Введение……………………………………………………………………..3
Исследования микромира …………………………………………….…….4
Исследования макро- и мегамира ……………………………………….…5
Нобелевские премии по физике ……………………………………………7
Практическое задание ……………………………………………………...15
а) задание № 1: Таблица научных открытий …………………………......15
б) задание № 2: Основные научные итоги этапов развития науки …...…15
в) задание № 3: Вопрос – ответ к этапам развития ………………………16
г) задание № 4: Теория относительности А.Эйнштейна ………………...16
Заключение ………………………………………………………….…..…..21
Список используемой литературы ………………………………...……....22
Введение
В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы.
Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта.
Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.
В науке выделяются три уровня строения материи.
Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.
Микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 сек.
Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
Исследования микромира
Вконце XIX- началеXXвв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными.
В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.
История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существуют ядра - положительно заряженные микрочастицы
Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. А. Беккерелем.
Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы - полоний и радий
Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества.
При переходе к исследованию микромира оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.
Исследования макро- и мегамира
В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.
Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI-XVII вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.
Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи - атомизм, согласно которому все тела состоят" из атомов - мельчайших в мире частиц.
Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкивания. Механическая программа описания природы, впервые выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научный этап изучения природы.
Поскольку современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начинать исследование нужно с концепций классической физики.
И Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.
В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц - атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.
Философское обоснование механическому пониманию природы дал Р. Декарт с его концепцией абсолютной дуальности (независимости) мышления и материи, из которой следовало, что мир можно описать совершенно объективно, без учета человека-наблюдателя.
Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.
Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области - оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.
Разрабатывая оптику, Л. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц - корпускул.
Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарядея итеоретические работы английского физика Дж.К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.
Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель Х.К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М.Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток, он ввел понятие "силовые линии"
К концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.
Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований - гигантских облаков пыли и газа - газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во Вселенной, наряду с диффузными образованиями, занимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.
На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих, если не у большинства других галактик, "звездная субстанция" составляет более чем 99,9% их массы.
Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включающие проблему непрерывного образования звезд из конденсирующейся диффузной материи.
Нобелевские премии по физике
Жорес АЛФЁРОВ, 2000 г.Исследованиями Жореса Алфёрова фактически сформировано новое направление – физика гетероструктур, электроника и оптоэлектроника.
Луис У. АЛЬВАРЕС, 1968 г.За открытие большого числа резонансов, что стало возможно благодаря разработанной им технике с использованием водородной пузырьковой камеры и оригинальному анализу данных.
Ханнес АЛЬФВЕН, 1970 г.За фундаментальные работы и открытия в магнитной гидродинамике и плодотворные приложения их в различных областях физики плазмы. Он разделил эту премию с Луи Неелем, награжденным за вклад в теорию магнетизма.
Карл Д. АНДЕРСОН, 1936 г.За открытие позитрона. Он разделил ее с Виктором Ф. Гессом. Им удалось найти один из строительных кирпичей Вселенной – положительный электрон. Андерсону принадлежит открытие частицы, ныне известной как мюон.
Филип У. АНДЕРСОН, 1977 г.За фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем.
Джон БАРДИН, 1956 г., 1972 г.Премия 1956 г. за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта, в 1972 г. премия за создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией.
Чарлз Г. БАРКЛА, 1917 г.За открытие характеристического рентгеновского излучения элементов.
Николай БАСОВ, 1964 г.За фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на лазерно-мазерном принципе. Б. разделил премию с Александром ПрохоровымиЧарлзом Х. Таунсом.
Анри БЕККЕРЕЛЬ, 1903 г.Беккерель удостоен премии совместно с Мари КюрииПьером Кюри. Сам Б. был особо упомянут в знак признания его выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиоактивности.
Ханс А. БЕТЕ, 1967 г.За открытия, касающиеся источников энергии звезд.
Герд БИННИНГ, 1986 г.Герд Биннинг и Рорерразделили половину премии за изобретение сканирующего туннелирующего микроскопа. Другую половину премии получилЭрнст Русказа работу над электронным микроскопом.
Николас БЛОМБЕРГЕН, 1981 г.За вклад в развитие лазерной спектроскопии Бломберген и Шавловразделили между собой половину премии. Другой половиной был награжденКай Сигбанза электронную спектроскопию с помощью рентгеновских лучей.
Феликс БЛОХ, 1952 г.За развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия.
П.М.С. БЛЭККЕТ, 1948 г.За усовершенствование метода камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации.
Нильс БОР, 1922 г.Нильс Бор за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения награжден премией.
Оге БОР, 1975 г.За открытие взаимосвязи между коллективным движением и движением отдельной частицы в атомном ядре и развитие теории строения атомного ядра, базирующейся на этой взаимосвязи.
Макс БОРН, 1954 г.За фундаментальные исследования по квантовой механике, особенно за его статистическую интерпретацию волновой функции.
Вальтер БОТЕ, 1954 г.За метод совпадений для обнаружения космических лучей и сделанные в связи с этим открытия Боте разделил премию с Максом Борном, который был награжден за вклад в квантовую механику.
Уолтер БРАТТТЕЙН, 1956 г.За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.
Фердинанд БРАУН, 1909 г.Браун и Маркони получили премию в знак признания их вклада в создание беспроволочной телеграфии.
