Важнейшие открытия в области физикив закладки 3. Открытия физиков
И что ты скажешь, ФИЗИКА? : Великие открытия в физике
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.
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.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.
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.
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.Хотя Второй закон термодинамики был основой промышленной революции, следующее великое открытие привело мир в новое, его современное состояние.
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. 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 физикомДжеймсом Клерком Максвеллом, который использовал их, чтобы еще лучше понять принципы электромагнетизма. Максвелл позволил человечеству понять, как электричество распределяется по поверхности проводника.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.
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!
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.
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.
Квантовая теорияКвантовый 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. 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.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.
Природа светаДревние 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.
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 довершилДжеймс 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. 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-Оннес стал 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 называетсясверхпроводимостью. 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.
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.
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.
olvaryaphysics.blogspot.com
хронология, ученые-физики и их открытия
Хотя история физики как самостоятельной науки началась только в XVII веке, ее истоки относятся к самой глубокой древности, когда люди начали систематизировать первые свои знания об окружающем их мире. До Нового времени они относились к натуральной философии и включали в себя сведения о механике, астрономии и физиологии. Настоящая же история физики началась благодаря опытам Галилея и его учеников. Также фундамент этой дисциплины был заложен Ньютоном.
В XVIII и XIX столетии появились ключевые понятия: энергия, масса, атомы, импульс и т. д. В XX веке стала ясной ограниченность классической физики (помимо нее, зародилась квантовая физика, теория относительности, теория микрочастиц и т. д.). Естественнонаучные знания дополняются и сегодня, так как перед исследователями остается множество нерешенных проблем и вопросов о природе нашего мира и всей вселенной.
Древность
Многие языческие религии Древнего мира основывались на астрологии и знаниях звездочетов. Благодаря их исследованиям ночного неба произошло становление оптики. Накопление астрономических знаний не могло не повлиять на развитие математики. Однако теоретически объяснить причины природных явлений древние не могли. Жрецы приписывали молнии и солнечные затмения божественному гневу, что не имело ничего общего с наукой.
В то же время в Древнем Египте научились измерять длину, вес и угол. Эти знания были необходимы архитекторам при строительстве монументальных пирамид и храмов. Развивалась прикладная механика. Сильны в ней были и вавилоняне. Они же, основываясь на своих астрономических знаниях, стали использовать сутки для измерения времени.
Древнекитайская история физики началась в VII веке до н. э. Накопленный опыт в ремеслах и строительстве был подвергнут научному анализу, результаты которого были изложены в философских сочинениях. Самым известным их автором считается Мо-цзы, живший в IV столетии до н. э. Он предпринял первую попытку сформулировать основополагающий закон инерции. Уже тогда китайцы первыми изобрели компас. Они открыли законы геометрической оптики и знали о существовании камеры-обскуры. В Поднебесной появились зачатки теории музыки и акустики, о которых еще долгое время не подозревали на Западе.
Античность
Античная история физики больше всего известна благодаря греческим философам. Их исследования основывались на геометрических и алгебраических познаниях. Например, пифагорейцы первыми объявили о том, что природа подчиняется универсальным законам математики. Эту закономерность греки видели в оптике, астрономии, музыке, механике и других дисциплинах.
История развития физики с трудом представляется без трудов Аристотеля, Платона, Архимеда, Лукреция Кара и Герона. Их сочинения сохранились до наших времен в достаточно целостном виде. Греческие философы отличались от современников из других стран тем, что они объясняли физические законы не мифическими понятиями, а строго с научной точки зрения. В то же время у эллинов случались и крупные ошибки. К ним можно отнести механику Аристотеля. История развития физики как науки многим обязана мыслителям Эллады уже хотя бы тем, что их натурфилософия оставалась основой международной науки до XVII столетия.
Вклад александрийских греков
Демокрит сформулировал теорию атомов, согласно которой все тела состоят из неделимых и крохотных частиц. Эмпедокл предложил закон сохранения материи. Архимед заложил основы гидростатики и механики, изложив теорию рычага и подсчитав величину выталкивающей силы жидкости. Он же стал автором термина «центр тяжести».
Александрийский грек Герон считается одним из величайших инженеров в человеческой истории. Он создал паровую турбину, обобщил знания об упругости воздуха и сжимаемости газов. История развития физики и оптики продолжилась благодаря Евклиду, исследовавшему теорию зеркал и законы перспективы.
Средневековье
После падения Римской империи настал крах античной цивилизации. Многие знания были преданы забвению. Европа почти на тысячу лет остановилась в своем научном развитии. Храмами знаний стали христианские монастыри, которым удалось сохранить некоторые сочинения прошлого. Однако прогресс тормозила сама церковь. Она подчинила философию богословской доктрине. Мыслители, пытавшиеся выйти за ее пределы объявлялись еретиками и жестоко наказывались инквизицией.
На этом фоне первенство в естественных науках перешло к мусульманам. История возникновения физики у арабов связана с переводом на их язык трудов античных греческих ученых. На их основе мыслители востока сделали несколько собственных важных открытий. К примеру, изобретатель Аль-Джазири описал первый коленчатый вал.
Европейский застой продлился вплоть до Ренессанса. За Средние века в Старом Свете изобрели очки и объяснили возникновение радуги. Немецкий философ XV века Николай Кузанский первым предположил, что Вселенная бесконечна, и тем самым далеко опередил свое время. Через несколько десятилетий Леонардо да Винчи стал первооткрывателем явления капиллярности и закона трения. Также он пытался создать вечный двигатель, но не справившись с этой задачей, начал теоретически доказывать неосуществимость подобного проекта.
Ренессанс
В 1543 году польский астроном Николай Коперник опубликовал главный труд всей своей жизни «О вращении небесных тел». В этой книге впервые в христианском Старом Свете была произведена попытка защитить гелиоцентрическую модель мира, согласно которой Земля крутится вокруг Солнца, а не наоборот, как предполагала принятая церковью геоцентрическая модель Птолемея. Многие ученые физики и их открытия претендуют на звание великих, однако именно появление книги «О вращении небесных тел» считается началом научной революции, за которой последовало возникновение не только современной физики, но и современной науки в целом.
Другой знаменитый ученый Нового времени Галилео Галилей больше всего прославился изобретением телескопа (также ему принадлежит изобретение термометра). Кроме того, он сформулировал закон инерции и принцип относительности. Благодаря открытиям Галилея зародилась совершенно новая механика. Без него история изучения физики застопорилась бы еще на долгое время. Галилею, как и многим его широко мыслившим современникам, пришлось сопротивляться давлению церкви, из последних сил пытавшейся защитить старый порядок.
