Физики открытия: Великие открытия в физике (для оформления стенда «День физики») |

Содержание

Великие открытия в физике (для оформления стенда «День физики»)

Великие
открытия в физике (для оформления стенда «День физики»)

1. Закон падающего тела

2. Всемирное тяготение

3. Законы движения

4. Второй закон термодинамики

5. Электромагнетизм

6. Теория относительности

7. E=mc2

8. Квантовая теория

9. Природа света

10. Нейтрон

11. Сверхпроводники

12. Кварк

13. Ядерные силы

1. Закон
падающего тела

На протяжении
более двух тысяч лет люди считали, что тяжелые предметы падают быстрее легких.
Эта классическая мудрость основывалась на наблюдениях древнегреческого
философа Аристотеля. Люди верили ему, потому что его мысли казались
правильными.

Но в 17 веке Галилео Галилей решил
проверить закон Аристотеля. По легенде он сбрасывал в Пизанской башни шары
разной массы.

Во время своих
экспериментов Галилео обнаружил, что тяжелые предметы падают быстрее легких
из-за меньшего воздушного сопротивления: воздух мешает легкому объекту сильнее,
чем тяжелому.

Решение Галилея
проверить закон Аристотеля стало поворотным моментом в науке, оно ознаменовало
начало проверки всех общепринятых законов опытным путем. Опыты Галилея с
падающими телами привели к нашему начальному пониманию ускорения под действием
гравитации.

2. Всемирное
тяготение

Это открытие
свершилось благодаря сэру Исааку Ньютону, который родился в Англии в год
смерти Галилея.

Говорят, что
однажды Ньютон сидел под яблоней в саду и отдыхал. Вдруг он увидел, как с ветки
упало яблоко. Этот простой инцидент заставил его задуматься, почему яблоко
упало вниз, в то время, как Луна все время оставалась в небе. Именно в этот
момент в мозгу молодого Ньютона свершилось открытие: он понял, что на яблоко и
Луну действует единая сила гравитации.

Ньютон представил
себе, что на весь фруктовый сад действовала сила, которая притягивала к себе
ветки и яблоки. Его более важно то, что он распространил эту силу до самой
Луны. Ньютон понял, что сила притяжения есть везде, до него никто до этого не
додумывался.

Ньютон
предположил, что Луна, пытаясь лететь по прямой линии в космосе мимо Земли,
постоянно притягивается ей. Из-за этого Луна вращается вокруг Земли. Но и сама
Луна притягивает Землю при помощи собственной гравитации. Ньютон открыл закон всемирного
тяготения.

Согласно этому
закону, гравитация влияет на все тела во Вселенной, включая яблоки, луны и
планеты. Сила притяжения такого крупного тела, как Луна, может провоцировать
такие явления, как приливы и отливы океанов на Земле.

Вода в той части
океана, которая находится ближе к Луне, испытывает большее притяжение, поэтому
Луна, можно сказать, перетягивает воду из одной части океана в другую. А так,
как Земля вращается в противоположном направлении, эта задержанная Луной вода
оказывается дальше привычных берегов.

Понимание Ньютоном
того, что у каждого предмета есть собственная сила притяжения, стало великим
научным открытием. Однако, его дело было еще не завершено.

3.
Законы
движения

Ньютон для многих
является олицетворением самой физики, ведь он, помимо прочего, открыл
три закона движения, что стало его вторым великим открытием. Это законы,
которые объясняют движение любого физического предмета.

Возьмем, например,
хоккей. Бьете клюшкой по шайбе, и она скользит по льду. Это первый закон: под
действием силы предмет движется. Если бы не было трения о лед, то шайба
скользила бы бесконечно долго. Когда вы бьете клюшкой по шайбе, то придаете ей
ускорение.

Второй закон
гласит: ускорение прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально
массе тела.

А согласно
третьему закону при ударе шайба действует на клюшку с такой же силой, как
клюшка на шайбу, т.е. сила действия равна силе противодействия.

Законы движения
Ньютона были смелым решением объяснять механику функционирования Вселенной, они
стали основой классической физики.

4.
Второй
закон термодинамики

Наука о
термодинамике – это наука о тепле, которая преобразуется в механическую
энергию. От нее зависела вся техника во время промышленной революции.

Тепловая энергия
может быть преобразована в энергию движения, например, путем вращения
коленчатого вала или турбины. Важнее всего выполнить как можно больше работы,
используя как можно меньше топлива. Это наиболее экономически выгодно, поэтому
люди стали изучать принципы работы паровых двигателей.

Среди тех, кто
занимался этим вопросом, был немецкий ученый Рудольф Клаузиус. В 1865
году он сформулировал Второй закон
термодинамики. Согласно этому закону, при любом
энергетическом обмене, например, во время нагревания воды в паровом котле,
часть энергии пропадает. Клаузиус ввел в оборот слово энтропия, объясняя с его помощью
ограниченную эффективность паровых двигателей. Часть тепловой энергии теряется
во время преобразования в механическую.