Перси Уильямс БРИДЖМЕН, 1946 г.За изобретение прибора, позволяющего создавать сверхвысокие давления.
Луи де БРОЙЛЬ, 1929 г.За открытие волновой природы электронов.
Уильям Генри БРЭГГ, 1915 г.За заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей был удостоен премии.
Уильям Лоренс БРЭГГ, 1915 г.За заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей.
Стивен ВАЙНБЕРГ, 1979 г.За вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами.
Джон X. ВАН ФЛЕК, 1977 г.За фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем.
Ян Дидерик ВАН-ДЕР-ВААЛЬС,1910 г.За работу над уравнением состояния газов.
Эуген П. ВИГНЕР, 1963 г.За вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц.
Кеннет Г. ВИЛЬСОН, 1982 г.За теорию критических явлений в связи с фазовыми переходами.
Роберт В. ВИЛЬСОН, 1978 г.половину премии за открытие микроволнового реликтового излучения. Другую половину премии получил Петр Капица.
Ч.Т.Р. ВИЛЬСОН, 1927 г.За метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара.
Вильгельм ВИН,1911 г.За открытия в области законов, управляющих тепловым излучением.
Деннис ГАБОР, 1971 г.За изобретение и разработку голографического метода.
Вернер ГЕЙЗЕНБЕРГ, 1932 г.За создание квантовой механики.
Марри ГЕЛЛ-МАНН, 1969 г.За открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий.
Мария ГЁППЕРТ-МАЙЕР, 1963 г.За открытие оболочечной структуры ядра, что убедительно доказало всю важность оболочечной модели для систематизации накопленного материала и предсказания новых явлений, связанных с основным состоянием и низко лежащими возбужденными состояниями ядер.
Густав ГЕРЦ, 1925 г.За открытие законов соударения электрона с атомом.
Виктор Ф. ГЕСС, 1936 г.За открытие космических лучей Гесс удостоен премии.
Шарль ГИЛЬОМ, 1920 г.В знак признания его заслуг перед точными измерениями в физике – открытия аномалий в никелевых стальных сплавах Шарль Гильом был удостоен премии. Изобрел сплав элинвар.
Доналд А. ГЛАЗЕР, 1960 г.За изобретение пузырьковой камеры.
Шелдон Л. ГЛЭШОУ, 1979 г.Новаторские теоретические идеи, за которые Глэшоу был удостоен премии, привели к объединению электромагнетизма и слабого взаимодействия.
Нильс ДАЛЕН, 1912 г.За изобретение автоматических регуляторов, использующихся в сочетании с газовыми аккумуляторами для источников света на маяках.
Айвар ДЖАЙЕВЕР, 1973 г.За экспериментальные открытия явлений туннелирования в полупроводниках и сверхпроводниках.
Брайан Д. ДЖОЗЕФСОН, 1973 г.За теоретические предсказания свойств тока, проходящего через туннельный барьер, в частности явлений, общеизвестных ныне под названием эффектов Джозефсона.
Поль А. Морис ДИРАК, 1933 г.За открытие новых продуктивных форм атомной теории.
Клинтон Дж. ДЭВИССОН, 1937 г.За экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах.
Пьер Жиль де ЖЕН, 1991 г.За обнаружение того, что методы, развитые для изучения явлений упорядоченности в простых системах, могут быть обобщены на жидкие кристаллы и полимеры.
Питер ЗЕЕМАН, 1902 г.Магнитное расщепление спектральных линий, известное как эффект Зеемана, – это важный инструмент исследования природы атома, он полезен и при определении магнитных полей звезд.
Йоханнес Ханс Д. ЙЕНСЕН, 1963 г.Йоханнес Ханс Даниель Йенсен и Мария Гёпперт-Майербыли удостоены премии за открытие оболочечной структуры ядра.
Хейке КАМЕРЛИНГ-ОННЕС, 1913 г. За исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия.
Петр КАПИЦА, 1978 г.За фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур получил премию.
Альфред КАСТЛЕР, 1966 г.За открытие и разработку оптических методов исследования резонансов Герца в атомах.
Клаус фон КЛИТЦИНГ, 1985 г.За открытие квантового эффекта Холла.
Джон КОКРОФТ, 1951 г.За работы по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц.
Артур КОМПТОН, 1927 г.За открытие эффекта, названного его именем. Разделив рассеянные рентгеновские лучи по компонентам с соответствующими длинами волн продемонстрировал, что рентгеновские лучи ведут себя аналогично свету.
Джеймс У. КРОНИН, 1980 г.За открытие нарушений фундаментальных принципов симметрии при распаде нейтральных K -мезонов.
Леон КУПЕР, 1972 г.За создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией.
Поликарп КУШ, 1955 г.За точное определение магнитного момента электрона.
Пьер КЮРИ, 1903 г. в знак признания их совместных исследований явлений радиации.
Лев ЛАНДАУ, 1962 г.За основополагающие теории конденсированной материи, в особенности жидкого гелия.
Макс фон ЛАУЭ, 1914 г.За открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, которое Эйнштейн назвал «одним из наиболее красивых в физике».
Филипп фон ЛЕНАРД, 1905 г.За работы по катодным лучам.
