Открытия физиков: Физики стоят на пороге одного из главных открытий XXI века

Для успешного усвоения данной темы необходимо прочитать материал, представленный ниже и выполнить следующие задания:

1) Законспектировать материал по следующим вопросам:

— Почему в начале XX века была необходима новая физика?

— Какие открытия вы считаете наиболее важными и почему?

2) Перечислить основные открытия конца XIX начала XX века.

3) Составить таблицу «Основные открытия в современной физике».

Теоретический материал

В начале XX века физика столкнулась с серьёзными проблемами. Начали возникать противоречия между старыми моделями и эмпирическим опытом. Так, например, наблюдались противоречия между классической механикой и электродинамикой при попытках измерить скорость света. Выяснилось, что она не зависит от системы отсчёта. Физика того времени также была неспособна описать некоторые микроэффекты, такие, как атомные спектры излучений, фотоэффект, энергетическое равновесие электромагнитного излучения и вещества. Таким образом, была необходима новая физика.

К 80-м гг. XIX столетия сложилось убеждение в том, что физика как на­ука находится на завершающем этапе своего развития, что описание законов природы должно вскоре принять всеобъемлющую и окончательную форму. Вспоминая о начале своей научной деятельности, М. Планк привел харак­терный для того времени (это был 1880 г. ) ответ своего учителя Ф. Жолли на вопрос о перспективах занятий физикой. Эти занятия, как полагал Жолли, перспективы не имеют, поскольку физика есть почти завершенная наука, ко­торая теперь, после открытия закона сохранения энергии, весьма близка к той степени совершенства, какою вот уже столетия обладает геометрия. Впечат­ляющие достижения физики XIXв. в области механики, электромагнетизма, оптики, термодинамики порождали иллюзию полного торжества человече­ского разума, раскрывшего все тайны природы, приводили (как это не раз случалось и ранее) к абсолютизации знаний.

И хотя вскоре был сделан целый ряд поистине сенсационных откры­тий, прозвучавших подобно грому среди ясного неба, победные настроения некоторое время все еще сохранялись. Отражением этих настроений следу­ет считать предложение выдающегося математика Д. Гильберта (1862-1943) рассмотреть проблему аксиоматизации всей физики, т. е. сформулировать ко­нечное число исходных аксиом, из которых чисто логическим путем можно было бы вывести все следствия, достаточные для полного (исчерпывающего) описания физической картины мира. Такова была шестая из двадцати трех знаменитых проблем, выдвинутых Гильбертом в августе 1900 г. на Втором международном конгрессе математиков.

А между тем открытия, сделанные в относительно короткий период (с 1885 по 1905 г.), красноречиво свидетельствовали о том, что ни о каком завершении физической науки не может быть и речи. Эти открытия вступали в противоречие с существующими концепциями и, как тогда представлялось, расшатывали и даже опровергали многие «старые принципы». На еще недав­но ясном физическом небосклоне вдруг появилось много облаков, грозивших затянуть весь небосклон.

Приведем перечень наиболее важных открытий, сделанных в течение упомянутых двух десятилетий. В 1885 г. И. Бальмер (1825-1898) обнаружил закономерность в открытой им серии спектральных линий водорода. Интен­сивные исследования в области спектроскопии газов в последующие годы привели к открытию линейчатых спектров не только водорода, но и дру­гих элементов. В 1887 г. Г. Герц открыл фотоэффект. В 1888 г. это явле­ние было переоткрыто и независимо исследовано В. Гальваксом (1859-1922), А. Риги (1850-1921) и А. Г.Столетовым (1839-1896). В 1887 г. А. Майкельсон (1852-1931) повторил в усовершенствованном варианте опыт, проделанный им еще в 1881 г., и окончательно доказал несостоятельность гипотезы неподвиж­ного эфира (знаменитый опыт Майкельсона—Морли). В 1895 г. В. Рентген (1845-1923) открыл новый вид излучения, которое он назвал Х-лучами; впо­следствии это излучение стали называть рентгеновским. В 1896 г. А. Беккерель (1858-1908) открыл явление радиоактивности. 1897 г. вошел в историю физи­ки как год открытия Дж. Дж. Томсоном электрона; в этом году было измерено отношение заряда электрона к его массе. М. Кюри-Склодовская (1867-1934) открывает в 1898 г. радиоактивность тория; в том же году она совместно с П. Кюри (1859-1906) открывает еще два радиоактивных элемента — поло­ний и радий. В декабре 1900 г. М. Планк (1858-1947) выступил в Берлинской академии наук с докладом «Теория закона распределения энергии нормального спектра», в котором делался вывод, что электромагнитное излучение испус­кается телами не непрерывно, а в виде порций энергии (квантов энергии). В 1902-1903 гг. Ф. Содди (1877-1956) совместно с Э. Резерфордом разрабо­тали теорию радиоактивного распада и экспериментально доказали превра­щаемость химических элементов. В 1902 г. В. Кауфман (1871-1947) экспери­ментально установил зависимость массы электрона от скорости. А. Эйнштейн (1879-1955) в 1905 г. сформулировал специальную теорию относительности и, кроме того, объяснил загадки фотоэффекта.