Это утверждение
изменило наше понимание того, как функционирует энергия. Не существует
теплового двигателя, который был бы эффективен на 100%. Когда вы едете на
машине, только 20% энергии бензина действительно тратится на движение. Куда
девается остальная часть? На нагревание воздуха, асфальта и шин. Цилиндры в
блоке цилиндров нагреваются и изнашиваются, а детали ржавеют. Грустно думать о
том, насколько расточительны такие механизмы.

Хотя Второй закон
термодинамики был основой промышленной революции, следующее великое открытие
привело мир в новое, его современное состояние.

5. Электромагнетизм

Дамба Гувера –
одно из величайших инженерных достижений современности. Ее высота 221 м, а
масса 6,6 миллионов тонн. 17 генераторов вырабатывают электричество мощностью 3
миллиона лошадиных сил, и создается оно благодаря магнитному полю.

Ученые научились
создавать магнитную силу с помощью электричества, когда пустили ток по завитому
проводу. В результате получился электромагнит. Как только подается ток,
возникает магнитное поле. Нет напряжения – нет поля.

В 1831 году
переплетчик, интересующийся электричеством, по имени Майкл Фарадей, стал
первым, кто смог запустить этот процесс в обратном направлении. Он использовал
движущееся магнитное поле для создания электричества.

Электрогенератор в
своей самой простейшей форме является витком проволоки между полюсами магнита.
Майкл Фарадей обнаружил, что когда магнит и проволока находятся на близком
расстоянии, по проволоке проходит ток. По этому принципу работают все
электрогенераторы.

Фарадей вел записи
о своих экспериментах, но шифровал их. Тем не менее они были по достоинству
оценены физиком Джеймсом Клерком
Максвеллом, который использовал их, чтобы еще лучше понять
принципы электромагнетизма. Максвелл позволил человечеству понять, как
электричество распределяется по поверхности проводника.

Если вы хотите
знать, каким был бы мир без открытий Фарадея и Максвелла, то представьте себе,
что электричество не существует: не было бы радио, телевидения, мобильных
телефонов, спутников, компьютеров и всех средств связи. Представьте себе, что
вы в 19 веке, потому что без электричества вы бы именно там и оказались.

Совершая открытия,
Фарадей и Максвелл не могли знать, что их труд вдохновил одного юношу на
раскрытие тайн света и на поиск его связи с величайшей силой Вселенной. Этим
юношей был Альберт Эйнштейн.

6.
Теория
относительности

В 1905 году
случился переворот в мире науки, произошло величайшее открытие. Молодой
неизвестный ученый, работающий в бюро патентов в швейцарском городе Берн,
сформулировал революционную теорию. Его звали Альберт Эйнштейн.

Эйнштейн однажды
сказал, что все теории нужно объяснять детям. Если они не поймут объяснения, то
значит теория бессмысленна. Будучи ребенком, Эйнштейн однажды прочитал детскую
книжку об электричестве, тогда оно только появлялось, и простой телеграф
казался чудом. Эта книжка была написана неким Бернштейном, в ней он предлагал
читателю представить себя едущим внутри провода вместе с сигналом. Можно
сказать, что тогда в голове Эйнштейна и зародилась его революционная теория.

В юношестве,
вдохновленный своим впечатлением от той книги, Эйнштейн представлял себе, как
он двигается вместе с лучом света. Он обдумывал эту мысль 10 лет, включая в
размышления понятие света, времени и пространства.

Он осознал, что
теория Ньютона, согласно которой время и пространство неизменны, была
неправильной, если ее применить к скорости света. С этого и началась
формулировка того, что он назвал теорией относительности.

В мире, который
описывал Ньютон, время и пространство были отделены друг от друга: когда на
Земле 10 часов утра, то такое же время было и на Венере, и на Юпитере, и по
всей Вселенной. Время было тем, что никогда не отклонялось и не
останавливалось. Но Эйнштейн по-другому воспринимал время.

Время – это река,
которая извивается вокруг звезд, замедляясь и ускоряясь. А если пространство и
время могут изменяться, то меняются и наши представления об атомах, телах и
вообще о Вселенной!

Эйнштейн
демонстрировал свою теорию с помощью так называемых мыслительных экспериментов.
Самый известный из них – это «парадокс близнецов». Итак, у
нас есть двое близнецов, один из которых улетает в космос на ракете. Так как
она летит почти со скоростью света, время внутри нее замедляется. После
возвращения этого близнеца на Землю оказывается, что он моложе того, кто
остался на планете. Итак, время в разных частях Вселенной идет по-разному. Это
зависит от скорости: чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас идет
время.