Цзундао ЛИ, 1957 г.За проницательное исследование так называемых законов сохранения.
Габриель ЛИПМАН, 1908 г.Габриель Липман продемонстрировал метод получения невыцветающих цветных фотографий. За создание метода фотографического воспроизведения цветов на основе явления интерференции.
Хендрик ЛОРЕНЦ, 1902 г.Хендрик Лоренц первым выдвинул гипотезу о том, что вещество состоит из микроскопических частиц, называемых электронами, которые являются носителями вполне определенных зарядов.
Эрнест O. ЛОУРЕНС, 1939 г.За изобретение и создание циклотрона, за достигнутые с его помощью результаты, особенно получение искусственных радиоактивных элементов.
Уиллис Ю. ЛЭМБ, 1955 г.За открытия, связанные с тонкой структурой спектра водорода.
Альберт А. МАЙКЕЛЬСОН, 1907 г.Он измерил скорость света с точностью, невиданной ранее, пользуясь приборами, обошедшимися немногим дороже десяти долларов.
Гульельмо МАРКОНИ, 1909 г.Гулельмо Маркони передал первый беспроволочный сигнал через Атлантику с запада на восток, открыл первую трансатлантическую службу беспроволочной связи.
Симон ван дер МЕР, 1984 г.Симон ван дер Мер за решающий вклад в большой проект, осуществление которого привело к открытию полевых частиц W и Z , переносчиков слабого взаимодействия, удостоен премии.
Рудольф Л. МЁССБАУЭР, 1961 г.Явление упругого ядерного резонансного поглощения гамма-излучения ныне носит название эффекта Мёссбауэра и позволяет получить информацию о магнитных и электрических свойствах ядер и окружающих их электронов.
Роберт МИЛЛИКЕН, 1923 г.За эксперименты по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрическому эффекту он был удостоен премии.
Невилл МОТТ, 1977 г.За фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем.
Бенжамин Р. МОТТЕЛЬСОН, 1975 г.За открытие связи между коллективным движением и движением одной частицы в атомных ядрах и создание на основе этой связи теории строения атомного ядра был удостоен премии.
Луи НЕЕЛЬ, 1970 г.Работа Луи Нееля по палеомагнетизму помогла объяснить «магнитную память» скальных пород в процессе изменения магнитного поля Земли и решающим образом способствовала подтверждению теории дрейфа континентов и теории тектонических плит.
Вольфганг ПАУЛИ, 1945 г.За открытие принципа запрета Паули удостоен премии.
Сесил Ф. ПАУЭЛЛ, 1950 г.За разработку фотографического метода исследования ядерных процессов и открытие мезонов, осуществленное с помощью этого метода.
Арно А. ПЕНЗИАС, 1978 г.За открытие космического микроволнового фонового излучения.
Жан ПЕРРЕН, 1926 г.За работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия.
Эдуард М. ПЁРСЕЛЛ, 1952 г.За создание новых точных методов ядерных магнитных измерений.
Макс ПЛАНК, 1918 г.За открытие квантов энергии Макс Планк удостоен премии, его вклад в современную физику не исчерпывается открытием кванта и постоянной.
Александр ПРОХОРОВ, 1964 г.За фундаментальные работы в области квантовой электроники.
Изидор Айзек РАБИ, 1944 г.За резонансный метод измерений магнитных свойств атомных ядер.
Мартин РАЙЛ, 1974 г.За новаторские исследования в радиоастрофизике.
Венката РАМАН, 1930 г.За работы по рассеянию света и за открытие эффекта.
Джеймс РЕЙНУОТЕР, 1975 г.За открытие связи между коллективным движением и движением частиц в атомных ядрах.
Вильгельм РЕНТГЕН, 1901 г.в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей.
Бертон РИХТЕР, 1976 г.За новаторские работы по открытию тяжелой элементарной частицы нового типа.
Оуэн У. РИЧАРДСОН, 1928 г.За работы по термионным исследованиям, и особенно за открытие закона, носящего его имя.
Гейнрих РОРЕР, 1986 г.За создание сканирующего туннелирующего микроскопа Гейнрих Рорер и Герд Биннигбыли удостоены половины премии.
Карло РУББИА, 1984 г.за решающий вклад в большой проект, который привел к открытию квантов поля W - и Z -частиц, переносчиков слабого взаимодействия.
Эрнст РУСКА, 1986 г.За фундаментальные работы по электронной оптике и создание первого электронного микроскопа Эрнст Руска был награжден премией.
Абдус САЛАМ, 1979 г.Новые теоретические идеи, за которые Салам, Шелдон Л. ГлэшоуиСтивен Вайнбергбыли удостоены Нобелевской премии, привели к построению теории, объединившей электромагнетизм и слабое взаимодействие.
Эмилио СЕГРЕ, 1959 г.За открытие антипротона.
Кай СИГБАН, 1981 г.За вклад в развитие электронной спектроскопии высокого разрешения.
Манне СИГБАН, 1924 г.За открытия и исследования в области рентгеновской спектроскопии.
Мари СКЛОДОВСКАЯ-КЮРИ, 1903 г., 1911 г.в знак признания совместных исследований явлений радиации, открытых профессором Анри Беккерелем. Вторую премию она получила за открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента.
