентц и Эйнштейн, не могли принять новых воззрений, в которых представители новой физики видели огромное достижение человеческой мысли. "Открытие принципа неопределенности,- говорил академик Л. Д. Ландау,- является, как мне кажется, одним из величайших триумфов человеческого ума. Этот принцип противоречит всему тому, во что мы привыкли верить на основании своих ощущений, к чему мы привыкли с раннего детства. Мы привыкли к большим масштабам - атома же никто из нас не видел своими глазами. Поэтому мы не можем ощутить своим внутренним чутьем, как происходит движение в атоме, и тем не менее изучить это движение научными методами оказывается возможным. Открытие принципа неопределенности показало, что человек в процессе познания природы может оторваться от своего воображения, он может открыть и осознать даже то, что ему не под силу представить. В этом - величайшая заслуга принципа неопределенности".

Вот как далеко ушла физика от лоджевского идеала понимания!

Приведем еще одно из высказываний Бора по поводу перемены в теоретических воззрениях физиков:

"Как известно,- пишет Бор,- поразительное развитие искусства физического экспериментирования не только устранило последние следы старого представления о том, что грубость наших чувств будто бы навсегда лишает нас возможности получить непосредственную информацию об индивидуальных атомах, но и достигло большего. Эти опыты показали, что сами атомы состоят из еще более мелких частиц, которые можно изолировать и чьи свойства можно исследовать в отдельности. В этом захватывающем поле исследований мы в то же время научились, однако, и тому, что известные до сих пор законы природы, составляющие великое здание классической физики, годятся, только если мы имеем дело с телами, состоящими из практически бесконечного числа атомов..."

"Насколько радикальна вызванная этим развитием физики перемена в наших взглядах на описание природы, видно яснее всего из того факта, что даже принцип причинности, до сих пор считавшийся непременной основой для всех толкований явлений природы, оказался слишком узким для того, чтобы охватить своеобразные закономерности, управляющие индивидуальными атомными процессами".

Бор указывает на ограниченность механического понимания причинности, такого, которое было дано еще Лапласом и которое, как правильно указывает Бор, считалось непременной основой объяснения природы, как его понимал, скажем, Лодж.

Атомные закономерности подчиняются другим причинным связям, существенно отличающимся от механической причинности. Представление о мире как гигантской машине, ход которой определен раз и навсегда, рухнуло и заменилось новым, неизмеримо более сложным пониманием мира, в котором статистическая закономерность играет основную роль.

На новом пути физика достигла огромных успехов. Полное описание спектральных закономерностей, прогресс в квантовой теории твердого тела, теории магнетизма, понимании химических связей и т. д. стали возможными только на основе квантовой механики. Замечательным достижением была теория электрона Дирака (1928), давшая теоретическое истолкование спина и постоянной тонкой структуры, содержащее в себе, как оказалось, предсказание существования античастиц. Дирак развил также теорию испускания, поглощения и рассеяния электромагнитного излучения. Отсюда началась квантовая электродинамика, первый этап которой связан с именами Ферми, Гейзенберга, Паули, Венцеля и других. Вместе с Ферми Дирак развил новую, квантовую статистику для частиц с полуцелым спином (1926). Новая теория экспериментально подтверждалась не только в известных уже явлениях (спектры атомов и молекул, дисперсия, электропроводность металлов, ферромагнетизм, α-распад и т. д.), но и в открытии новых фактов. К числу таких фактов относится открытие дифракции микрочастиц. Дифракция электронов была открыта в 1927-1928 гг. (Дэвиссон и Джермер в США, Д. П. Томпсон в Англии, П. С. Тартаковский в СССР), дифракция атомов гелия, атомов и молекул водорода - О. Штерном в 1929 г. и Джонсоном в 1931 г. На этой почве возникла электронная микроскопия (Кноль и Руска, 1931). Первые промышленные микроскопы появились в 1939 г.