XVII столетие
Набравший ход рост интереса к науке продолжился и в XVII веке. Немецкий механик и математик Иоганн Кеплер стал первооткрывателем законов движения планет в Солнечной системе (законов Кеплера). Свои взгляды он изложил в книге «Новая астрономия», изданной в 1609 году. Кеплер оппонировал Птолемею, заключив, что планеты движутся по эллипсам, а не по окружностям, как считалось еще в античности. Этот же ученый внес значительный вклад в развитие оптики. Он исследовал дальнозоркость и близорукость, выяснив физиологические функции хрусталика глаза. Кеплер ввел понятия оптической оси и фокуса, сформулировал теорию линз.
Француз Рене Декарт создал новую научную дисциплину – аналитическую геометрию. Также он предложил закон преломления света. Главным трудом Декарта стала книга «Начала философии», изданная в 1644 году.
Немногие ученые-физики и их открытия известны так, как англичанин Исаак Ньютон. В 1687 году он написал революционную книгу «Математические начала натуральной философии». В ней исследователь изложил закон всемирного тяготения и три закона механики (также ставшие известными как законы Ньютона). Этот ученый работал над теорией цвета, оптикой, интегральными и дифференциальными исчислениями. История физики, история законов механики – все это тесно связано с открытиями Ньютона.
Новые рубежи
XVIII век подарил науке множество выдающихся имен. Особенно выделяется среди них Леонард Эйлер. Этот швейцарский механик и математик написал более 800 работ по физике и таким разделам, как математический анализ, небесная механика, оптика, теория музыки, баллистика и т. д. Петербургская академия наук признала его своим академиком, из-за чего Эйлер значительную часть жизни провел в России. Именно этот исследователь положил начало аналитической механике.
Интересно что история предмета физика сложилась такой, какой мы ее знаем, благодаря не только профессиональным ученым, но и исследователям-любителям, гораздо больше известным в совершенно другом качестве. Самым ярким примером такого самоучки стал американский политик Бенджамин Франклин. Он изобрел громоотвод, внес большой вклад в изучение электричества и сделал предположение о его связи с явлением магнетизма.
В конце XVIII столетия итальянец Алессандро Вольта создал «вольтов столб». Его изобретение стало первой электрической батарей в истории человечества. Этот век также ознаменовался появлением ртутного термометра, создателем которого был Габриэль Фаренгейт. Другим важным событием изобретательства оказалось изобретение паровой машины, произошедшее в 1784 году. Оно породило новые средства производства и перестройку промышленности.
Прикладные открытия
Если история начала физики развивалась исходя из того, что наука должна была объяснить причину природных явлений, то в XIX веке ситуация значительно изменилась. Теперь у нее появилось новое призвание. От физики стали требовать управления природными силами. В связи с этим стала ускоренно развиваться не только экспериментальная, но и прикладная физика. «Ньютон электричества» Андре-Мари Ампер ввел новое понятие электрического тока. В этой же области работал Майкл Фарадей. Он открыл явление электромагнитной индукции, законы электролиза, диамагнетизм и стал автором таких терминов, как анод, катод, диэлектрик, электролит, парамагнетизм, диамагнетизм и т. д.
Сложились новые разделы науки. Термодинамика, теория упругости, статистическая механика, статистическая физика, радиофизика, теория упругости, сейсмология, метеорология – все они формировали единую современную картину мира.
В XIX столетии возникли новые научные модели и понятия. Томас Юнг обосновал закон сохранения энергии, Джеймс Клерк Максвелл предложил собственную электромагнитную теорию. Русский химик Дмитрий Менделеев стал автором значительно повлиявшей на всю физику периодической системы элементов. Во второй половине века появилась электротехника и двигатель внутреннего сгорания. Они стали плодами прикладной физики, ориентированной на решение определенных технологических задач.
Переосмысление науки
В XX веке история физики, кратко говоря, перешла к тому этапу, когда наступил кризис уже устоявшихся классических теоретических моделей. Старые научные формулы начали противоречить новым данным. К примеру, исследователи выяснили, что скорость света не зависит от, казалось бы, незыблемой системы отсчета. На рубеже столетий были открыты требовавшие подробного объяснения явления: электроны, радиоактивность, рентгеновские лучи.
Вследствие накопившихся загадок произошел пересмотр старой классической физики. Ключевым событием в этой очередной научной революции стало обоснование теории относительности. Ее автором был Альберт Эйнштейн, впервые поведывавший миру о глубинной связи пространства и времени. Возник новый раздел теоретической физики – квантовая физика. В ее становлении приняли участие сразу несколько ученых с мировым именем: Макс Планк, Макс Бон, Эрвин Шредингер, Пауль Эренфест и другие.
Современные вызовы
Во второй половине XX века история развития физики, хронология которой продолжается и сегодня, перешла на принципиально новый этап. Этот период ознаменовался расцветом исследования космоса. Небывалый скачок сделала астрофизика. Появились космические телескопы, межпланетные зонды, детекторы внеземных излучений. Началось детальное изучение физических данных различных тел Солнечной планеты. С помощью современной техники ученые обнаружили экзопланеты и новые светила, в том числе радиогалактики, пульсары и квазары.
Космос продолжает таить в себе множество неразгаданных загадок. Изучаются гравитационные волны, темная энергия, темная материя, ускорение расширения Вселенной и ее структура. Дополняется теория Большого взрыва. Данные, которые можно получить в земных условиях, несоизмеримо малы по сравнению с тем, сколько работы у ученых есть в космосе.
Ключевые проблемы, стоящие перед физиками сегодня, включают в себя несколько фундаментальных вызовов: разработку квантового варианта гравитационной теории, обобщение квантовой механики, объединение в одну теорию всех известных сил взаимодействия, поиск «тонкой настройки Вселенной», а также точное определение явления темной энергии и темной материи.
fb.ru
Физика для ВСЕХ!!!!: Учёные физики. Их открытия.
Изобретатель в области электротехники и радиотехники сербского происхождения, инженер, физик. Родился и вырос в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США. В 1891 году получил гражданство США.
Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, имевшие целью показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике. Современники-биографы считают Теслу «человеком, который изобрёл XX век» и «святым заступником» современного электричества. После демонстрации радио и победы в «Войне токов» Тесла получил повсеместное признание как выдающийся инженер-электротехник и изобретатель. Ранние работы Теслы проложили путь современной электротехнике, его открытия раннего периода имели инновационное значение. В США по известности Тесла мог конкурировать с любым изобретателем или учёным в истории и популярной культуре.3) Исаак Ньютон
Изобретения и высказывания великих физиков часто становятся своего рода метафорами, но легенда про яблоко и закон тяготения известнее всех. Каждому знаком Исаак Ньютон, герой этой истории, согласно которой он и открыл закон тяготения. Кроме того, ученый разработал интегральное и дифференциальное исчисление, стал изобретателем зеркального телескопа и написал немало фундаментальных трудов по оптике. Современные физики считают его создателем классической науки. Ньютон родился в бедной семье, обучался в простой школе, а затем в Кембридже, параллельно работая слугой, чтобы оплатить учебу. Уже в ранние годы к нему пришли идеи, которые в будущем станут основой для изобретения систем исчислений и открытия закона тяготения. В 1669 году он стал преподавателем кафедры, а в 1672-м – членом Лондонского королевского общества. В 1687 году был опубликован важнейший труд под названием «Начала». За неоценимые достижения в 1705 году Ньютону даровали дворянство. 4) Джеймс Максвелл
Великие физики и их открытия заслуживают всяческого интереса. Так, Джеймс-Клерк Максвелл добился впечатляющих результатов, с которым стоит ознакомиться всякому. Он стал основоположником теорий электродинамики. Ученый родился в дворянской семье и получил образование в университетах Эдинбурга и Кембриджа. За достижения был принят в Лондонское королевское общество. Максвелл открыл Кавендишскую лабораторию, которая была оборудована по последнему слову техники для проведения физических экспериментов. В ходе работы Максвелл изучал электромагнетизм, кинетическую теорию газов, вопросы цветного зрения и оптики. Проявил себя и как астроном: именно он установил, что кольца Сатурна устойчивы и состоят из не связанных частиц. Занимался также изучением динамики и электричества, оказав серьезное влияние на Фарадея. Исчерпывающие трактаты о многих физических явлениях до сих пор считаются актуальными и востребованными в научной среде, делая Максвелла одним из величайших специалистов в данной сфере. 5) Майкл Фарадей
Майкл Фарадей (1791 — 1867) — английский физик и химик, основоположник учения об электромагнитном поле. Сделал за свою жизнь столько научных открытий, что их хватило бы десятку ученых, чтобы обессмертить свое имя.Фарадей осуществил сжижение хлора и некоторых других газов, получил бензол. В 1821 г. он впервые наблюдал вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создал первую модель электродвигателя. В течение последующих 10 лет Фарадей занимался исследованием связи между электрическими и магнитными явлениями. Его исследования увенчались открытием в 1831 г. явления электромагнитной индукции. Фарадей детально изучил это явление, вывел его основной закон, выяснил зависимость индукционного тока от магнитных свойств среды, исследовал явление самоиндукции и экстратоки замыкания и размыкания. Открытие явления электромагнитной индукции сразу же приобрело огромное научное и практическое значение; это явление лежит, например, в основе работы всех генераторов постоянного и переменного тока.Стремление выявить природу электрического тока привело Фарадея к экспериментам по прохождению тока через растворы кислот, солей и щелочей. Результатом этих исследований стало открытие в 1833 г. законов электролиза (законы Фарадея). В 1845 г. Фарадей обнаружил явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). В том же году он открыл диамагнетизм, в 1847 г. – парамагнетизм. Фарадей ввёл в науку ряд понятий – катода, анода, ионов, электролиза, электродов; в 1833 г. он изобрел вольтметр. Используя огромный экспериментальный материал, Фарадей доказал тождественность известных тогда «видов» электричества: «животного», «магнитного», термоэлектричества, гальванического электричества и т.д.6) Андре-Мари Ампер
Французский физик появился на свет в семье коммерсанта из Лиона. Библиотека родителей была полна трудов ведущих ученых, писателей и философов. С детства Андре увлекался чтением, что помогло ему обрести глубокие знания. К двенадцати годам мальчик уже изучил основы высшей математики, а в следующем году представил свои работы в Лионскую Академию. Вскоре он начал давать частные уроки, а с 1802-го трудился преподавателем физики и химии, сначала в Лионе, а затем и в Политехнической школе Парижа. Через десять лет его избрали членом Академии наук. Имена великих физиков нередко связаны с понятиями, изучению которых они посвятили жизнь, и Ампер не исключение. Он занимался проблемами электродинамики. Единица силы электрического тока измеряется в амперах. Кроме того, именно ученый ввел многие используемые и сейчас термины. Например, это определения «гальванометр», «напряжение», «электрический ток» и многие другие. 7) Эрнест Резерфорд
Эрнест Резерфорд - английский физик, разгадал природу индуцированной радиоактивности, открыл эманацию тория, радиоактивный распад и его закон. Резерфорда нередко справедливо называют одним из титанов физики ХХ века.В 1898 г. он начал изучать радиоактивность. Первое же фундаментальное открытие Резерфорда в этой области - обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном - сделало его имя известным в научном мире; благодаря ему в науку вошло понятие об альфа- и бета-излучении. Сразу же после приезда в Англию в 1907 году Резерфорд занялся экспериментальными исследованиями радиоактивности. Вместе с ним работал его помощник и ученик, немецкий физик Ханс Гейгер (1882-1945), разработавший ионизационный метод измерения интенсивности излучения - широко известный счетчик Гейгера. Резерфорд произвел серию опытов, подтвердивших, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизованные атомы гелия. Вместе с другим своим учеником, Эрнестом Марсденом (1889-1970), он исследовал особенности прохождения альфа-частиц через тонкие металлические пластинки. На основании этих опытов ученый предложил планетарную модель атома: в центре атома - ядро, вокруг которого вращаются электроны. Резерфорд предсказал открытие нейтрона, возможность расщепления атомных ядер легких элементов и искусственных ядерных превращений. blogphisics.blogspot.com
Открытия в физике: XX век
ХХ век – век научных революций. Открытия, сделанные в этом веке, изменили ход человеческой цивилизации.