Джон У. CTPETT, лорд Рэлей, 1904 г.За исследования плотностей наиболее распространенных газов и за открытие аргона в ходе этих исследований.
Игорь ТАММ, 1958 г.За открытие и истолкование эффекта Черенкова.
Чарлз Х. ТАУНС, 1964 г.Фундаментальная работа Таунса в области квантовой электроники привела к созданию осцилляторов и усилителей.
Сэмюэл Ч. Ч. ТИНГ, 1976 г.За изыскательскую работу по открытию тяжелой элементарной частицы нового типа.
Синъитиро ТОМОНАГА, 1965 г.За изобретение математической процедуры перенормировки для исключения бесконечных масс и зарядов.
Дж. Дж. ТОМСОН, 1906 г.в знак признания заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах.
Дж. П. ТОМСОН, 1937 г.Джордж Паджет Томсон и Клинтон Дж Дэвиссонразделили премию за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах.
Эрнест УОЛТОН, 1951 г.За исследовательскую работу по превращению атомных ядер с помощью искусственно ускоряемых атомных частиц.
Уильям ФАУЛЕР, 1983 г.За теоретическое и экспериментальное исследование ядерных реакций, имеющих важное значение для образования химических элементов.
Ричард Ф. ФЕЙНМАН, 1965 г.За фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц.
Энрико ФЕРМИ, 1938 г.За доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами.
Вал Л. ФИТЧ, 1980 г.За открытие нарушений фундаментальных принципов в распаде нейтральных K -мезонов.
Джеймс ФРАНК, 1925 г.За открытие законов соударений электронов с атомами.
Илья ФРАНК, 1958 г.Открытие и истолкование эффекта Черенковапослужило основанием для присуждения премии русскому учёному Илье Франку.
Роберт ХОФСТЕДТЕР, 1961 г.За основополагающие исследования по рассеянию электронов на атомных ядрах и связанных с ними открытий в области структуры нуклонов.
Энтони ХЬЮИШ, 1974 г.За пионерские исследования в области радиофизики.
Фриц ЦЕРНИКЕ, 1953 г.За обоснование фазово-контрастного метода, особенно за изобретение фазово-контрастного микроскопа. Премия за вклад в классическую физику.
Субрахманьян ЧАНДРАСЕКАР, 1983 г.За теоретические исследования физических процессов, играющих важную роль в строении и эволюции звезд был удостоен премии.
Джеймс ЧЕДВИК, 1935 г.За открытие нейтрона.
Оуэн ЧЕМБЕРЛЕН, 1959 г.За открытие антипротона.
Павел ЧЕРЕНКОВ, 1958 г.Черенков обнаружил, что гамма-лучи, испускаемые радием, дают слабое голубое свечение, и убедительно показал, что свечение представляет собой нечто экстраординарное.
Артур Л. ШАВЛОВ, 1981 г.За вклад в развитие лазерной спектроскопии.
Джулиус С. ШВИНГЕР, 1965 г.Выдающиеся достижения в теоретической физике, за которые ему была присуждена премия, закладывались, когда он проявил интерес к фундаментальной природе материи.
Уильям ШОКЛИ, 1956 г.За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта был удостоен премии.
Эрвин ШРЕДИНГЕР, 1933 г.Открытие новых продуктивных форм атомной теории.
Джон ШРИФФЕР, 1972 г.За созданную теорию сверхпроводимости, обычно называемую теорией БКШ.
За 15 лет с начала нового тысячелетия люди и не заметили, что попали в иной мир: мы живем в другой Солнечной системе, умеем ремонтировать гены и управлять протезами силой мысли. Ничего этого в XX столетии не было
Генетика
Геном человека полностью секвенирован
Робот сортирует ДНК человека в чашках Петри для проекта The Human Genome
Проект «Человеческий геном» (The Human Genome Project
) начался в 1990 году, в 2000-м был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном - в 2003 году. Однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков еще не закончен. В основном он был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Секвенирование генома имеет решающее значение для разработки лекарств и понимания того, как устроено человеческое тело.
Генная инженерия вышла на новый уровень
В последние годы был разработан революционный метод манипуляции ДНК при помощи так называемого CRISP -механизма. Эта методика позволяет избирательно редактировать определенные гены, что раньше было невозможно.
Математика
Доказана теорема Пуанкаре
В 2002 году российский математик Григорий Перельман доказал теорему Пуанкаре, одну из семи задач тысячелетия (важные математические проблемы, решение которых не найдено в течение десятков лет). Перельман показал, что исходная трехмерная поверхность (если в ней нет разрывов) обязательно будет эволюционировать в трехмерную сферу. За эту работу он получил престижную «медаль Филдса», аналог Нобелевской премии в математике.
Астрономия
Открыта карликовая планета Эрида
Впервые Эриду сфотографировали еще 21 октября 2003 года, но заметили на снимках только в начале 2005-го. Ее открытие стало последней каплей в спорах о судьбе Плутона (продолжать ли его считать планетой или нет), что изменило привычный образ Солнечной системы (см. стр. 142–143).
Обнаружена вода на Марсе
В 2005 году аппарат «Марс Экспресс» Европейского космического агентства обнаружил большие залежи водяного льда недалеко от поверхности - это очень важно для последующей колонизации Красной планеты.