Новый оптический эффект - комбинационное рассеяние света - был открыт Раманом в Индии и Мандельштамом и Ландсбергом в СССР в 1928 г. Другое явление - эффект Черепкова-Вавилова было открыто в лаборатории академика С. И. Вавилова в 1934 г. Период 1926-1939 гг. был периодом становления не только квантовой механики, но и ядерной физики. До 1932 г. процессы, происходящие в ядре, описывались на основе протонно-электронной модели Резерфорда - М. Кюри. Исходя из этой модели, Гамов, Кондон и Гэрни в 1928 г. дали теорию α-распада, основанную на применении "туннельного эффекта" квантовой механики. Теория α-распада удовлетворительно объяснила эмпирическое правило Гейгера-Нуттола (1912), связавшего длину пробега, а следовательно, и энергию α-частиц с периодом полураспада. Однако β-распад представлял непреодолимые трудности для протонно-электронной модели. Это прежде всего трудности с моделью ядра азота, которая должна быть нечетной по существующей теории, в то время как эксперимент показывает ее четность ("азотная катастрофа"). Другая трудность - сплошной спектр γ-частиц, не удовлетворяющий закону сохранения энергии. Для преодоления этой трудности Паули предложил гипотезу нейтрино, на основе которой Ферми в 1934 г. развил теорию β-распада.

1930 г. был годом создания ускорителей. В этом году Кокрофт и Уолтон, используя идею умножения напряжения, предложенную Грейнахером в 1920 г., построили каскадный генератор. С протонами, ускоренными на этом ускорителе, они получили в этом году замечательную реакцию по расщеплению ядра лития. В этом же году Лоуренс нашел принцип циклотрона, первая модель которого была построена Лоуренсом и Ливингстоном в 1931 г. В 1931 г. был создан и ускоритель Ван-дер-Граафа. В 1928 г. Видероэ построил линейный ускоритель. Таким образом, тридцатые годы были годами возникновения техники ускорителей.

Но пока еще принципиальные открытия делались со старой техникой. В 1930 г. Боте и Беккер открыли проникающее излучение бериллия, возникающее при бомбардировке его α-частицами. Исследование этого явления супругами Ирэн и Фредериком Жолио-Кюри показало, что это излучение способно выбивать из водородосодержащих веществ протоны высокой энергии. Правильную интерпретацию этих опытов дал Чедвик, показавший, что это проникающее излучение представляет собой нейтроны (1932).

В том же, 1932 г. Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра, ставшую прочной базой ядерной физики.

В 1932 г. была открыта и первая античастица - позитрон. Она была открыта Андерсоном в США с помощью метода, предложенного Д. В. Скобельцыным: космические частицы фотографировались в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле. В том же году Блэкстт и Оккиалини, применив камеру, автоматически действующую с помощью счетчиков, работающих по методу совпадений, не только подтвердили открытие Андерсона, но и зарегистрировали образование электронно-позитронных пар и ливней космических частиц.

Очень важным для развития ядерной физики оказался 1934 г. В этом году супруги Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность, а Ферми начал свои знаменитые опыты по бомбардировке тяжелых элементов, и прежде всего урана нейтронами. В этом же году И. Е. Тамм и Д. Д. Иваненко предложили обменную теорию ядерных сил. Расчеты И. Е. Тамма показали, что обмен электронами не обеспечивает необходимой величины сил. В следующем году Юкава ввел гипотезу мезонного поля, предположив, что ядерные силы обусловлены обменом частицами с массой, промежуточной между массой электрона и протона. В 1937 г. Андерсон и Неддермейер открыли в космических лучах "μ-мезоны. Следует отметить, что со времен открытия позитрона до открытия антипротона в 1955 г. источником открытий новых частиц были космические лучи.

В 1936 г. появилась фундаментальная работа Б о р а о захвате нуклона ядром. Вместе с тем шло интенсивное обсуждение противоречивых результатов опытов Ферми по бомбардировке тяжелых ядер нейтронами. Дискуссия вокруг открытия так называемых "заурановых элементов" завершилась открытием в 1938-1939 гг. Ганом и Штрассманом деления урана. Начиналась эпоха атомной энергии.

Итак, в 1930-1939 гг. в ядерной физике произошли крупнейшие события. Были открыты нейтрон, позитрон, мезон, утвердилась гипотеза нейтрино. Были созданы первые ускорители частиц, открыта искусственная радиоактивность, деление урана. Были сделаны первые шаги в построении теории ядерных сил, создана капельная модель ядра, на основе которой было объяснено деление урана. Наука подошла вплотную к практическому использованию ядерной энергии.