Этот эксперимент в
какой-то степени проводится с космонавтами на орбите. Если человек находится в
открытом космосе, то время для него идет медленней. На космической станции время
идет медленней. Этот феномен затрагивает и спутники. Возьмем, например,
спутники GPS: они показывают ваше положение на планете с точностью до
нескольких метров. Спутники движутся вокруг Земли со скоростью 29000 км/ч,
поэтому к ним применимы постулаты теории относительности. Это нужно учитывать,
ведь если в космосе часы идут медленнее, то синхронизация с земным временем
собьется и система GPS не будет работать.

Через несколько
месяцев после опубликования теории относительности Эйнштейн сделал следующее
великое открытие: самое известное уравнение всех времен.

7.
E=mc2

Вероятно, это
самая известная в мире формула. В теории относительности Эйнштейн доказал, что
при достижении скорости света условия для тела меняются невообразимым образом:
время замедляется, пространство сокращается, а масса растет. Чем выше скорость,
тем больше масса тела. Только подумайте, энергия движения делает вас тяжелее.
Масса зависит от скорости и энергии. Эйнштейн представил себе, как фонарик
испускает луч света. Точно известно, сколько энергии выходит из фонарика. При
этом он показал, что фонарик стал легче, т.е. он стал легче, когда начал
испускать свет. Значит E – энергия фонарика зависит от m – массы в пропорции,
равной c2. Все просто.

Эта формула
показывала и на то, что в маленьком предмете может быть заключена огромная
энергия. Представьте себе, что вам бросают бейсбольный мяч и вы его ловите. Чем
сильнее его бросят, тем большей энергией он будет обладать.

Теперь что
касается состояния покоя. Когда Эйнштейн выводил свои формулы, он обнаружил,
что даже в состоянии покоя тело обладает энергией. Посчитав это значение по
формуле, вы увидите, что энергия поистине огромна.

Открытие Эйнштейна
было огромным научным скачком. Это был первый взор на мощь атома. Не успели
ученые полностью осознать это открытие, как случилось следующее, которое вновь
повергло всех в шок.

8.
Квантовая
теория

Квантовый скачок –
самый малый возможный скачок в природе, при этом его открытие стало величайшим
прорывом научной мысли.

Субатомные
частицы, например, электроны, могут передвигаться из одной точку в другую, не
занимая пространство между ними. В нашем макромире это невозможно, но на уровне
атома – это закон.

В субатомном мире
атомы и их составляющие существуют согласно совсем иным законам, нежели крупные
материальные тела. Немецкий ученый Макс Планк описал эти законы в
своей квантовой теории.

Квантовая теория
появилась в самом начале 20 века, когда случился кризис в классической физике.
Было открыто множество феноменов, которые противоречили законам Ньютона. Мадам Кюри,
например, открыла радий, который сам по себе светится в темноте, энергия
бралась из ниоткуда, что противоречило закону сохранения энергии. В 1900 году
люди считали, что энергия непрерывна, и что электричество и магнетизм можно
было бесконечно делить на абсолютно любые части. А великий физик Макс Планк
дерзко заявил, что энергия существует в определенных объемах – квантах.

Если представить
себе, что свет существует только в этих объемах, то становятся понятны многие
феномены даже на уровне атома. Энергия выделяется последовательно и в
определенном количестве, это называется квантовым эффектом и
означает, что энергия волнообразна.

Тогда думали, что
Вселенная была создана совсем по-другому. Атом представлялся чем-то,
напоминающим шар для боулинга. А как может шар иметь волновые свойства?

В 1925 году
австрийский физик Эрвин Шредингер, наконец,
составил волновое уравнение, которое описывало движение электронов. Внезапно
стало возможным заглянуть внутрь атома. Получается, что атомы одновременно
являются и волнами, и частицами, но при этом непостоянными.

Вскоре Макс Борн, коллега
Эйнштейна, сделал революционный шаг: он задался вопросом – если вещество
является волной, то что в ней меняется? Борн предположил, что меняется
вероятность определения положения тела в данной точке.

Можно ли вычислить
возможность того, что человек разделится на атомы, а потом материализуется по
другую сторону стены? Звучит абсурдно. Как можно, проснувшись утром, оказаться
на Марсе? Как можно пойти спать, а проснуться на Юпитере? Это невозможно, но
вероятность этого подсчитать вполне реально. Данная вероятность очень низка.
Чтобы это случилось, человеку нужно было бы пережить Вселенную, а вот у
электронов это случается постоянно.

Все современные
«чудеса» вроде лазерных лучей и микрочипов работают на основании того, что
электрон может находиться сразу в двух местах. Как это возможно? Не знаешь, где
точно находится объект. Это стало таким трудным препятствием, что даже Эйнштейн
бросил заниматься квантовой теорией, он сказал, что не верит, что Господь
играет во Вселенной в кости.