Физика
Глобальное потепление - быстрее, чем ожидалось
В 2015 году ученые из Всемирного центра мониторинга ледников при Цюрихском университете (Швейцария) под руководством доктора Михаэля Цемпа, работая совместно с коллегами из 30 стран, установили, что темп таяния ледников на Земле к настоящему времени, по сравнению c усредненными показателями за XX век, вырос в два-три раза.
Обнаружена квантовая телепортация
Такая телепортация отличается от телепортации, о которой любят говорить фантасты, - при ней материя или энергия не передаются на расстояние. Эксперименты по передаче квантовых состояний на большие расстояния были удачно проведены за последние 15 лет не менее чем десятком научных групп. Квантовая телепортация очень важна для создания сверхзащищенных шифров и квантовых компьютеров.
Экспериментально подтверждено существование графена
Его двумерная (толщиной в один атом) кристаллическая решетка проявляет необычные электрофизические свойства. Впервые графен был получен Андреем Геймом и Константином Новоселовым в 2004 году (Нобелевская премия за 2010-й). Его планируется использовать в электронике (в сверхтонких и сверхбыстрых транзисторах), композитах, электродах и т. д. Кроме того, графен - второй по прочности материал на свете (на первом месте - карбин).
Доказано существование кварк-глюонной плазмы
В 2012 году эксперименты физиков, работающих с ускорителем RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), попали в Книгу рекордов Гиннесса с формулировкой «за самую высокую температуру, полученную в лабораторных условиях». Сталкивая ионы золота на ускорителе, ученые добились возникновения кварк-глюонной плазмы с температурой 4 триллиона °С (в 250 тысяч раз горячее, чем в центре Солнца). Спустя примерно микросекунду после Большого взрыва Вселенная была наполнена как раз такой плазмой.
Найден бозон Хиггса
Существование этой элементарной частицы, отвечающей за массу всех прочих частиц, теоретически было предсказано Питером Хиггсом еще в 1960-х годах. А найдена она была во время экспериментов на Большом адронном коллайдере в 2012-м (за что Хиггс, совместно с Франсуа Энглером, получил Нобелевскую премию 2013 года).
Биология
Людей поделили на три энтеротипа
В 2011 году ученые из Германии, Франции и нескольких других исследовательских центров доказали, что по генетике населяющих нас бактерий люди делятся на три категории, или энтеротипа. Энтеротип человека проявляется в разной реакции на еду, лекарства и диеты, и потому стало ясно, что никаких универсальных рецептов в этих областях существовать не может.
Создана первая синтетическая бактериальная клетка
В 2010 году ученые из Института Крейга Вентера (был одним из лидеров гонки по расшифровке человеческого генома) создали первую полностью синтетическую хромосому с геномом. Когда ее встроили в бактериальную клетку, лишенную генетического материала, она начала функционировать и делиться по предписанным новым геномом законам. В перспективе синтетический геном позволит создавать вакцины против новых вирусных штаммов за часы, а не за недели, производить эффективное биотопливо, новые пищевые продукты и т. д.
Удачно записаны и перезаписаны воспоминания
Начиная с 2010 года несколько исследовательских групп (США, Франция, Германия) научились записывать в мозг мышей ложные воспоминания, стирать реальные, а также превращать приятные воспоминания в неприятные. До человеческого мозга дело пока не дошло, но осталось недолго.
Получены «этичные» (не из эмбрионов) плюрипотентные стволовые клетки
В 2012 году Синъя Яманака совместно с Джоном Гёрдоном стали лауреатами Нобелевской премии за открытие 2006 года - получение плюрипотентных стволовых клеток мыши путем эпигенетического перепрограммирования. За последующее десятилетие не менее десятка научных групп добились впечатляющих успехов в данной области, в том числе с человеческими клетками. Это предвещает скорые прорывы в терапии рака, регенеративной медицине, а также в клонировании человека (или его органов).
Палеонтология
Впервые обнаружены мягкие ткани динозавра
Мэри Швейцер руководила научной группой, которая описала коллаген, выделенный из бедренной кости Tyrannosaurus reх
Молекулярный палеонтолог Университета Северной Каролины Мэри Швейцер в 2005 году в окаменевшей конечности подростка-тираннозавра из Монтаны (возрастом 65 млн лет) обнаружила мягкие ткани. Ранее считалось, что любые белки разложатся максимум за несколько тысяч лет, поэтому никто их в окаменелостях и не искал. После этого мягкие ткани (коллаген) были обнаружены и в других древнейших образцах.
У людей обнаружены гены неандертальцев и «денисовского человека»
Участники международного симпозиума «Переход к верхнему палеолиту в Евразии: культурная динамика и развитие рода Homo
» осматривают место раскопок в центральном зале Денисовой пещеры
Из работ двух научных групп стало ясно, что от 1 до 3% генома среднестатистического европейца или азиата восходит к неандертальцам. Но у каждого современного индивидуума присутствуют несхожие неандертальские аллели (различные формы одного и того же гена), поэтому общая сумма «неандертальских» генов куда выше, до 30%. «Наследники» неандертальцев (скрещивание происходило около 45 тысяч лет назад) - в основном европейцы; у азиатов в геноме присутствуют следы скрещивания с еще одним гоминидом - «денисовским человеком». Самые «чистые» Homo sapiens - уроженцы Африканского континента.