Расцвет квантовой и ядерной физики не означает, что классическая физика перестала интенсивно развиваться. На базе успехов радиотехники сложилась и развилась новая отрасль классической физики - теория нелинейных колебаний. Работы А. М. Ляпунова по устойчивости движения и А. Пуанкаре по качественной теории дифференциальных уравнений получили новое мощное развитие. Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, А. А. Андронов и другие советские физики и математики создали теорию нелинейных колебаний, ставшую прочной теоретической базой радиотехники и автоматики. Развивались и такие старые отрасли физики, как акустика, магнетизм, оптика. Существенную роль в их развитии сыграли новые экспериментальные средства электроники и такие новые отрасли науки и техники, как звуковое кино. Новая физика начала свой выход в технику. Звуковое кино, телевидение, фотоэлементы, фотоумножители, генераторы высокочастотных колебаний возникли в этот период.

В этот период с особенной силой выявилось общественное значение физики. Физические теории: теория относительности и квантовая механика - стали предметом широких философских дискуссий. В Советском Союзе шла напряженная работа по философскому осмысливанию результатов новой физики с позиций диалектического материализма. В фашистской Германии реакционеры типа Ленарда и Штарка объявили новую физику "неарийской". Таким образом, новая физика сделалась предметом острой идеологической борьбы. Особую роль в истории мировой физики играла советская физика. В годы первых пятилеток в СССР шло интенсивное строительство физических институтов и университетов. Реорганизованная Академия наук превратилась в штаб советской науки. Советская физика стала наукой сплошного фронта и уверенно вышла на передовые позиции. Работы А. Ф. Иоффе, П. Л. Капицы, И. В. Курчатова, Д. С. Рождественского, Л. Д. Ландау, Л. И. Мандельштама, И. Е. Тамма, С. И. Вавилова и многих других получили мировое признание. Таким образом, период 1926-1934 гг. был периодом создания квантовой механики, периодом становления ядерной физики, интенсивного развития классической (макроскопической) физики. Вместе с тем это был период повышения общественного значения физики, усиления ее роли в техническом прогрессе и в идеологии.

Следующий период, 1940-1955 гг., характеризуется прежде всего событиями второй мировой войны, оказавшей огромное влияние на ход мировой истории и на научно-технический прогресс. Во время мировой войны решилась проблема использования энергии деления урана и плутония. Вся работа по ядерной физике велась в обстановке строгой секретности, и это наложило отпечаток на всю историю военной и послевоенной физики. Только в 1955 г. на первой Женевской международной конференции по мирному использованию атомной энергии были рассекречены некоторые проблемы ядерной физики и техники. Таким образом, период 1940-1955 гг.- это период развития науки в обстановке секретности, отсутствия исчерпывающей международной научной информации, в обстановке милитаризации науки.

Вторая особенность этого периода - переход к индустриальным методам в развитии ядерной физики и физики элементарных частиц. В этот период были созданы исследовательские реакторы и мощные ускорители. Первый реактор мощностью 200 вт , работающий на естественном уране с графитовым замедлителем, был пущен группой Ферми в Чикаго в 1942 г. В 1943 г. были построены реакторы в Чикаго и Ок-Ридже. Советский реактор мощностью 350-600 квт был пущен в 1949 г. Во Франции Жолио-Кюри создал реактор "ЗОЭ" в 1948 г. В том же году в Английском атомном центре в Хэруэлле был пущен реактор на 4000 квт с графитовым замедлителем и воздушным охлаждением. К 1955 г. в мире работало уже около 50 реакторов исследовательского типа. В 1954 г. в СССР была построена первая электростанция, работающая на ядерном горючем, которая стала своеобразной исследовательской лабораторией для разработки реакторов.