Квантовая теория Планка
Макс Планк
В самом начале ХХ века, в 1900 г., профессор Берлинского университета Макс Планк вывел формулу, описывающую распределение энергии в спектре абсолютно чёрного тела. До открытия Планка считалось, что энергия распределяется равномерно. Но Планк доказал, что она распределяется порциями – квантами. Планк сделал доклад Немецкому физическому обществу 14 декабря 1900 г. Конечно же, ему никто не поверил.
Но уже в 1905 г. на основании выводов Планка Эйнштейн создал квантовую теорию фотоэффекта. А Нильс Бор построил модель атома, в которой электроны вращались по строго определённым орбитам, излучая энергию только в момент перехода из одной орбиты на другую.
Благодаря гениальному открытию Планка учёные поняли, как ведут себя электроны. Впоследствии теория Планка дала мощный толчок развитию электроники, генной инженерии, атомной энергетики.
Теория относительности Эйнштейна
Альберт Эйнштейн
Второе великое научное открытие ХХ века – общая теория относительности Эйнштейна, или теория гравитации.
В 1905 г. Эйнштейн создал специальную теорию относительности. Эйнштейн сделал вывод, что различные наблюдатели по-разному воспринимают любые события, даже пространство и время. Например, для пассажира трамвая предмет, который он уронит на пол, будет падать вертикально вниз. А для наблюдателя на улице этот предмет падает по параболе, так как трамвай движется. То есть, описание любого события зависит от системы отсчёта, в которой находится наблюдатель. Если изменится система отсчёта, то изменится и описание события. Но законы природы от наблюдателя не зависят. И они будут одни и те же для всех систем отсчёта, движущихся с постоянной скоростью. А общая теория относительности, созданная Эйнштейном в 1916 г., распространяет этот принцип на все системы отсчёта, даже на те, которые движутся с ускорением.
Эйнштейн доказал, что гравитация – это следствие искривления четырёхмерного пространства - времени. Теория Эйнштейна дала объяснение эффекта замедления времени. С помощью этой теории рассчитали орбиту планеты Меркурий, объяснили, почему искривляются лучи звёзд, когда проходят рядом с другими звёздами.
Открытие транзистора
Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн
Без сомнения, открытие транзистора является одним из важнейших открытий в истории человечества.
Первый рабочий транзистор был создан в 1947 г. американскими физиками Уолтер Браттейном, Уильямом Шокли и Джоном Бардиным. Вначале эти великие учёные продемонстрировали опыт, в котором с помощью обычной скрепки для бумаг, золотой фольги и небольшого количества германия увеличили силу тока в сотни раз. Это случилось 16 декабря. А уже через неделю было готово устройство, которое можно было считать действующим транзистором. В июне 1948 г. был создан радиоприёмник, где привычные электронные лампы были заменены транзисторами.
В 1956 г. авторы первого транзистора получили Нобелевскую премию за своё изобретение. А уже в 1958 г. была продемонстрирована первая интегральная схема, которая представляла собой два транзистора, расположенные на одной подложке из кремния.
В электронике началась новая транзисторная эра. Транзисторы заменили лампы повсюду – в телевизорах, радиоприёмниках, ламповых компьютерах.
Если бы не открытие транзистора, современные компьютеры не существовали бы в таком виде, как сейчас. Они не обладали бы таким огромным быстродействием и большой памятью. Не существовало бы жидкокристаллических мониторов, ноутбуков и мобильных телефонов.
Конечно, современные транзисторы отличаются от тех, которые были созданы в середине ХХ века. Технологии изменились. И на одной подложке размещаются уже миллионы транзисторов.
www.phisiki.com
История великих открытий в физике
Перенесемся мысленно на сто с хвостиком лет назад и попробуем представить себе, каково было в то время положение в науке. В физике шла тогда величайшая революция, вызванная удивительными открытиями конца позапрошлого века и начала прошлого. Одно за другим следовали блестящие открытия, в свете которых материя представлялась иной, чем рисовалось ученым еще так недавно. Тогда были открыты лучи Рентгена (1895), радиоактивность (Веккерель, 1896), электрон (Томсон, 1897), радий (супруги Кюри, 1899), создана теория радиоактивного распада атомов (Резерфорд и Содли, 1902). Электрон предстал не только как мельчайшая частица отрицательного электричества, но и как общая составная часть всех атомов, как кирпичик всех атомных построек. С этого момента идея неизменного, неделимого атома, идея вечных, не превращающихся друг в друга химических элементов, которая много веков господствовала в умах ученых, внезапно рухнула, причем окончательно и бесповоротно.
Одновременно начались открытия в области световых явлений. В 1900 году были сделаны два замечательных открытия в оптике. Планк открыл дискретный (атомистический) характер излучения и ввел понятие кванта действия; Лебедев измерил (а значит, экспериментально открыл) давление света. Отсюда логически следовало, что свет должен обладать массой.
Спустя еще несколько лет (в 1905 году) Эйнштейн создал теорию относительности (ее специальный принцип) и вывел из нее фундаментальный закон современной физики — закон взаимосвязи массы и энергии. Одновременно он выдвинул понятие фотона (или «атома света»).
Рубеж XIX и XX веков был периодом глубочайшей ломки старых физических понятий. Рушилась вся старая, по сути дела, механистическая, картина мира. Ломались не только понятия атома и элемента, но и понятия массы и энергии, вещества и света, пространства и времени, движения и действия. На место понятия неизменной массы, не зависящей от скорости движения тела, пришло понятие массы, меняющейся по своей величине в зависимости от того, с какой скоростью движется тело. На место понятия непрерывного движения и действия пришло представление об их дискретном, квантовом характере. Если энергетические явления математически описывались раньше непрерывными функциями, то теперь пришлось вводить для их описания прерывисто меняющиеся величины.
Пространство и время выступили не как внешние по отношению к материи, к движению и друг к другу формы бытия, а как зависимые и от них и друг от друга. Вещество и свет, разделенные ранее абсолютной перегородкой, обнаружили общность своих свойств (наличие массы, хотя качественно и различной) и своего строения (дискретный, зернистый характер).
Но не только крушением устаревших представлений характеризовалось то время: на руинах старых принципов, подвергшихся всеобщему разгрому (по выражению Л. Пуанкаре) стали уже то тут, то там возводиться первые теоретические постройки, но они еще не были охвачены общим планом, не были сведены в общий архитектурный ансамбль научных представлений.
«От атома отошли», значит, перестали по-старому считать атом пределом познания, последней частицей материи, дальше которой двигаться нельзя, некуда. «До электрона не дошли», значит, еще не создали нового представления о строении атома из электронов (включая и представление о положительном заряде в атоме).