Медицина
По дыханию распознана ранняя стадия рака легких
Год назад группа израильских, американских и британских ученых разработала устройство, которое способно точно идентифицировать рак легких и определить, в какой стадии он находится. Основой устройства стал анализатор дыхания со встроенным наночипом NaNose
, способный «вынюхать» раковую опухоль с 90-процентной точностью, даже когда раковый узелок практически незаметен. В скором времени стоит ожидать анализаторов, которые смогут по «запаху» определять и другие виды рака.
Разработано первое полностью автономное искусственное сердце
Специалисты американской компании Abiomed разработали первое в мире полностью автономное постоянное искусственное сердце для имплантаций (AbioCor ). Искусственное сердце предназначено для пациентов, у которых невозможно лечение собственного сердца или имплантация донорского.
Бионика
Созданы биомеханические устройства и протезы, контролируемые усилием мысли
Американец Зак Вотер испытал бионический ножной протез, поднявшись по лестнице на 103-й этаж небоскреба Уиллис-тауэр, расположенного в Чикаго
В 2013 году появились первые опытные образцы «умных» протезов с обратной связью (эмуляцией осязательных ощущений), которые позволяют человеку чувствовать то, что «ощущает» протез. В 2010-х годах созданы и отдельные от человека устройства, управляемые только через мысленный интерфейс (иногда с инвазивными контактами, но чаще это похоже на головной обруч с сухим электродом), - компьютерные игры и тренажеры, манипуляторы, транспорт и пр.
Электроника
Перейден петафлопсный барьер
В 2008 году новый суперкомпьютер в Лос-Аламосе (США) заработал со скоростью более квадриллиона (тысяча триллионов) операций в секунду. Следующий барьер, эксафлопсный (квинтиллион операций в секунду) будет достигнут в ближайшие годы. Системы с такой невероятной скоростью необходимы в первую очередь для высокопроизводительных вычислений - обработки данных научных экспериментов, климатического моделирования, финансовых операций и т. д.
Фото: Alamy, SPL, Newscom / Legion Media, SPL / Legion Media (X2), Photo courtesy of North Carolina State University, Reuters / Pix- Stream, Александр Кряжев / РИА Новости, Reuters / Pix-Stream, Michael Hoch, Maximilien Brice / © 2008 CERN, for the benefit of the CMS Collaboration, AP / East News
1900 г.
– М. Планк сформулировал квантовую гипотезу и ввел фундаментальную постоянную (постоянная Планка), имеющую размерность действия, положив начало квантовой теории.
– М. Планк (14 декабря) предложил новую формулу для распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела (закон Планка).
– Экспериментальное подтверждение закона излучения Планка (Г. Рубенс, Ф. Курлбаум).
– Дж. Рэлей вывел закон распределения энергии в излучении абсолютно черного тела, развитый в 1905 Дж. Джинсом (закон Рэлея – Джинса). Экспериментально подтвержден в 1901 Г. Рубенссм и Ф. Курлбаумом для длинных волн.
1900–02 гг. – Г. Рубенс и Э. Хаген выполнили измерения отражательной способюсти металлов, подтвердившие электромагнитную теорию света Максвелла.
1900 г.
– П. Виллар открыл гамма-лучи.
– Дж Таунсенд построил теорию проводимости в газах и рассчитал коэффициенты диффузии заряженных частиц.
1901 г.
– Ж. Перрен выдвинул гипотезу о планетарном строении атома (модель Перрена).
– Обнаружено физиологическое действие радиоактивного излучения (А. Беккерель, П. Кюри).
– О. Ричардсон установил зависимость плотности тока насыщения термоэлектронной эмиссии от температуры поверхности катода (закон Ричардсона).
1902 г.
– Установлено отклонение каналовых лучей в электрическом и магнитном полях (В. Вин).
– Впервые экспериментально доказана зависимость массы электрона от скорости (В. Кауфман).
– Ф. Ленард установил уравнение фотоэффекта, в котором дал зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света.
1902–03 гг
. – Э. Резерфорд и Ф. Содди создали теорию радиоактивного распада и сформулировали закон радиоактивных превращений.
– Введение понятия электромагнитного импульса и получение формулы для электромагнитной массы электрона (М. Абрагам).
1902 г. – Вышла в свет книга Дж. Гиббса “Элементарные принципы статистической механики”, которая завершила построение классической статистической физики.
1903 г.
– Дж. Дж. Томсон разработал модель атома, названную его именем (модель Томсона).
– Наблюдение непрерывного выделения теплоты солями радия и измерение энергии, выделяемой за 1 с (П. Кюри, А. Лаборд).
– П. Кюри предложил использовать период полураспада радиоактивного элемента в качестве эталона времени для определения абсолютного возраста земных пород.
– У. Рамзай и Ф. Содди экспериментально доказали образование гелия из радона.
– Э. Резерфорд доказал, что альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц. Первой на корпускулярную природу альфа-лучей указала в 1900 М. Склодовская-Кюри.
– Открытие эффекта сцинтилляций и использование его для регистрации заряженных частиц (У. Крукс, Г. Гейтель, Ю. Эльстер).