Наряду с реакторами в экспериментальную технику вводились машины для получения частиц высоких энергий: электронные синхротроны и бетатроны, синхроциклотроны и синхрофазотроны. В 1946 г. был пущен синхрофазотрон в Калифорнийском университете в Беркли, ускоряющий протоны до 350 Мэв. В 1949 г. вступил в строй советский синхроциклотрон (ныне синхроциклотрон Объединенного института ядерных исследований в Дубне), ускоряющий протоны до 680 Мэв. Это была крупнейшая машина такого типа. К 1955 г. в мире работало 20 синхроциклотронов и 10 электронных синхротронов. В 1952 г. вступил в строй Бринзавенский синхрофазотрон (космотрон),ускоряющий протоны до 3 Бэв (миллиардов электроновольт). В 1954 г. вступил в строй синхрофазотрон Калифорнийского университета, ускоряющий протоны до 6,2 Бэв. На этом синхрофазотроне в 1955 г. были получены антипротоны. Советский синхрофазотрон на 10 Бэв вступил в строй в 1957 г. Посетив Дубну в 1961 г., Н. Бор в следующих словах выразил свое впечатление от перехода старой, "ремесленной" физики к новой, "индустриальной":

"Это было действительно настоящим событием, что, я смог 50 лет назад наблюдать зарождение ядерной физики. Мне посчастливилось тогда присоединиться к группе вдохновляемых Резерфордом молодых ученых из многих стран. Я приехал в Манчестер спустя всего несколько месяцев после открытия атомного ядра.

Почти невозможно рассказать о той разнице, которая существует между физической наукой тех времен и наукой наших дней. Там, где раньше работали с очень примитивными приборами, теперь вследствие развития техники созданы такие сложные установки, какие есть в вашем большом институте. Удивительно видеть, как вместо очень простых теоретических средств в наши дни возникла замечательная математическая техника, позволившая накопить столь большие знания".

Оценивая гигантские ускорительные установки в Дубне, Бор сказал:

"Особенно глубокое впечатление произвели на меня замечательные гигантские установки. Их проектирование и строительство потребовали проникновения в самую суть вещей и, я бы даже сказал,- мужества".

В приведенном выше высказывании Бор упоминает о математической технике. Индустриализация проникла в такую, казалось бы, отвлеченную область, как математика. Электронные счетные машины, выполняющие логические операции, возникли из военных потребностей. Необходимо было разработать быстродействующие устройства, ведущие управление огнем зенитной артиллерии. Вследствие больших скоростей самолетов старые методы управления не годились. Американский математик Норберт Винер сформулировал в 1940 г. условия, которым должны удовлетворять такие машины:

1. Эти машины должны быть цифровыми, как в обычном арифмометре.
2. Эти устройства должны состоять не из механических частей, а электронных ламп. Это необходимо, чтобы обеспечить достаточно быстрое действие.
3. В них должна использоваться двоичная, а не десятичная система счисления.
4. Последовательность действия должна планироваться самой машиной так, чтобы человек не вмешивался в процесс решения задачи, с момента введения исходных данных до съема окончательных результатов. Все логические операции, необходимые для этого, должна выполнять сама машина.
5. Машина должна содержать устройство для записывания данных. Это устройство должно быстро их записывать, надежно хранить до стирания, быстро считывать, быстро стирать их и немедленно подготавливать к записыванию нового материала.

Во время войны Пенсильванский университет в Филадельфии построил первую электронную вычислительную машину "Эниак" для вооруженных сил. Она была впервые публично продемонстрирована после войны в феврале 1946 г. Пенсильванский университет построил и вторую электронную вычислительную машину "ЭДВАК".

В 1948 г. вышла книга Винера, содержащая основы новой научной дисциплины,- кибернетики, выросшей из проблем, возникающих при устройстве "думающих" машин.

Работа над радиолокаторами ("радар") во время войны и электронными счетными машинами привела к полному перевороту в электронике. Уже к 1939 г. были построены генераторы колебаний сверхвысокой частоты: клистроны и магнетроны.

Применение сверхвысокой частоты потребовало разработки теории волноводов и новых типов антенн. На этой базе возникли радиоастрономия и радиоспектроскопия. Наконец, большое распространение получили полупроводниковые приборы.