Несмотря на всю
странность и неопределенность, квантовая теория остается пока что лучшим нашим
представлением о субатомном мире.

9. Природа
света

Древние задавались
вопросом: из чего состоит Вселенная? Они считали, что она состоит из земли,
воды, огня и воздуха. Но если это так, то что же такое свет? Его нельзя
поместить в сосуд, нельзя дотронуться до него, почувствовать, он бесформенный,
но присутствует везде вокруг нас. Он одновременно везде и нигде. Все видели
свет, но не знали, что это такое.

Физики пытались
ответить на этот вопрос на протяжении тысячи лет. над поиском природы света
работали величайшие умы, начиная с Исаака Ньютона. Сам Ньютон использовал
солнечный свет, разделенный призмой, чтобы показать все цвета радуги в одном
луче. Это значило, что белый свет состоит из лучей всех цветов радуги.

Ньютон показал,
что красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета
могут быть объединены в белый свет. Это привело его к мысли, что свет делится
на частицы, которые он назвал корпускулами. Так появилась первая световая
теория – корпускулярная.

Однако, существовала
и альтернативная теория, согласно которой свет был волной. Ученый Томас Юнг смог
доказать некоторые волновые свойства света.

Представьте себе
морские волны: любой человек знает, что когда одна из волн сталкивается с
другой под определенным углом, обе волны смешиваются. Юнг проделал то же самое
со светом. Он сделал так, чтобы свет от двух источников пересекался, и место
пересечения было отчетливо видно.

Итак, тогда было
все две световые теории: корпускулярная у Ньютона и волновая у Юнга. И тогда
за дело взялся Эйнштейн, который сказал, что возможно, обе теории имеют смысл.
Ньютон показал, что у света есть свойства частиц, а Юнг доказал, что свет может
иметь волновые свойства. Все это – две стороны одного и того же. Возьмем,
например, слона: если вы возьмете его за хобот, то подумаете, что это змея, а
если обхватите его ногу, то вам покажется, что это дерево, но на самом деле
слон обладает качествами и того, и другого. Эйнштейн ввел понятие дуализма
света, т.е. наличия у света свойств как частиц, так и волн.

Чтобы увидеть свет
таким, каким мы знает его сегодня, потребовалась работа трех гениев на
протяжении трех веков. Без их открытий мы, возможно, до сих пор жили бы в
раннем Средневековье.

10.
Нейтрон

Атом так мал, что
его трудно себе представить. В одну песчинку помещается 72 квинтиллиона атомов.
Открытие атома привело к другому открытию.

О существовании
атома люди знали уже 100 лет назад. Они думали, что электроны и протоны
равномерно распределены в нем. Это назвали моделью типа «пудинг с изюмом»,
потому что считалось, что электроны были распределены внутри атома как изюм
внутри пудинга.

В начале 20
века Эрнест Резерфорд провел
эксперимент с целью еще лучше исследовать структуру атома. Он направлял на
золотую фольгу радиоактивные альфа-частицы. Он хотел узнать, что произойдет,
когда альфа-частицы ударятся о золото. Ничего особенного ученый не ожидал, так
как думал, что большинство альфа-частиц пройдут сквозь золото, не отражаясь и
не изменяя направление.

Однако, результат
был неожиданным. По его словам, это было то же самое, что выстрелить 380-мм
снарядом по куску материи, и при этом снаряд отскочил бы от нее. Некоторые
альфа-частицы сразу отскочили от золотой фольги. Это могло произойти, только
если бы внутри атома было небольшое количество плотного вещества, оно не
распределено как изюм в пудинге. Резерфорд назвал это небольшое количество
вещества ядром.

Благодаря открытию
Резерфорда, ученые узнали о том, что атом состоит из ядра, протонов и
электронов. Эту картину довершил Джеймс Чедвик –
ученик Резерфорда. Он открыл нейтрон.

Чедвик провел
эксперимент, который показал, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Для
этого он использовал очень умный метод распознавания. Для перехвата частиц,
которые выходили из радиоактивного процесса, Чедвик применял твердый парафин.

Открытие нейтрона
стало величайшим научным достижением. В 1939 году группа ученых во главе
с Энрико
Ферми использовали нейтрон для расщепления атома, открыв дверь
в век ядерных технологий.

11.
Сверхпроводники

Лаборатория Ферми
обладает одним из крупнейших в мире ускорителем частиц. Это 7-километровое
подземное кольцо, в котором субатомные частицы ускоряются почти до скорости
света, а затем сталкиваются. Это стало возможным только после того, как
появились сверхпроводники.

Сверхпроводники
были открыты примерно в 1909 году. Голландский физик по имени Хейке
Камерлинг-Оннесстал первым, кто понял, как превратить гелий из газа
в жидкость. После этого он мог использовать гелий в качестве морозильной
жидкости, а ведь он хотел изучать свойства материалов при очень низких
температурах. В то время людей интересовало то, как электрическое сопротивление
металла зависит от температуры – растет она или падает.