– А. А. Эйхенвалъд показал, что поляризованный немагнитный диэлектрик становится при движении намагниченным (опыт Эйхенвальда).
1904 г.
– Х. Лоренц нашел релятивистские преобразования пространственных координат и времени, оставляющие неизменными электромагнитные явления при равномерном движении систем отсчета (преобразования Лоренца). В 1900 эти преобразования получил Дж. Лармор, а в 1887 близкие по типу преобразования использовал В. Фойгт.
– Х. Лоренц получил выражение для зависимости массы от скорости в случае электрона. Справедливость этой релятивистской формулы была подтверждена опытами А. Бухерера (1908) и др.
– Дж. Дк. Томсон ввел представление о том, что электроны в атоме разделяются на группы, образуя различные конфигурации, обусловливающие периодичность элементов. Первые идеи о внутренней структуре атома он высказал еще в 1898.
– Осуществлена поляризация рентгеновских лучей (Ч. Баркла).
1904 г. – Изобретена двухэлектродная электронная лампа - диод (Дж. Флеминг).
1905 г.
– А. Эйнштейн в статье “К электродинамике движущихся сред” (поступила в редакцию журнала 30 июня), глубоко проанализировав понятие одновременности событий, доказал сохранение формы максвелловских уравнений относительно преобразований Лоренца, сформулировал специальный принцип относительности и принцип постоянства скорости света и на их основе создал специальную теорию относительности. (Неизменность формы уравнений электродинамики относительно преобразований Лоренца доказал также А. Пуанкаре в докладе на заседании Парижской АН 5 июня, в котором подчеркнул универсальность принципа относительности и предсказал конечность скорости распространения света.) Совместно с квантовой теорией специальная теория относительности составила фундамент физики ХХ в.
– А. Эйнштейн открыл закон взаимосвязи массы и энергии (в 1906 этот закон установил также П. Ланжевен).
– А. Эйнштейн выдвинул гипотезу о квантовом характере светового излучения (фотонная теория света). Постулированный Эйнштейном фотон открыт в 1922 А. Комптоном. Термин введен в 1929 Г. Льюисом.
– Объяснение А. Эйнштейном законов фотоэффекта на основании существования квантов света, или фотонов.
– Э. Швейдлер установил статистический характер закона превращения химических элементов, подтвержденный экспериментально Э. Регенером в 1908.
– Обнаружен эффект Допплера в каналовых лучах (И. Штарк).
– Разработка П. Ланжевеном классической теории диа- и парамагнетизма.
1905–06 г. – А. Эйнштейн и М. Смолуховский дали последовательное объяснение броуновского движения на основе молекулярно-кинетической теории, развив теорию флуктуаций.
1906 г.
– М. Планк вывел уравнения релятивистской динамики, получив выражения для энергии и импульса электрона.
– А. Пуанкаре разработал первую лоренц-ковариантную теорию тяготения.
– Т. Лайман открыл спектральную серию в ультрафиолетовой части спектра водорода (серия Лаймана).
– Ч. Баркла открыл характеристические рентгеновские лучи.
– В. Нернст высказал утверждение, что энтропия химически однородного твердого или жидкого тела при абсолютном нуле температуры равна нулю (теорема. Нернста). Экспериментально доказана У. Джиоком, после чего стала называться третьим началом термодинамики.
– Предсказание В. Нернстом эффекта “вырождения газа”.
– Изобретен триод (Л. ди Форест)
1907 г.
– А. Эйнштейн постулировал эквивалентность гравитации и инерции (принцип эквивалентности Эйнштейна) и начал разрабатывать релятивистскую теорию гравитации.
– Установлено, что изотопы свинца являются конечным продуктом в радиоактивных рядах (Б. Болюуд).
– Разработка А. Эйнштейном первой квантовой теории теплоемкости твердых тел. Введение им представления о распространении в кристалле монохроматических звуковых (упругих) волн.
– М. Планк провел обобщение термодинамики в рамках специальной теории относительности, заложив основы релятивистской термодинамики.
– П. Вейсс установил (независимо от П. Кюри, 1895) температурную зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков (закон Кюри – Вейсса).
– Выдвинута гипотеза о существовании в ферромагнетиках участков самопроизвольной намагниченности и разработана первая статистическая теория ферромагнетизма (П. Вейсс). Подобную идею высказал еще в 1892 Б. Л. Розинг.
– Открытие Э. Коттоном и А. Мутоном явления двойного лучепреломления в веществах, помещенных в магнитное поле, при распространении света в направлении, перпендикулярном полю (эффект Коттона – Мутона).
1908 г.
– Г. Минковский вслед за А. Пуанкаре развил идею объединения трех измерений пространства и времени в одно четырехмерное псевдоевклидово пространство (пространство Минковского) и развил современный четырехмерный аппарат специальной теории относительности.
– А. Бухерер провел опыт, окончательно подтвердивший правильность релятивистской формулы Лоренца для зависимости массы электрона от скорости.
– В. Ритц улучшил предложенную в 1890 И. Ридбергом приближенную формулу для частот спектральных серий элементов, установив один из основных принципов систематики атомных спектров – комбинационный принцип (принцип Ридберга – Ритца).
– Ф. Пашен обнаружил спектральную серию атома водорода в инфракрасной области (серия Пашена).