Новые открытия, а также первые попытки их объяснения явно не укла­дывались в рамки сформировавшихся представлений. Впервые в физике была обнаружена дискретность величин; она проявилась в линейчатых спектрах газов, она потребовалась для объяснения загадок фотоэффекта и излучения черного тела. Физики привыкли к тому, что физические величины всегда изменяются непрерывно; идея дискретности казалась им «безумной», непри­емлемой. Оказалось, что такой привычный, хотя и несколько загадочный эфир попросту не существует. В то же время появилось совершенно неизвестное ранее Х-излучение; непонятно, куда следовало отнести это новое излучение, какова его природа. Химические элементы всегда представлялись незыблемы­ми, стабильными; теперь же выяснялось, что они могут взаимопревращаться (как если бы стали сбываться мечты средневековых алхимиков). Было непо­нятно, откуда берется энергия, высвобождающаяся при радиоактивном рас­паде; в связи с этим возникали сомнения в справедливости закона сохранения энергии. Да и как было не усомниться, коль скоро пришлось убедиться в несо­стоятельности закона сохранения массы (ведь масса электрона зависит от его скорости!). Создавалось впечатление, что рушатся фундаментальные законы. Это впечатление, казалось, подтверждала специальная теория относительно­сти, требовавшая отказа от абсолютности таких понятий, как одновременность событий, промежуток времени, протяженность в пространстве, устанавливав­шая наличие универсальной связи между энергией и массой.

Выступая на Международном конгрессе физиков в 1900 г., А. Пуанка­ре (1854-1912), говоря об открытии катодных лучей, рентгеновских лучей, радиоактивного излучения урана и радия, подчеркивал: «Тут целый мир, о су­ществовании которого никто и не догадывался. Всех этих неожиданных гостей надо определить к месту!». В том же докладе Пуанкаре есть инте­ресная характеристика умонастроений того времени: «Люди, стоящие в сторо­не от научной работы, поражаются кажущейся эфемерности научных теорий. Они видят их постепенный упадок после нескольких лет процветания, видят нагромождение все новых руин, предвидят, что и модные теперь теории в свою очередь скоро подвергнутся той же судьбе, и выводят отсюда заключение об их полной бесполезности. Они называют это банкротством науки». Позднее, в 1904 г., Пуанкаре прямо заявляет: «…Имеются признаки серьез­ного кризиса». Развивая свою мысль, он говорит о том, что под сомнение ставятся основополагающие принципы: принцип сохранения энергии, принцип Карно (второе начало термодинамики), принцип сохранения массы, принцип равенства действия противодействию.

Мы обратились к Пуанкаре не случайно. Важен не только факт осозна­ния им серьезного кризиса физики. Глубоко поучителен тот вывод, к которому в итоге приходит Пуанкаре. Подобно многим физикам тех лет, он переходит на идеалистические позиции физического релятивизма, заявляя, что наука исследует не сущность вещей, а лишь отношения. Он пишет: «Что же мы видим? Сначала нам представляется, что теории живут не долее дня и что ру­ины нагромождаются на руины. Сегодня теория родилась, завтра она в моде,

послезавтра она делается классической, на третий день она устарела, а на чет­вертый — забыта. Но если всмотреться ближе, то увидим, что так именно падают, собственно говоря, те теории, которые имеют притязание открыть нам сущность вещей. Но в теориях есть нечто, что чаще всего выживает. Если одна из них открыла нам истинное отношение, то это отношение является окончательным приобретением: мы найдем его под новым одеянием в других теориях, которые будут последовательно водворяться на ее место… В итоге единственной объективной реальностью являются отношения вещей, отноше­ния, из которых вытекает мировая гармония». Замена самих вещей отношениями вещей — прямой путь к идеализму. И Пуанкаре проходит его до конца: «Все, что не есть мысль, есть чистое ничто, ибо мы не можем мыслить ничего, кроме мысли, и все слова, которыми мы располагаем для разговора о вещах, не могут выражать ничего, кроме мыслей. Поэтому сказать, что существует нечто иное, чем мысль, значило бы высказать утверждение, которое не может иметь смысла… Жизнь есть лишь беглый эпизод между дву­мя вечностями смерти, и в этом эпизоде прошедшая и будущая длительность сознательной мысли — не более, как мгновение. Мысль — только вспышка света посреди долгой ночи. Но эта вспышка — все».