Создание новой электронной теории строения материи стало центральной задачей физиков. Для решения этой задачи необходимо было ответить, прежде всего, на следующие четыре вопроса.
Первый вопрос. Как распределен или где сосредоточен внутри атома положительный электрический заряд? Одни физики полагали, что он равномерно распределен по всему атому, другие считали, что он находится в центре атома, словно «нейтральное светило» миниатюрной солнечной системы, которую, по их предположению, представляет собой атом.
Второй вопрос. Как ведут себя электроны внутри атома? Одни ученые думали, что электроны наглухо закреплены в атоме, как бы вкраплены в него, и образуют статическую систему, другие же, напротив, допускали, что электроны с огромной скоростью движутся внутри атома по определенным орбитам.
Третий вопрос. Сколько электронов может быть в атоме того или иного химического элемента? На этот вопрос не давалось даже предположительного ответа.
Четвертый вопрос. Как распределяются электроны внутри атома: слоями или и виде хаотического роя? На этот вопрос нельзя было дать никакого ответа, по крайней мере, до тех пор, пока оставалось неустановленным общее число электронов в атоме.
Ответ на первый вопрос был получен в 1911 году. Бомбардируя атомы положительно заряженными альфа-частицами, Резерфорд установил, что альфа-частицы свободно пронизывали атом во всех направлениях и на всех его участках, кроме центра. Близ центра частицы явно отклонялись от прямолинейного пути, как если бы они испытывали отталкивающее воздействие, исходящее из центра атома. Когда же частицы оказывались направленными прямо в центр атома, они отскакивали назад, как если бы в центре находилось чрезвычайно прочное, твердое зернышко. Это свидетельствовало о том, что положительный заряд атома действительно сосредоточен в ядре атома, равно как и почти вся масса атома. Резерфорд вычислил на основании полученных им опытных данных, что по своим размерам ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома. (Диаметр атома около 10 см, диаметр ядра около 10—13 см.)
Но если это так, то электроны не могут находиться в неподвижном состоянии внутри атома: их там ничто не может закрепить на одном месте. Напротив, они должны двигаться вокруг ядра, подобно тому как планеты движутся вокруг Солнца.
Так намечался ответ на второй вопрос. Однако окончательный ответ на него удалось добыть не сразу. Дело в том, что, согласно представлениям классической электродинамики, электрически заряженное тело, двигающееся в электромагнитном поле, должно непрерывно терять свою энергию. В результате этого электрон должен был постепенно приближаться к ядру и наконец, пасть на него. На деле же ничего подобного не происходит, атом ведет себя как вполне устойчивая система.
Не зная, как решить возникшую перед ними трудность, физики не могли дать определенного ответа на второй вопрос. Но пока продолжались поиски ответа па второй вопрос, неожиданно пришел ответ на третий.
…В конце XIX века многим ученым казалось, что ответ на вопрос о том, каково же строение материи, даст периодический закон химических элементов. Так думал и сам Д. И. Менделеев. Физические открытия, сделанные на рубеже XIX и XX веков, казалось бы, никак не были связаны с этим законом и стояли от него особняком.
В итоге сложились как бы две самостоятельные, изолированные друг от друга линии научного развития: одна — старая, начавшаяся еще в 1869 году (когда был открыт периодический закон) и продолжавшаяся в XX веке (это была, так сказать, химическая линия), другая — новая, возникшая в 1895 году, когда началась «новейшая революция в естествознании» (физическая линия).
Не связанность обеих линий научного развития усугублялась еще и тем, что многие химики представляли себе периодическую систему Менделеева как трактующую о неизменности химических элементов. Новая же физика, наоборот, исходила целиком из представлений о превращающихся и разрушающихся элементах.
Грандиозный бросок естествознания вперед стал возможным, прежде всего, благодаря тому, что две линии научного развития — «химическая» (идущая от периодического закона) и «физическая» (идущая от рентгеновых лучей, радиоактивности, электрона и кванта) — слились, взаимно обогатив друг друга.
В 1912 году в лаборатории Резерфорда появился молодой физик Мозли. Он выдвинул свою собственную тему, которую Резерфорд горячо одобрял. Мозли хотел выяснить зависимость между местом элементов (речь шла о металлах) в периодической системе Менделеева и характеристическим рентгеновским спектром того же элемента. Здесь была гениальна сама идея, сам замысел задуманной работы связать периодический закон с экспериментальными данными рентгеновского анализа. Как это нередко бывает в науке, правильная постановка проблемы дала сразу же ключ к ее решению.
В 1913 году Мозли нашей решение проблемы. Из математически обработанных Данных рентгеновского спектра того или иного химического элемента при помощи несложных операций он выводил некоторое целое число, специфичное для каждого элемента. Перенумеровав все элементы по порядку их расположения в периодической системе, Мозли увидел, что найденное из экспериментальных данных число N равняется порядковому номеру элемента в системе Менделеева. Это был решающий шаг к тому, чтобы ответить на третий вопрос.
В самом деле. Каков физический смысл числа N? Почти одновременно несколько физиков ответили так: «Число N указывает величину положительного заряда атомного ядра (Z), а значит, и число электронов в оболочке нейтрального атома данного элемента». Такой ответ дали Нильс Вор, Мозли и голландский физик ван ден Брук.
Таким образом, начался прямой штурм одной из важнейших крепостей природы, еще не завоеванной к тому времени человеческим разумом, — электронного строения атома. Успех этого штурма обеспечивался начавшимся союзом идей химиков и физиков, своеобразным взаимодействием различных «родов войск».
В то время как Мозли открывал закон, носящий теперь его имя, сильная поддержка отряду науки, штурмующему вышеназванную крепость, пришла со стороны ученых, изучавших радиоактивные явления. В этой области были сделаны три важных открытия.
Во-первых, были установлены различные типы радиоактивного распада: альфа-распад, при котором из ядра вылетают альфа- частицы — ядра гелия: бета-распад (из ядра вылетают электроны) и гамма-распад (ядро испускает жесткое электромагнитное излучение). Во-вторых, оказалось, что существуют три различных радиоактивных ряда: урана, тория и актиния. В-третьих, было обнаружено, что при разных атомных весах некоторые члены одного ряда оказываются химически неотличимыми и неотделимыми от членов другого ряда.