Он использовал для
опытов ртуть, которую он умел хорошо очищать. Он помещал ее в специальный
аппарат, капая ей в жидкий гелий в морозильной камере, понижая температуру и
измеряя сопротивление. Он обнаружил, что чем ниже температура, тем ниже
сопротивление, а когда температуры достигла минус 268 °С, сопротивление
упало до нуля. При такой температуре ртуть проводила бы электричество без
всяких потерь и нарушений потока. Это и называется сверхпроводимостью.

Сверхпроводники
позволяют электропотоку двигаться без всяких потерь энергии. В лаборатории
Ферми они используются для создания сильного магнитного поля. Магниты нужны для
того, чтобы протоны и антипротоны могли двигаться в фазотроне и огромном
кольце. Их скорость почти равняется скорости света.

Ускоритель частиц
в лаборатории Ферми требует невероятно мощного питания. Каждый месяц на то,
чтобы охладить сверхпроводники до температуры минус 270 °С, когда
сопротивление становится равным нулю, тратится электричество на миллион
долларов.

Теперь главная
задача – найти сверхпроводники, которые бы работали при более высоких
температурах и требовали бы меньше затрат.

В начале 80-х
группа исследователей швейцарского отделения компании IBM обнаружила новый тип
сверхпроводников, которые обладали нулевым сопротивлением при температуре на
100 °С выше, чем обычно. Конечно, 100 градусов выше абсолютно нуля – это
не та температура, что у вас в морозильнике. Нужно найти такой материал, который
был бы сверхпроводником при обычной комнатной температуре. Это был бы
величайший прорыв, который стал бы революцией в мире науки. Все, что сейчас
работает на электрическом токе, стало бы гораздо эффективнее.

12.
Кварк

Данное открытие –
это поиск мельчайших частиц материи во Вселенной.

Сначала был открыт
электрон, затем протон, а потом нейтрон. Теперь у науки была новая модель
атома, из которых состоит любое тело.

С разработкой
ускорителей, которые могли сталкивать субатомные частицы на скорости света, человек
узнал о существовании десятков других частиц, на которые разбивались атомы.
Физики стали называть все это «зоопарком частиц».

Американский
физик Мюррей
Гелл-Ман заметил закономерность в ряде новооткрытых частиц
«зоопарка». Он делил частицы по группам в соответствии с обычными
характеристиками. По ходу он изолировал мельчайшие компоненты ядра атома, из
которых состоят сами протоны и нейтроны.

Он предполагал,
что нейтрон или протон не являются элементарными частицами, как думали многие,
а состоят из еще более мелких частиц – кварков – в необычными свойствами.

Открытые
Гелл-Маном кварки были для субатомных частиц тем же, чем была периодическая
таблица для химических элементов. За свое открытие в 1969 году Мюррею Гелл-Ману
была присуждена Нобелевская премия в области физики. Его классификация
мельчайших материальных частиц упорядочила весь их «зоопарк».

Хотя Гелл-Маном
был уверен в существовании кварков, он не думал, что кто-то сможет их в
действительности обнаружить. Первым подтверждением правильности его теорий были
удачные эксперименты его коллег, проведенные на Стэнфордском линейном
ускорителе. В нем электроны отделялись от протонов, и делался макроснимок
протона. Оказалось, что в нем было три кварка.

13. Ядерные силы

Наше стремление
найти ответы на все вопросы о Вселенной привело человека как внутрь атомов и
кварков, так и за пределы галактики. Данное открытие – результат работы многих
людей на протяжении столетий.

После открытий
Исаака Ньютона и Майкла Фарадея ученые считали, что у природы две основные
силы: гравитация и электромагнетизм. Но в 20 веке были открыты еще две силы,
объединенные одним понятием – атомная энергия. Таким образом, природных сил
стало четыре.

Каждая сила
действует в определенном спектре. Гравитация не дает нам улететь в космос со
скоростью 1500 км/ч. Затем у нас есть электромагнитные силы – это свет, радио,
телевидение и т.д. кроме этого существую еще две силы, поле действия которых
сильно ограничено: есть ядерное притяжение, которое не дает ядру распасться, и
есть ядерная энергия, которая излучает радиоактивность и заражает все подряд, а
также, кстати, нагревает центр Земли, именно благодаря ей центр нашей планеты
не остывает вот уже несколько миллиардов лет – это действие пассивной радиации,
которая переходи в тепло.

Как обнаружить
пассивную радиацию? Это возможно благодаря счетчикам Гейгера. Частицы,
которые высвобождаются, когда расщепляется атом, попадают в другие атомы, в
результате чего создается небольшой электроразряд, который можно измерить. При
его обнаружении счетчик Гейгера щелкает.