На основе этих технических достижений появились успехи и в теоретической науке. Были открыты новые частицы π-мезоны, χ-мезоны, гипероны. Возникла новая отрасль физики - физика элементарных частиц. Открытие сдвига уровней в водородном спектре и дополнительного магнитного момента электрона стимулировали развитие квантовой электродинамики. Создание ускорителей вызвало к жизни физику высоких энергий, выдвинувшую проблемы структуры нуклонов и множественности рождения частиц. В конце периода возникла квантовая радиофизика. Поток новых открытий в науке и технике не оставлял сомнений в том, что мир вступил в полосу небывалой по своему размаху и социальным последствиям научно-технической революции. Важнейшее достижение этого периода - начало космической эры.

Дальнейшее развитие получила ядерная физика. Разработка проблемы управляемой термоядерной реакции привела к возникновению новых отраслей физики - физики плазмы и магнитной гидродинамики. Интенсивно развивается физика элементарных частиц.

Открытие несохранения четности было одним из фундаментальных открытий последнего периода. Но физиков не оставляет предчувствие, что они находятся еще только на пороге фундаментальных открытий. Существующие теории еще не в состоянии справиться с лавиной новых экспериментальных фактов.

Колоссально выросло общественное значение физики. Она превращается в могучую производительную силу. Ее достижения могут принести человечеству процветание, но они способны и уничтожить человечество. Человечество стоит перед дилеммой: идти по пути прогресса и процветания или погибнуть.

Люди науки лучше всех понимают грозную опасность, возникшую в связи с грандиозными открытиями физики. Отвечая на новогоднюю анкету журнала "Техника - молодежи", Э. Шредингер писал за несколько дней до своей смерти:

"Для меня существует сейчас только одна величайшая "проблема человечества": как сохранить мир и помешать новому применению адского оружия" ("Техника-молодежи", № 1, 1961). Н. Бор также отвечал в "Технике-молодежи" в августе 1961 г. на вопрос о проблеме № 1: "Наиболее важная проблема современности - это проблема исключения войны из взаимоотношений между людьми. С древних времен люди пытались войной решать свои судьбы. Мы пришли к такому положению, когда все главные проблемы могут и должны решаться мирно". И далее в своей статье "Единство человеческого знания" Бор писал: "Быстрый прогресс науки и техники в наши дни, представляющий одновременно и благо и угрозу общей безопасности, поставил перед человечеством новые проблемы. Всякое достижение в науке и технике увеличивает ответственность, но в настоящий момент, когда судьбы всех народов неразрывно связаны, сотрудничество и взаимопонимание необходимы более чем когда-либо в истории человечества".

Коммунистическая партия Советского Союза ведет неутомимую борьбу за мир, за исключение войны из жизни общества, за мирное сосуществование между народами. Эта политика отвечает чаяниям всего человечества.

Одной из основополагающих наук нашей планеты является физика и ее законы. Ежедневно мы пользуемся благами ученых физиков, которые уже много лет работают для того чтобы жизнь людей становилась комфортнее и лучше. Существование всего человечества построено на законах физики, хотя мы об этом и не задумываемся. Благодаря кому у нас в домах горит свет, мы можем летать на самолетах по небу и плавать по бескрайним морям и океанам. Об ученых посветивших себя науке мы и поговорим. Кто же самые известные физики, чьи работы изменили нашу жизнь навсегда. Великих физиков огромное множество в истории человечества. О семи из них мы и расскажем.

Альберт Эйнштейн (Швейцария) (1879-1955)

Альберт Эйнштейн один из величайших физиков человечества родился 14 марта 1879 года в немецком городе Ульм. Великого физика-теоретика можно назвать человеком мира, ему пришлось жить в тяжелое время для всего человечества во время двух мировых войн и часто переезжать из одной страны в другую.

Эйнштейн написал больше 350 работ по физике. Является создателем специальной (1905) и общей теории относительности(1916), принципа эквивалентности массы и энергии(1905). Разработал множество научных теорий: квантового фотоэффекта и квантовой теплоемкости. Вместе с Планком, разработал основы квантовой теории, представляющие основой современной физике. Эйнштейн имеет большое количество премий за свои труды в области науки. Венцом всех наград выступает Нобелевская премия, по физике полученная Альбертом в 1921 году.

Никола Тесла (Сербия) (1856-1943)

Родился известный физик-изобретатель в небольшой деревушке Смилян 10июля 1856 года. Работы Теслы намного опередили время, в которое жил ученый. Николу называют отцом современного электричества. Он сделал множество открытий, и изобретений получив более 300 патентов на свои творения во всех странах, где работал. Никола Тесла был не только физиком теоретиком, но и блестящим инженером, создававшим и испытывавшим свои изобретения.