Все эти явления требовали объяснения, и оно было дано в том же знаменательном 1913 году. Но об этом уже читайте в нашей следующей статье.
Автор: Б. Кедров.
P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что для лучшего понимания многих физических открытий было бы здорово почитать труды ученых-первооткрывателей в оригинале – на английском языке. Для этого, пожалуй, не стоит пренебрегать такими вещами как английский для детей в Истре, ведь язык нужно учить смолоду, тем более если собираетесь в будущем читать на нем серьезные научные труды.
www.poznavayka.org
Интересные физические открытия
Физики никогда не успокаиваются. Новые особенности обнаруживаются не только в движении планет, новыми свойствами недавно был наделен и космический вакуум, разделяющий планеты. Привычное для нас представление о вакууме как о совершенной пустоте сменилось вполне обоснованной гипотезой, что вакуум при определенных условиях может… рождать на свет элементарные частицы.
Космический вакуум
Космический вакуум действительно нельзя считать пустотой — поле тяготения всегда пронизывает его. А при появлении невероятно сильного электромагнитного или ядерного поля в вакууме могут возникнуть частицы, которые в обычном спокойном состоянии пространства ничем себя не обнаруживают. Сейчас ученые обдумывают эксперименты, которые подтвердили бы или опровергли эту интересную и важную для дальнейшего развития физики гипотезу.
Физики продолжают углубленно изучать не только свойства вакуума, но и структуру твердых тел, предполагая использовать для исследовательских целей все более энергичное излучение с малой длиной волны. Советский физик А. Ф. Тулинов и шведские исследователи В. Домей и К. Бьерквист «осветили» кристаллы не рентгеновским излучением или электронным лучом, а… пучком протонов. Рассеиваясь на ядрах атомов кристаллов, протоны дали возможность получить на фотопленке очень четкое изображение кристаллической решетки, определить положение отдельных атомов. Плавно изменяя энергию пучка протонов и глубину их проникновения в исследуемые образцы, авторы нового метода структурного анализа смогли получить снимки дефектов кристаллической решетки на различной глубине от поверхности без разрушения кристаллов.
Кристаллы различных веществ, пристально рассмотренные под ярким «светом» частиц высоких энергий, оказались отнюдь не похожими на холодное царство из неподвижно застывших геометрически правильных рядов атомов. Под влиянием вводимых примесей, при воздействии температуры, давления, электрического и магнитного полей в столь невозмутимых внешне кристаллах могут происходить удивительные превращения: например, в одних из них рост температуры вызывает исчезновение металлических свойств, в других наблюдается обратная картина — изолирующий кристалл, не пропускавший электрический ток, становится металлом.
Линии электропередач и спутники Земли — символы крупных технических достижений физики XIX и XX веков. Какие изобретения и открытия ознаменуют успехи физики будущих веков?
Советский физик Э. Л. Нагаев теоретически предсказал, что при определенных условиях только отдельные области в кристаллах будут изменять свои свойства. Кристаллы некоторых полупроводников становятся при этом похожими на… пудинги с изюмом: изюминки представляют собой проводящие шарики, разделенные диэлектрическими прослойками, и в целом такой кристалл не пропускает электрический ток. Тепло и магнитное поле могут заставить шарики соединиться друг с другом, изюминки будто растворяются в пудинге — и кристалл превращается в проводник электрического тока. Эксперименты вскоре подтвердили возможность осуществления в кристаллах подобных переходов…
Не все, однако, удается предсказать и рассчитать заранее. Часто толчком для создания новых теорий служат непонятные результаты экспериментов в лаборатории или странные явления, которые внимательному наблюдателю удается подметить в Природе.
Солитоны
Одно из таких явлений — солитоны, или одиночные волны, которые сейчас активно обсуждаются и исследуются многими физиками,— впервые было замечено… в августе 1834 года. Английский ученый первой половины прошлого века Дж. Скотт Рассел оставил нам такое описание: «Я следил за движением бота, который быстро тащила по узкому каналу пара лошадей. Когда он внезапно остановился, масса воды в канале, которую приводил в движение бот, пришла вблизи носа судна в состояние сильного волнения, внезапно оторвалась от него, покатилась вперед с огромной скоростью, приняв форму большого уединенного возвышения, округлого, гладкого и хорошо выраженного, которое продолжило свой путь по каналу без видимого изменения формы или уменьшения скорости».
Только через полвека теоретики получили уравнение движения такой одинокой волны. В наши дни волны-солитоны обнаружены при особых условиях на воде, в потоке заряженных ионов, во время распространения звука, оптических волн, лучей лазера и даже… при движении электрического тока.
Волна, которую мы привыкли видеть и описывать как равномерное колебание многих частиц среды или электромагнитного поля, неожиданно превращается в сгусток энергии, одиноко и быстро бегущий в любой среде — в жидкости, газе, твердом теле. Солитоны несут с собой всю энергию обычной волны, и, если причины их возникновения будут хорошо изучены, возможно, в недалеком будущем именно они начнут переносить энергию любого вида, необходимую человеку, на большие расстояния, например снабжать жилые дома электричеством, полученным полупроводниковыми фотоэлементами в космосе из солнечного света…
Полупроводниковые фотоэлементы и фотоэлектронные умножители, которые показывает автор книги, мгновенно превращают световое излучение любой длины волны в электрическую энергию, чутко откликаются на свет Солнца и далеких звезд.
Солитоны обладают свойствами не только волн, но и частиц. Японский физик Нарюши Асано, давно изучающий физические процессы, приводящие к возникновению одиноких волн, считает, что ученые должны прежде всего получить ответы на два важных вопроса: какую роль играют солитоны в природе и являются ли они элементарными частицами?
Лямбда-гиперон
Непрерывен поиск ученых в области элементарных частиц, в разработке теории, которая объединила бы теперь все виды взаимодействий, обнаруженных в природе. Физики-теоретики считают также, что во Вселенной могут существовать атомы, чьи ядра состоят не только из нейтронов и протонов. Один вид таких необычных ядер был обнаружен экспериментально в космических лучах польскими физиками еще в 1935 году: кроме протонов и нейтронов, в них оказалась еще одна сравнительно долгоживущая и сильно взаимодействующая частица — лямбда-гиперон. Такие ядра получили название гиперядер.
Сейчас физики изучают поведение гиперядер, рожденных на ускорителях, и внимательно анализируют состав приходящих к Земле космических лучей, пытаясь обнаружить еще более необычные частицы вещества.