Как же измерить
ядерное притяжение? Тут дело обстоит труднее, потому что именно эта сила не
дает атому распасться. Здесь нам нужен расщепитель атома. Нужно буквально
разбить атом на осколки, кто-то сравнил этот процесс со сбросом пианино с
лестницы с целью разобраться в принципах его работы, слушая звуки, которые
пианино издает, ударяясь о ступеньки.

Итак, у нас
есть четыре силы
фундаментального взаимодействия: гравитация (gravity), электромагнетизм (electromagnetism), ядерное притяжение(weak
force, слабое взаимодействие) и ядерная энергия (strong
force, сильное взаимодействие). Последние две называются квантовыми силами, их
описание можно объединить в нечто под названием стандартной модели. Возможно,
это самая уродливая теория в истории науки, но она действительно возможна на
субатомном уровне. Теория стандартной модели претендует на то, чтобы стать
высшей, но от этого она не перестает быть уродливой. С другой стороны, у нас
есть гравитация – великолепная, прекрасная система, она красива до слез –
физики буквально плачут, видя формулы Эйнштейна. Они стремятся объединить все
силы природы в одну теорию и назвать ее «теория всего». Она объединила бы все
четыре силы в одну суперсилу, которая существует с начала времен.

Неизвестно, сможем
ли мы когда-нибудь открыть суперсилу, которая включала бы в себя все четыре
основные силы Природы и сможем ли создать физическую теорию Всего. Но одно
известно точно: каждое открытие ведет к новым исследованиям, а люди – самый
любопытный вид на планете – никогда не перестанут стремиться понимать, искать и
открывать.

Мир физики. Открытия Жана Фуко и Армана Физо.

Размер шрифта:

Цвет фона:

Белый

Черный

Изображения:

Дополнительные Настройки

Выберите шрифт

Шрифт:

Arial

Times

Verdana

Интервал между буквами (кернинг):

Стандартный

Средний

Большой

Выбор цветовой схемы

Черным по белому

Белым по черному

Темно-синим по голубому

Новости

3 октября для читателей библиотеки состоялась лекция, посвященная двухсотлетию со дня рождения выдающихся физиков Жана Бернара Фуко и Армана Ипполита Физо.

Если вы бывали в Большом Новосибирском планетарии, то наверняка посетили башню Фуко. Опыт с маятником, наглядно демонстрирующим вращение Земли вокруг своей оси, вызвал сенсацию у современников французского физика Жана Бернара Фуко. Толпы людей стекались посмотреть на это чудо – возможность своими глазами видеть суточное вращение Земли. Интерес к этому опыту не утихает и сегодня.

Поэтому неудивительно, что лекция, посвященная открытиям этих учёных, привлекла внимание читателей библиотеки. Доктору физико-математических наук, профессору кафедры общей и теоретической физики НГПУ Овчинникову Юрию Эдуардовичу было задано множество вопросов о научной деятельности Фуко и Физо. Профессор рассказал об опытах, которые они проводили: измерение скорости света в воздухе и воде, усовершенствование дагерротипного процесса, исследования по оптике, а также о таких изобретениях, как гироскоп, использование вместо металлических зеркал более легких и дешевых – стеклянных, покрытых тонким слоем серебра.

Среди слушателей возникла дискуссия о сопоставлении истории развития европейской науки и науки других цивилизаций. Все присутствующие выразили единодушное мнение – продолжить цикл подобных научных встреч. Директор НОСБ Лесневский Юрий Юрьевич вручил Благодарственное письмо и выразил надежду на дальнейшее сотрудничество.

Справка.

Маятник Фуко используется для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли. Впервые эксперимент с маятником был осуществлен Фуко 8 января 1851 года. Во время эксперимента ученый взял груз весом 28 кг и подвесил его к вершине купола на проволоке длиной 67 метров. На конце груза ученый закрепил металлическое острие. Маятник совершал колебания над круглым ограждением, по краю которого был насыпан песок. При каждом качании маятника острый стержень, закрепленный снизу груза, сбрасывал песок приблизительно в трех миллиметрах от предыдущего места. Примерно через два с половиной часа стало видно, что плоскость качания маятника поворачивается по часовой стрелке относительно пола. За час плоскость колебаний повернулась более чем на 11 градусов, а примерно за 32 часа совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение. Таким образом, Фуко доказал, что если бы поверхность Земли не вращалась, маятник не показывал бы изменение плоскости колебаний.

На плоскость вращения маятника влияет как географическая широта места, где он установлен, так и длина подвеса (длинные маятники вращаются быстрее). Маятник, установленный на Северном или Южном полюсе, будет делать оборот за 24 часа. А маятник, установленный на экваторе, вообще не будет вращаться, плоскость останется неподвижной.