Совершенно справедливо XX в. называют столетием войн и социальных революций. Но вместе с тем XX в. называют еще и веком физики, и это тоже правильно. Точнее было бы назвать его веком квантовой физики, поскольку именно квантовая физика определила лицо уходящего века. Недавно журнал «Тайм» провел опрос, кого из жителей планеты можно назвать олицетворением XX в., и титул человека столетия с подавляющим преимуществом заслужил Альберт Эйнштейн, основной создатель квантовой физики.

Но говоря о том, что этот век есть столетие квантовой физики, мы должны понимать, что революционные изменения в естествознании формировались во второй половине XIX столетия и были связаны, как и всегда, с практической деятельностью человека. Вообще вся современная наука сравнительно молода: она насчитывает примерно лет триста, ибо основателями современного естествознания, современной физики можно считать Исаака Ньютона, Галилео Галилея и Рене Декарта. Они сформировали классическую механику и классическую физику.

В конце XIX столетия благодаря техническому прогрессу — и прежде всего распространению электрического освещения и развитию светотехники — возник кризис естествознания — потребовалось четко обосновать особенности спектров излучения нагретых тел. Из исследования этих особенностей и родилась, по большому счету, современная квантовая физика.

В 1900 г. Макс Планк, твердо стоявший на позициях классической физики и не желавший от нее уходить, предложил для объяснения именно спектров излучения идею кванта. Конечно, решающее слово было сказано Альбертом Эйнштейном, предложившим в 1905 г. квантовое объяснение фотоэффекта. Именно за квантовую теорию фотоэффекта, а не за теорию относительности, ему в 1922 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Потому, что эта работа А. Эйнштейна сыграла ключевую роль в формировании квантовой теории.

Можно назвать целый ряд имён, которым мы обязаны не только формированием квантовой физики, но и современным пониманием физических явлений: Поль Дирак, Вернер Гейзенберг, Морис де Бройль, Нильс Бор, Лев Давидович Ландау и многие другие. Квантовая физика и её золотое время – 1920 – 1930-е годы – сформировала не только современную физическую теорию, но и современное научное мировоззрение людей, занимающихся естественными науками. Именно физические методы исследования, физический подход способствовали взлёту и развитию как химии, так и биологии.

Хочется остановиться на открытиях сугубо экспериментальных, — основанных на квантовой теории, которые не только определили научно-технический прогресс во второй половине XX века, по-новому объяснив многие вещи в физике, но и привели к масштабным социальным изменениям и во многом предопределили современное развитие как передовых стран, так и практически всего населения земного шара.

Первый из этих трёх открытий в физике – это открытие деления урана под воздействием нейтронного облучения, сделанное О. Ганном и Ф. Штрассманом в 1038 году.

Вообще первые XX столетия (в экспериментальном отношении) были отмечены, прежде всего, работами в области ядерной физики, исследованиями радиоактивности, созданием современной теории атомного ядра. Открытие деления урана ожидалось, причем значительно больше, чем происшедшие в 80–е годы открытие высокотемпературной сверхпроводимости, и было оценено практически сразу.

В 1939 году венгерский физик Лео Сцилард, живший тогда в США, уговорил А.Эйнштейна подписать письмо к президенту Ф. Рузвельту, в котором высказывалось предостережение – нацисты могут первыми изготовить атомную бомбу. В связи с этим выражалась настойчивая просьба об ассигновании собственных атомных исследований. Спустя непродолжительное время такое решение было принято, и начался известный Манхеттенский проект.

У нас в стране одним из инициаторов советского атомного проекта стал Георгий Николаевич Флеров, аспирант Игоря Васильевича Курчатова в Физико-техническом институте.

В XX веке атомная энергетика будет основным источником энергии не только в нашей стране, но и во всём мире. И, прежде всего потому, что запасы горючих ископаемых кончаются. Современная же атомная энергетика экологически значительно безопаснее, чем угольная или даже мазутные электростанции.

Второе крупнейшее открытие в физике XXстолетия – это создание транзистора. Оно было сделано в 1947 году тремя выдающимися американскими физиками – Джоном Бардиным, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в лаборатории компании «Белл телефон». Открытием стало следствием бурного развития физики полупроводников, полупроводниковой технологии и прежде всего радиолокации в годы Второй мировой войны.

23 декабря 1947 года был продемонстрирован первый транзисторный усилитель, началась новая эра в электронике. А несколько позже появилась широчайшая – техническая область, приведшая к огромным социальным изменениям в мире.

В 1958 году была построена первая интегральная схема. Она представляла собой пластину из монокристалла кремния площадью несколько квадратных сантиметров, на которой были получены два транзистора и RC цепочки транзисторов. Современный микропроцессор со стороной, скажем, 1.8 см имеет 8 млн. транзисторов. Если размеры первых транзисторов исчислялись долями миллиметра, то сегодня фотолитографические методы позволяют получать размеры 0.35 микрона. Это современный технологический уровень.