Тесла открыл переменный ток, беспроводную передачу энергии, электричества, его работы привели к открытию рентгена, создал машину, которая вызывала колебания поверхности земли. Никола предсказывал наступление эры роботов, способных выполнять любую работу. Из-за своей экстравагантной манеры поведения не снискал признания при жизни, но без его работ сложно представить повседневную жизнь современного человека.

Исаак Ньютон (Англия) (1643-1727)

Один из отцов классической физики появился на свет 4 января 1643 года в городке Вулсторп в Великобритании. Являлся сначала участником, а впоследствии главой королевского общества Великобритании. Исаак сформировал и доказал главные законы механики. Обосновал движение планет Солнечной системы вокруг Солнца, а также наступление приливов и отливов. Ньютон создал фундамент для современной физической оптики. Из огромного списка работ великого ученого, физика, математика и астронома выделяются две работы одна из которых была написана в 1687 году и «Оптика» вышедшая из под пера в 1704 году. Верхом его работ является известный даже десятилетнему малышу закон всемирного тяготения.

Стивен Хокинг (Англия)

Самый известный физик современности появился на нашей планете 8 января 1942 года в Оксфорде. Образование Стивен Хокинг получал в Оксфорде и Кембридже, где и преподавал в дальнейшем, также работал в Канадском Институте теоретической физики. Главные работы его жизни связаны с квантовой гравитацией и космологией.

Хокинг исследовал теорию возникновения мира вследствие Большого взрыва. Разработал теорию исчезновения черных дыр, вследствие явления получившего в его честь название-излучение Хокинга. Считается основоположником квантовой космологии. Член старейшего научного общества, в которое входил еще Ньютон, Лондонского королевского общества на протяжении долгих лет, вступив в него в 1974 году, и считается одним из самых молодых членов принятых в общество. Всеми силами приобщает к науке современников с помощью своих книг и участвуя в телепередачах.

Мария Кюри-Склодовская(Польша, Франция)(1867-1934)

Самая известная женщина физик появилась на свет 7 ноября 1867 года в Польше. Окончила престижный университет Сорбонна, в котором изучала физику и химию, а впоследствии стала первой женщиной-преподователем в истории своей Альма-матер. Вместе со своим мужем Пьером и известным физиком Антуаном Анри Беккерелем изучали взаимодействие солей урана и солнечного света, вследствие экспериментов получили новое излучение, которое было названо радиоактивностью. За это открытие вместе со своими коллегами получила Нобелевскую премию по физике 1903 года. Мария состояла во множестве научных обществ по всему земному шару. Навсегда вошла в историю как первый человек, удостоившийся Нобелевской премии, по двум номинациям химии в 1911и физике.

Вильгельм Конрад Рентген(Германия) (1845-1923)

Рентген впервые увидел наш мир городе Леннеп, в Германии 27 марта 1845 года. Преподавал в Вюрцбургском университете, где 8 ноября 1985 года и сделал открытие, которое изменила жизнь всего человечества навсегда. Ему удалось открыть икс-излучение, впоследствии получившее название в честь ученого — рентгеновское. Его открытие стало толчком к появлению целого ряда новых течений в науке. Вильгельм Конрад вошел в история как первый обладатель Нобелевской премии по физике.

Андрей Дмитриевич Сахаров (СССР, Россия)

21 мая 1921 года родился будущий создатель водородной бомбы.Сахаров написал немало научных работ на тему элементарных частиц и космологии, по магнитной гидродинамике и астрофизике. Но главным его достижением является создание водородной бомбы. Сахаров был гениальным физиком в истории не только огромной страны СССР, но и мира.

В конце XIX–начале XX вв. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о мире. Оказалось, что положения классической физики совершенно непригодны для исследования микромира. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

История исследования строения атома началась в 1895 году благодаря открытию Дж. Томпсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Согласно первой модели атома, построенной ученым Э. Резерфордом, атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Ядро – положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10 -12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10 -8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.

Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. Беккерелем. Открытие сложной структуру атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества. Оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как о двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком Максом Планком. В конце XIX века в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, М. Планк пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах. Энергия каждого кванта, согласно Планку, пропорциональна частоте волны, то есть цвету излучаемого света:

где n – частота излучения; h – некоторая универсальная константа, получившая название постоянной Планка. О своем открытии Планк доложил 14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества. Этот день считается в истории физики днем рождения квантовой теории, открывшей новую эру в естествознании.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был Эйнштейн. В 1905 году он перенес гениальную идею квантового поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было очень смелым, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам Планк, относивший свою квантовую формулу только к законам теплового излучения черного тела.

А. Эйнштейн же утверждал, что здесь речь идет о закономерности всеобщего характера. Он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. Свет есть распространяющееся в мировом пространстве волновое явление, но световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Эйнштейновское учение о фотонах позволило объяснить явление фотоэлектрического эффекта , суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу в 1922 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Квантовая теория света относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по дифракции и интерференции.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте – корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого ряда. Основная характеристика его дискретности – присущая ему порция энергии – вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту. Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка позволила Н. Бору разработать новую модель атома.

Теория атома Н. Бора

В 1913 г. датский физик Нильс Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристики атомных спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при планетарной модели атома Резерфорда. Модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов – атом электрически нейтрален.

Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро. Другое противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла.

Модель атома Н.Бора, разрешившая эти противоречия, базировалась на планетарной модели Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных орбит, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая ;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атома: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, почему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяются; объясняются и линейчатые спектры атомов, где каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Бора позволила дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем больше было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Оказалось, что точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других - меньше. Следовательно, электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния.

Теория Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физики, нарушили ее целостность, но позволили обеспечить лишь небольшой круг экспериментальных данных. В результате дальнейшего развития квантовой механики выяснилось, что атомную модель Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме, в принципе, нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Атом физиков-теоретиков все больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

Достижения физики 20 — 21 века открыли познания об элементарных частицах и их взаимодействии. До конца второй мировой войны только несколько частиц были известны, не было систематической теории, объясняющей их разнообразие и их свойства. Несмотря на успехи, достигнутые в 1930 даже ядерная физика была еще в зачаточном состоянии во многих отношениях. Ничего не было известно о составе нейтронов и протонов. Измерительные приборы были очень грубы с ограниченным диапазоном измерений.

Открытия новых частиц

За последние время был обнаружен целый «зоопарк» новых частиц, некоторые очень недолговечны. Для того чтобы исследовать такие частицы необходимо ускорение и разбиение их на другие частицы. Разработка новых ускорителей частиц, действующих при гораздо более высоких энергиях, было решающим фактором стремительного прогресса в физике элементарных частиц.

Для того чтобы отслеживать частицы до и после их взаимодействия с другими частицами в начале 1950-х годов был разработан ускоритель. Другие типы приборов обнаружения, как искровая камера или многопроволочная пропорциональная камера как детектор элементарных частиц, были разработаны и усовершенствованы позднее. Для того чтобы обнаруживать и измерять нейтрино, которые вряд ли вообще взаимодействуют с веществом, огромные помещения были построены глубоко под землей для устранения всех нежелательных излучений.

Физики-теоретики добились существенного прогресса в раскрытии принципов, регулирующих их взаимодействие. В начале 1960-х годов была разработана теория кварков (элементарных частиц входящих в состав протонов и нейтронов). Это открытие может объяснить многие из закономерностей более тяжелых частиц. Возможно открыто самое главное: новые принципы упорядочения частиц считаются основополагающими в физике.

В начале 21 века началось строительство ускорителя заряженных частиц адронного коллайдера.В настоящее время ученые с помощью коллайдера фиксируют результаты столкновения частиц на рекордных энергиях. С помощью этого ускорителя открыт бозон Хиггса.

Существование антиматерии

Еще один прорыв как достижения физики 20 века была экспериментальная демонстрация существования антиматерии. Материя и антиматерия быстро распадаются в чистую энергию. Это было предсказано, как теоретическое основание и предоставляет доказательства текущей теории фундаментальных законов природы.

Не следует забывать что, несмотря на прогресс в фундаментальной физике, все еще существует большой пробел в наших знаниях — разрыв, который необходимо заполнить.