Это необычное открытие в области квантовой физики может революционизировать наше понимание реальности

Недавнее открытие в области квантовой физики, сделанное исследователями из Университета Пердью, открыло путь к совершенно новому взгляду на нашу физическую реальность.

По словам исследователей, совершенно новая техника, позволяющая создавать искривленные поверхности с использованием неэрмитовости в плоских пространствах, может полностью изменить наше понимание кривизны и расстояния, а также наши знания о неэрмитовой квантовой физике. . Группу возглавляет доктор Ци Чжоу из Purdue Physics and Astronomy.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ФИЗИКИ

Согласно фундаментальному принципу, если кто-то хочет создать искривленную поверхность даже на микроскопическом уровне, нужно начать с плоской поверхности и согнуть ее. Хотя это может показаться самоочевидным, такие принципы являются важным руководством для исследователей, работающих в области квантовой механики, обработки информации, астрофизики и целого ряда научных дисциплин.

Однако, по словам исследовательской группы Purdue, стоящей за этим последним открытием, они нашли способ «нарушить» этот закон, в результате чего искривленное пространство ведет себя на квантовом уровне как плоское. Короче говоря, это открытие, похоже, нарушает фундаментальные правила, которые многие физики считают само собой разумеющимися.

ОТКРЫТИЕ МОЖЕТ ИЗМЕНИТЬ НАШЕ ПОНИМАНИЕ

«Наша работа может произвести революцию в понимании широкой публикой кривизны и расстояния», — сказал Ци Чжоу, профессор физики и астрономии, который также является соавтором статьи, объявляющей о намерениях исследовательской группы. потенциально новаторские результаты. «Он также ответил на давние вопросы неэрмитовой квантовой механики, соединив неэрмитовскую физику и искривленные пространства».

Опубликовано в журнале Nature Communications, статья и ее авторы объясняют, что открытие связано с созданием изогнутых поверхностей, которые ведут себя как плоские, особенно на квантовом уровне, в результате чего получается система, которую они описывают как «неэрмитову».

Например, квантовые частицы на теоретической решетке могут мгновенно «прыгать» из одного места в другое. Если шансы этой частицы прыгнуть влево или вправо равны, то такая система называется эрмитовой. Однако если шансы неравны, то система неэрмитова.

«Обычные учебники по квантовой механике в основном посвящены системам, управляемым гамильтонианами, которые являются эрмитовыми», — сказал аспирант Ченвэй Лв, который также является ведущим автором статьи. В результате команда отмечает, что об их открытии очень мало литературы.

«Квантовая частица, движущаяся в решетке, должна иметь одинаковую вероятность туннелировать в левом и правом направлениях», — объясняет Лв, прежде чем привести примеры, где определенные системы теряют эту равную вероятность. «В таких неэрмитовых системах привычные результаты из учебников больше не применимы, а некоторые могут даже выглядеть совершенно противоположно результатам эрмитовых систем».

Lv и команда Purdue обнаружили, что неэрмитова система на самом деле «искривляет» пространство, в котором находится квантовая частица. В этом случае, объясняют они, квантовая частица в решетке с невзаимным туннелированием фактически движется по искривленной поверхности. Лв отмечает, что эти типы неэрмитовых систем «резко контрастируют» с тем, чему студентов-первокурсников, изучающих квантовую физику, учат с первого дня обучения.

«Эти необычные свойства неэрмитовых систем интриговали физиков на протяжении десятилетий, — добавляет Лв, — но многие нерешенные вопросы остаются открытыми».

Профессор Жэнь Чжан из Сианьского университета Цзяотун, который был соавтором исследования, говорит, что их исследование и его неожиданные результаты имеют значение в двух разных областях.

«С одной стороны, он устанавливает неэрмитичность как уникальный инструмент для моделирования интригующих квантовых систем в искривленных пространствах», — пояснил он. «Большинство квантовых систем, доступных в лабораториях, плоские, и часто требуются значительные усилия для доступа к квантовым системам в искривленных пространствах». Эта негерметичность, добавляет Чжан, дает экспериментаторам «дополнительную ручку» для доступа к искривленным пространствам и управления ими.

«С другой стороны, — говорит Чжан, — двойственность позволяет экспериментаторам использовать искривленные пространства для исследования неэрмитовой физики. Например, наши результаты предоставляют экспериментаторам новый подход к доступу к исключительным точкам с использованием искривленных пространств и повышению точности квантовых датчиков, не прибегая к диссипации».

ОТКРЫТИЕ В ФИЗИКЕ ЭТО ДВЕ СТОРОНЫ ОДНОЙ МЕТЕЛИ

Исследовательская группа отмечает, что их открытие может помочь исследователям в широком спектре дисциплин, а будущие исследования будут развиваться в нескольких направлениях.

Во-первых, те, кто занимается изучением искривленных пространств, могли реализовать аппараты команды Пердью, а физики, работающие над неэрмитовыми системами, могли адаптировать диссипации для доступа к нетривиальным искривленным пространствам, которые нелегко получить обычными средствами.