Именно эта технология, именно эти физические открытия стали основой всей современной микроэлектроники, а современная микроэлектроника изменила мир.

Таким образом, открытие транзистора привело к изменению социальной структуры населения сначала развитых стран, а затем постепенно и всех остальных. Именно открытие транзистора даёт нам право говорить о наступлении постиндустриального времени, времени информационного общества.

Третье глобальное научное событие XX века, в чём-то примыкающее к созданию транзистора, — это открытие лазерно-мазерного принципа. И сделано оно было в 1954 – 1955 годах практически одновременно Чарльзом Таунсом в США и Николаем Геннадьевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым в Физическом институте Академии наук в СССР.

Все знают, что лазерная техника быстро развивается и очень широко применяется. Она стала мощным техническим и технологическим средством в медицине, с её помощью делаются сложнейшие, но ставшие уже вполне привычными операции, производятся сварка и резка материалов. Не секрет, что существует лазерное оружие, позволяющее сбивать спутники. Вместе с тем лазер сегодня – это могучее информационное средство, и в области информатики полупроводниковые лазеры играют огромную роль.

В 1970 году американцами были созданы первые волокна с малыми потерями, а в нашей физико-технической лаборатории в это время впервые в мире появились полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре на основе так называемых полупроводниковых гетероструктур. Так возникла волоконно-оптическая связь. Потом полупроводниковые лазеры стали широко применяться в известных ныне всем лазерных проигрывателях, где иголочкой, снимающей информацию, служит крохотный полупроводниковый лазер.

Так что, с одной стороны лазеры, лазерная технология, сама по себе физика создания лазера – это торжество квантовой теории. А с другой – это могучие технические средства, которые в значительной степени определили и прогресс, и изменение социальной структуры общества.

В ближайшие десятилетия не приходится ждать нового всплеска в объяснении явлений неживой природы – а физика занимается именно этой областью[10].

Вряд ли возможна революционная ситуация, аналогичная той, которая вызвала появление блестящей плеяды выдающихся учёных, наших и зарубежных, создавших современную квантовую физику. Для этого должен был бы возникнуть некий кризис ведущего научного направления, а сегодня мы пока не видим, происходит ли он в квантовой теории.

Но, тем не менее, интересные и важные изменения, наверное, произойдут. И, прежде всего в физике так называемых полупроводниковых гетероструктур, монокристаллических структур, в которой имеет место переход к различным по химическому составу веществам. Сегодня уровень этой технологии достиг того состояния, когда мы действительно умеем «укладывать» атом к атому и создавать принципиально новые структуры. Можно сказать так: мы экспериментально делаем объекты, на которых можно проверять задачки для учебника квантовой механики, самым разным образом строя эти экспериментальные объекты.

Мы создаём системы с пониженной размерностью электронного газа, когда электроны ограничены либо в плоскости, либо в одном измерении, в проволоке, либо вообще являются нуль-мерными структурами, это так называемые квантовые точки, рукотворные, искусственные атомы. Их свойства мы можем менять так, как нам хочется. Из этой области вырастет совершенно новое поколение электронных компонент, которые кардинально изменят информационные системы и без того совершенные сегодня.

Квантовые точки, квантовые проволоки, квантово-размерная физика конденсированного состояния – здесь такое богатство новых физических явлений, новых физических идей, что через 10 лет про эту область можно будет сказать, что она не только изменила технические информационные системы, но и подарила нам массу новых физических явлений.

Возможно и появление некоторых революционных идей. Открытие так называемого дробного квантового холл-эффекта Хорстом Л. Штормером, Дэниелем Цуи и Робертом Лохлином, за которое им в 1998 году была присуждена Нобелевская премия по физике, может стать предтечей новых революционных идей в физике конденсированного состояния. В сильных магнитных полях и очень низких температурах был открыт ряд явлений, которые удалось объяснить, только предположив, что у квантовой жидкости должен быть компонент, обладающий дробным зарядом. То, что появляются экспериментальные факты, которые требуют привлечения подобных, совершенно не тривиальных объяснений, уже говорит о том, что не всё в порядке в «этом королевстве» и что-то новое и интересное здесь может произойти.

С известным сожалением можно сказать, что открытая Алексом Миллером и Георгом Беднорцем в 1986 году высокотемпературная сверхпроводимость почти ничего не дала практике и даже в общем существенно изменила наших представлений. Можно говорить о том, что великая программа управляемого термояда, давшая массу интересных вещей для физики плазмы, не нашла пока реального практического применения. Но, наверное, и в этих областях что-то произойдёт. А вот, что касается квантово размерных объектов физики конденсированного состояния, квантовых проволок и квантовых точек, то здесь совершенно точно можно ожидать изменения фундаментальных физических представлений, а стало быть, и нового реального взрыва в науке.