Просторы Вселенной продолжают приносить физикам новые открытия. Несколько лет назад в космосе была обнаружена гравитационная линза. Свет, излучаемый одним из квазаров, далекой и яркой звездой, отклоняясь полем тяготения галактик, расположенных между Землей и квазаром, создавал иллюзию, что в этом участке неба расположены… два квазара-близнеца.
Ученые доказали, что раздвоение изображения возникает по законам преломления света, только этот оптический «прибор» имеет огромные размеры!
Воссоздать Природу на лабораторном столе
Но не только теоретические модели и наблюдения за природой помогают ученым понять суть мира малого и большого. Изобретательные физики-экспериментаторы умудряются воссоздать Природу на лабораторном столе.
Недавно в научном журнале «Физика плазмы» появилось сообщение об удачной попытке воспроизвести в земных условиях… вспышки на Солнце. Группа исследователей Физического института им. П. Н. Лебедева в Москве сумела смоделировать в лабораторной установке магнитное поле Солнца; в момент резкого разрыва тока, протекавшего по слою проводящего газа в этом поле, возникло сильное рентгеновское излучение — точь-в-точь как на Солнце в момент вспышки! Ученым стало яснее, отчего возникают грозные явления Природы — солнечные вспышки…
Физики из Грузии воссоздали звездные процессы и провели изящные и интересные опыты, вращая (с внезапными остановками) относительно друг друга цилиндрические и сферические сосуды, заполненные жидким гелием, при тех очень низких температурах, когда гелий становится сверхтекучим. Физики очень похоже имитировали «звездотрясение» пульсаров, которое может произойти, если внешний «нормальный» слой радиоисточника в какой-то момент начнет вращаться с меньшей скоростью, чем сверхтекучее ядро пульсара.
Оказывается, даже явления, происходящие на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от нас, можно экспериментально получить на Земле…
Исследователи узнают много интересного и необычного о Природе в их вечном стремлении к истине. Несмотря на все величие достижений науки XX века, физики не забывают слова одного из их коллег: «…существование людей зависит от любознательности и сострадания. Любознательность без сострадания — бесчеловечна. Сострадание без любознательности — бес-полезно…»
Многих ученых сейчас интересуют не только грандиозные процессы выделения энергии нейтронными звездами или мгновенные превращения элементарных частиц; их волнует открытая современной физикой возможность разнообразной помощи биологам и медикам, помощи человеку теми великолепными устройствами и сложными приборами, которыми владеют пока лишь представители точных наук.
Физика и философия
Одно очень важное свойство роднит физику с философией, из которой она вышла,— физика может убедительно, с помощью цифр и фактов ответить на вопрос любознательного человека: велик или мал мир, в котором мы живем? И тут же возникает вопрос-близнец: велик или мал человек?
Ученый и писатель Блез Паскаль называл человека «мыслящим тростником», подчеркивая тем самым, что человек хрупок, слаб и беззащитен перед явно превосходящими силами неживой Природы; единственное оружие и защита человека — его мысль.
Вся история физики убеждает, что обладание этим неосязаемым и невидимым оружием дает возможность человеку проникнуть необычайно глубоко в мир бесконечно малых элементарных частиц и достичь самых далеких уголков нашей необъятной Вселенной.
Физика показывает нам, как велик и в то же время близок мир, в котором мы живем. Физика позволяет почувствовать человеку все свое величие, всю необыкновенную силу мысли, которая делает его самым могущественным существом на свете.
«Я не становлюсь богаче, сколько бы ни приобретал земель…— писал Паскаль,— а вот с помощью мысли я охватываю Вселенную».
Источник: Марк Колтун “Мир физики“.www.thingshistory.com
Важнейшие открытия в области физики
Изучать физику значит изучать Вселенную. Точнее, как работает Вселенная. Вне всяких сомнений, физика — самая интересная ветвь науки, поскольку Вселенная куда сложнее, чем кажется, и она вмещает в себя все сущее.
На скорости света время останавливается
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, скорость света неизменна — и равна приблизительно 300 000 000 метров в секунду, вне зависимости от наблюдателя. Это само по себе невероятно, учитывая что ничто не может двигаться быстрее света, но все еще сугубо теоретично. В специальной теории относительности есть интересная часть, которая называется «замедление времени» и которая говорит, что чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас движется время, в отличие от окружения. Если вы будете ехать на автомобиле час, вы постареете немного меньше, чем если бы просто сидели у себя дома за компьютером. Дополнительные наносекунды вряд ли существенно изменят вашу жизнь, но все же факт остается фактом.
Выходит, если двигаться со скоростью света, время вообще застынет на месте? Это так. Но прежде чем вы попытаетесь стать бессмертным, учтите, что двигаться со скоростью света невозможно, если вам не повезло родиться светом. С технической точки зрения движение со скоростью света потребует бесконечного количества энергии.
Квантовая запутанность
Только что мы пришли к выводу, что ничто не может двигаться быстрее, чем со скоростью света. Что ж… и да, и нет. Хотя технически это остается верным, в теории существует лазейка, которую нашли в самой невероятной ветви физики — в квантовой механике.
Квантовая механика, по сути, это изучение физики на микроскопических масштабах, таких как поведение субатомных частиц. Эти типы частиц невероятно малы, но крайне важны, поскольку именно они образуют строительные блоки всего во Вселенной. Можете представить их как крошечные вращающиеся электрически заряженные шарики. Без лишних сложностей.
Итак, у нас есть два электрона (субатомных частиц с отрицательным зарядом). Квантовая запутанность — это особый процесс, который связывает эти частицы таким образом, что они становятся идентичными (обладают одинаковым спином и зарядом). Когда это происходит, с этого момента электроны становятся идентичными. Это означает, что если вы измените один из них — скажем, измените спин — второй отреагирует незамедлительно. Вне зависимости от того, где он находится. Даже если вы его не будете трогать. Влияние этого процесса потрясающее — вы понимаете, что в теории эту информацию (в данном случае, направление спина) можно телепортировать куда угодно во вселенной.
Гравитация влияет на свет
Вернемся к свету и поговорим об общей теории относительности (тоже за авторством Эйнштейна). В эту теорию входит понятие, известное как отклонение света — путь света не всегда может быть прямым.