Два главных столпа физики XX века: квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна, они взаимно несовместимы .

Их совместимость является абсолютно необходимым для последовательной физики, которая является целью дальнейшего теоретического прогресса. Эта цель может быть достигнута путем изменения, по крайней мере, одной из этих теорий существенным образом. Никто не знает к чему эта проблема может привести.

Ядерная физика

В 20 — 21 веке физика имеет огромное технологическое воздействие.

В результате развития атомной бомбы и как следствие увеличение знаний ядерной физики, были разработаны реакторы для производства электрической энергии путем использования тепла при реакции ядерного деления. С 1950 по это время мирное использование ядерной энергии было принято во всем мире. Многие промышленно развитые страны и некоторые развивающиеся страны сейчас используют ядерную энергию для производства электроэнергии.

Будущее ядерной энергии, однако, представляется несколько неопределенным из-за потенциально опасных радиоактивных отходов , которые она производит. Дальнейшие события в ядерной физике включают производство или обнаружение новых элементов, помимо уже известных.

Физическая оптика

Гигантские и фундаментальные шаги были сделаны в оптике. Это привело к разработке первого мощного электронного микроскопа в начале 1950-х годов. За ним последовал ионный микроскоп и сканирующий электронный микроскоп. Электронные микроскопы высокого разрешения обеспечивают проницательность в атомные структуры твердых тел.

В 1980-х годах был изобретен сканирующий микроскоп туннелирования. Это прототип сканирующего зондового микроскопа привел к разработке инструментов, которые позволяют визуализировать один атом. Родилась новая область технологии.

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость была обнаружена в 1911.

При чрезвычайно низких температурах некоторые материалы теряют электрическое сопротивление. Таким образом, они могут проводить электричество без малейших потерь. Совершенно очевидно, что это явление имеет множество потенциальных технических приложений как, например, в чрезвычайно мощных магнитах. Но явление сверхпроводимости ученые не могли объяснить вплоть до второй половины 20 века.

В 1980-х впечатляющие успехи были достигнуты в производстве керамических материалов, которые демонстрируют сверхпроводимость при значительно более высоких температурах, чем ранее считалось возможным.

Изобретение лазера

В 1960 году был изобретен лазер. Он производит когерентный свет, который может быть направлен узким лучом. У лазеров оказались несметные технологические приложения. Они включают целый ряд различных измерительных приборов, таких как детекторы загрязнения воздуха, высокоскоростная фотография, новые запоминающие устройства для компьютеров, хирургические инструменты различных видов.

Открытие полупроводников

Возможно, наиболее распространенной научной инновацией и самым было открытие полупроводников.

Полупроводники, кристаллы, которые сочетают свойства электрических проводников и изоляторов. Исследования этих свойств привели к открытию транзистора в конце 1940-х.

Транзистор постепенно заменил вакуумные лампы и, в конце концов, в начале 1960-х годов, привел к интегральным микросхемам и микропроцессорам малого размера. Микропроцессоры имели огромное влияние на электротехнику. Их поразительная эффективность и размер вызвал множество приложений в самых различных областях. Чрезвычайно быстрое развитие компьютеров со значительно расширенной памятью стало возможным с появлением транзисторов, интегрированных в микропроцессорах. Практически все сегодняшние вычислительные и коммуникационные устройства основаны на этой технологии. Стоимость и размер вычислительной мощности была сокращена на несколько порядков. Кроме того при разработке и внедрении Интернета, который соединяет миллионы компьютеров сегодня, позволяет получить доступ к информации из всех уголков земного шара на беспрецедентном уровне и скорости. Масштабы потенциального воздействия современных информационных и коммуникационных технологий на общество могут быть сопоставимы с изобретением печатного станка.

Современные компьютеры и привели также к захватывающим достижениям в рамках фундаментальной науки, например в области искусственного интеллекта.

Еще одним событием, вытекающих из исследования полупроводников было изобретение фотоэлектрических ячеек , с помощью которых можно конвертировать свет в электрическую энергию. Они приносят надежду, что большую часть энергии необходимо будет преобразовывать непосредственно от солнца без значительного загрязнения.