В конце Lv указывает на более широкие последствия их открытия и его место в мире квантовой физики.

«Необычайное поведение неэрмитовых систем, десятилетиями озадачивавшее физиков, перестанет быть загадочным, если мы признаем, что пространство искривлено», — сказал Лв.

«Другими словами, неэрмитовость и искривленные пространства двойственны друг другу, являясь двумя сторонами одной медали».

Связаться с автором Кристофером Плейном в Твиттере @plain_fiction

В квантовой физике обнаружено новое «неожиданное» явление

Гетти Изображений

Новости @ Северо-восточная домашняя страница

Исследователи открыли новое «неожиданное» явление в квантовой физике материалов

Исследователи из Северо-Восточного университета обнаружили новое квантовое явление в особом классе материалов, называемых антиферромагнитными изоляторами, которое может дать новые способы питания «спинтроники» и других технологических устройств будущего.

Открытие проливает свет на то, «как тепло течет в магнитном изоляторе, [и] как [исследователи] могут обнаружить этот тепловой поток», — говорит Грегори Фите, профессор физики. Фото Мэтью Модуно/Северо-восточный университет

на Северо-Востоке и соавтор исследования. Новые эффекты, опубликованные на этой неделе в Nature Physics и продемонстрированные экспериментально, наблюдались при комбинировании феррита лантана (LaFeO3) со слоем платины или вольфрама.

«Эта многоуровневая связь является причиной этого явления», — говорит Арун Бансил, заслуженный профессор физического факультета Северо-Восточного университета, который также принимал участие в исследовании.

Открытие может иметь множество потенциальных применений, таких как улучшение тепловых датчиков, рециркуляция отработанного тепла и другие термоэлектрические технологии, говорит Бэнсил. Это явление может даже привести к разработке нового источника энергии для этих и других многообещающих технологий. В исследовании приняли участие аспирант Северо-Востока Мэтт Матцелле и Бернардо Барбьеллини, физик-вычислитель и теоретик из Технологического университета Лаппеенранты, который в настоящее время посещает Северо-Восток.

Чтобы проиллюстрировать выводы группы, требуется значительное увеличение (буквально), чтобы увидеть мир частиц атомного масштаба, в частности, наножизнь электронов. Это также требует понимания нескольких свойств электронов — что они обладают чем-то, называемым «спин», имеют заряд и могут при движении через материал генерировать тепловой поток.

Спин электрона, или угловой момент, описывает фундаментальное свойство электронов, определяемое в одном из двух потенциальных состояний: вверх или вниз. Есть много разных способов, которыми эти спины электронов «вверх или вниз» (также называемые полюсами север-юг) ориентируются в пространстве, что, в свою очередь, порождает различные типы магнетизма. Все зависит, говорит Бэнсил, от того, как атомы структурированы в данном материале.

В магнитной системе спины в этом материале обычно выстраиваются в одном направлении. Такое расположение электронов в магнитных (или «ферромагнитных») кристаллах создает силу, которая притягивает или отталкивает другие кристаллы. Многие магнитные материалы также проводят электричество, когда электроны могут проходить через них. Эти материалы называются проводниками, так как они способны проводить электричество.

Арун Бансил, заслуженный профессор физики университета. Фото Мэтью Модуно/Северо-восточный университет

Помимо генерирования электрического тока, движение электронов через материал также несет с собой тепловой поток. Когда внешнее электромагнитное поле воздействует на материалы, проводящие электричество, возникает тепловой ток.

«Тепло — это когда эти электроны двигаются быстрее или медленнее, в результате чего они могут нести больше или меньше тепловой энергии», — говорит Бансил.

Обычно спиновый ток течет в том же направлении, что и тепловой поток, говорит Бэнсил. Но в конкретных материалах, используемых в этом исследовании, «он течет перпендикулярно направлению теплового потока».

«Вот что здесь нового, — говорит Бансил.

Именно это «неожиданное» взаимодействие открывает дверь к новым взглядам на производство электроэнергии.

«Что мы хотим сделать, так это создать поток магнетизма, который генерирует электрическую энергию, и способ, которым вы это делаете, — это генерация напряжения», — говорит Фите.

Для этого исследователи объединили антиферромагнитный изолирующий материал (здесь LaFeO3) с другим более тяжелым элементом, таким как платина или вольфрам, которые являются проводниками. Связь немного сбивает электроны.

«Этот конкретный материал имеет спины, которые на ближайших соседних атомах почти идеально антиориентированы, — говорит Фиете, — что означает, что они немного наклонены . Они не совсем антиориентированы — по большей части они таковы, но есть небольшой поворот. И это небольшое смещение на самом деле очень важно, потому что оно является частью того, что приводит к интересным эффектам, которые мы видим в проекте».