Как бы это странно ни звучало, это было доказано неоднократно. Хотя у света нет никакой массы, его путь зависит от вещей, у которых эта масса есть — вроде солнца. Поэтому если свет от далекой звезды пройдет достаточно близко к другой звезде, он обогнет ее. Как это касается нас? Да просто: возможно, те звезды, которые мы видим, находятся совсем в других местах. Помните, когда в следующий раз будете смотреть на звезды: все это может быть просто игра света.
Темная материя
Благодаря некоторым теориям, которые мы уже обсудили, у физиков есть довольно точные способы измерения общей массы, присутствующей во Вселенной. Также у них есть довольно точные способы измерения общей массы, которую мы можем наблюдать — но вот незадача, два этих числа не совпадают.
На самом деле, объем общей массы во Вселенной значительно больше, чем общая масса, которую мы можем посчитать. Физикам пришлось искать объяснение этому, и в результате появилась теория, включающая темную материю — таинственное вещество, которое не испускает света и берет на себя примерно 95% массы во Вселенной. Хотя существование темной материи формально не доказано (потому что мы не можем ее наблюдать), в пользу темной материи говорит масса свидетельств, и она должна существовать в той или иной форме.
Наша Вселенная быстро расширяется
Понятия усложняются, и чтобы понять почему, нам нужно вернуться к теории Большого Взрыва. До того как стать популярным телешоу, теория Большого Взрыва была важным объяснением происхождения нашей Вселенной. Если проще: наша вселенная началась со взрыва. Обломки (планеты, звезды и прочее) распространились во всех направлениях, движимые огромной энергией взрыва. Поскольку обломки достаточно тяжелые, мы ожидали, что это взрывное распространение должно замедлиться со временем.
Но этого не произошло. На самом деле, расширение нашей Вселенной происходит все быстрее и быстрее с течением времени. И это странно. Это означает, что космос постоянно растет. Единственный возможный способ объяснить это — темная материя, а точнее темная энергия, которая и вызывает это постоянное ускорение. А что такое темная энергия? Вам лучше не знать.
Любая материя — это энергия
Материя и энергия — это просто две стороны одной медали. На самом деле, вы всегда это знали, если когда-нибудь видели формулу E = mc 2. E — это энергия, а m — масса. Количество энергии, содержащейся в конкретном количестве массы, определяется умножением массы на квадрат скорости света.
Объяснение этого явления весьма захватывает и связано с тем, что масса объекта возрастает по мере приближения к скорости света (даже если время замедлится). Доказательство довольно сложное, поэтому можете просто поверить на слово. Посмотрите на атомные бомбы, которые преобразуют довольно небольшие объемы материи в мощные выбросы энергии.
Корпускулярно-волновой дуализм
Некоторые вещи не так однозначны, какими кажутся. На первый взгляд, частицы (например, электрон) и волны (например, свет) кажутся совершенно разными. Первые — твердые куски материи, вторые — пучки излучаемой энергии, или что-то типа того. Как яблоки и апельсины. Оказывается, вещи вроде света и электронов не ограничиваются лишь одним состоянием — они могут быть и частицами, и волнами одновременно, в зависимости от того, кто на них смотрит.
Серьезно. Звучит смешно, но существуют конкретные доказательства того, что свет — это волна, и свет — это частица. Свет — это и то, и другое. Одновременно. Не какой-то посредник между двумя состояниями, а именно и то и другое. Мы вернулись в область квантовой механики, а в квантовой механике Вселенная любит именно так, а не иначе.
Все объекты падают с одинаковой скоростью
Многим может показаться, что тяжелые объекты падают быстрее, чем легкие — это звучит здраво. Наверняка, шар для боулинга падает быстрее, чем перышко. Это действительно так, но не по вине гравитации — единственная причина, по которой получается так, в том, что земная атмосфера обеспечивает сопротивление. Еще 400 лет назад Галилей впервые понял, что гравитация работает одинаково на всех объектах, вне зависимости от их масс. Если бы вы повторили эксперимент с шаром для боулинга и пером на Луне (на которой нет атмосферы), они упали бы одновременно.
Квантовая пена
Ну все. На этом пункте можно тронуться умом.
Вы думаете, что пространство само по себе пустое. Это предположение довольно разумное — на то оно и пространство, космос. Но Вселенная не терпит пустоты, поэтому в космосе, в пространстве, в пустоте постоянно рождаются и гибнут частицы. Они называются виртуальными, но на самом деле они реальны, и это доказано. Они существуют доли секунды, но это достаточно долго, чтобы сломать некоторые фундаментальные законы физики. Ученые называют это явление «квантовой пеной», поскольку оно ужасно напоминает газовые пузырьки в безалкогольном газированном напитке.
Эксперимент с двойной щелью
Выше мы отмечали, что все может быть и частицей, и волной одновременно. Но вот в чем загвоздка: если в руке лежит яблоко, мы точно знаем, какой оно формы. Это яблоко, а не какая-нибудь яблочная волна. Что же определяет состояние частицы? Ответ: мы.
Эксперимент с двумя щелями — это просто невероятно простой и загадочный эксперимент. Вот в чем он заключается. Ученые размещают экран с двумя щелями напротив стены и выстреливают пучком света через щель, чтобы мы могли видеть, где он будет падать на стену. Поскольку свет — это волна, он создаст определенную дифракционную картину, и вы увидите полоски света, рассыпанные по всей стене. Хотя щели было две.
Но частицы должны реагировать иначе — пролетая через две щели, они должны оставлять две полоски на стене строго напротив щелей. И если свет — это частица, почему же он не демонстрирует такое поведение? Ответ заключается в том, что свет будет демонстрировать такое поведение — но только если мы захотим. Будучи волной, свет пролетает через обе щели одновременно, но будучи частицей, он будет пролетать только через одну. Все, что нам нужно, чтобы превратить свет в частицу — измерять каждую частицу света (фотон), пролетающую сквозь щель. Представьте себе камеру, которая фотографирует каждый фотон, пролетающий через щель. Этот же фотон не может пролетать через другую щель, не будучи волной. Интерференционная картина на стене будет простой: две полоски света. Мы физически меняем результаты события, просто измеряя их, наблюдая за ними.
Это называется «эффект наблюдателя». И хотя это хороший способ закончить эту статью, она даже поверхностно не копнула в совершенно невероятные вещи, которые находят физики. Есть куча вариаций эксперимента с двойной щелью, еще более безумные и интересные. Можете поискать их, только если не боитесь, что квантовая механика засосет вас с головой.
Авг 21, 2017Геннадий
zhizninauka.info