– Г. Гейгер и Э. Резерфорд сконструировали прибор для регистрации отдельных заряженных частиц. В 1928 Гейгер усовершенствовал его с В. Мюллером (счетчик Гейгера – Мюллера).
– Получение Г. Камерлинг-Оннесом жидкого гелия и измерение его температуры.
– Ж. Перрен осуществил эксперименты по исследованию броуновского движения, окончательно доказавшие реальность существования молекул и подтвердившие атомно-молекулярную теорию строения вещества и кинетическую теорию теплоты.
– Э. Грюнейзен установил, что отношение коэффициента теплового расширения металла к его удельной теплоемкости не зависит от температуры (закон Грюнейзена).
1909 г. – Доказано, что альфа-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия (Э. Резерфорд, Дж. Ройдс).
1909–10 гг. – Г. Гейгер и Э. Марсден выполнили эксперименты по рассеянию альфа-частиц в тонких металлических пленках, сыгравшие решающую роль в открытии Э. Резерфордом атомного ядра и в установлении планетарной модели атома.
1909 г.
– А Эйнштейн рассмотрел флуктуации энергии равновесного излучения и получил формулу для флуктуаций энергии.
– Открытие связи между упругими и оптическими свойствами твердых тел (Э. Маделунг).
– Г. Камерлинг-Оннес получил температуру в 1,04 К.
– Вышла в свет книга В. И. Ленина “Материализм и эмпириокритицизм”, в которой дал глубокое толкование новых научных данных конца ХIХ – начала ХХ вв. в ведущих отраслях естествознания, показан революционный смысл этих фундаментальных открытий. Мысль В. И. Ленина о неисчерпаемости материи стала общим принципом естественнонаучного познания.
1910 г. – А. Гааз предложил мод“ль атома, в которой впервые сделана попытка связать квантовый характер излучения со структурой атома.
1910–14 гг. – Экспериментально доказана дискретность электрического заряда и впервые достаточно точно измерена величина заряда электрона (Р. Милликен).
В физике можно выделить три основных направления: исследование микромира (микрофизика), макромира (макрофизика) и мегамира (астрофизика).
Прогресс физики после ряда выдающихся открытий конца XIX - начала XX века (рентгеновские лучи, электрон, радиоактивность и др.) был задержан первой мировой войной, и все же исследования атомов продолжались. Основное в этих исследованиях:
Разработка модели атома.
Доказательство изменяемости атома.
Доказательство существования разновидностей атома у химических элементов.
Эти исследования опирались практически на совершенно новое представление о структуре материи, которое начало складываться в начале XX века. Сформулированное в XIX в. представление об атомах было подытожено Д.И. Менделеевым, который в статье «Вещество», опубликованной в 1892 г. в «Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона», перечислил основные сведения об атомах:
Химические атомы каждого элемента неизменны, и существует столько сортов атомов, сколько известно химических элементов (в то время - примерно 70).
Атомы данного элемента одинаковы.
Атомы имеют вес, причем различие атомов основано на различии их веса.
Взаимный переход атомов данного элемента в атомы другого элемента невозможен.
Доказательство существования электрона разрушило эти представления об атоме. Важнейшим направлением исследований физики становится выяснение структуры атомов. Электронные модели атома стали появляться одна за другой. Их возникновение в хронологической последовательности таково:
Модель У. Кельвина (1902 г.) - электроны распределяются определенным способом внутри положительно заряженной сферы.
Модель Ф. Ленарда (1903 г.) - атом состоит из «дуплетов» отрицательных и положительных зарядов (так называемых динамит).
Модель Г. Нагаоки (1904 г.) - атом «устроен» наподобие планеты Сатурн (вокруг положительно заряженного тела располагаются кольца, состоящие из отрицательно заряженных электронов).
Модель Дж. Томсона (1904 г.) - внутри положительно заряженной сферы вращающиеся электроны размещаются в одной плоскости по концентрическим оболочкам, вмещающим различные, но конечные числа электронов.
Эти модели были результатами теоретических (во многом - чисто математических) построений и носили формальный характер. Исключение составляла модель Дж. Томсона. Он предпринял первую в своем роде попытку объяснения периодического изменения свойств химических элементов, связав феномен периодичности с числом электронов в концентрических кольцах.
Однако оставалось неопределенным точное количество электронов в атомах. Томсон полагал, что масса носителя единичного положительного заряда значительно превосходит массу единичного отрицательного заряда, и это также оказалось соответствующим истине.
Электрон довольно скоро исчерпал свои возможности в качестве единственного «строительного материала» атомов, но эти перечисленные модели, безусловно, сыграли роль в подготовке будущей планетарной модели атома. Почти каждая из них в той или иной форме содержала элементы действительности.
Появление резерфордовской модели стало возможным благодаря подключению исследований радиоактивности, причем не столько само явление, сколько изучение действия частиц, испускаемых в ходе радиоактивного распада, на вещества. Именно анализ рассеивания частиц различными материалами позволил Э. Резерфорду в 1911 году высказать идею о существовании в атоме массивного заряженного тела - ядра (сам термин «ядро» был введен Резерфордом в 1912 году).
Применив к резерфордовской модели квантовую теорию, Н. Бор (1913 г.) устранил противоречие этой модели классической электродинамики. Поэтом именно ядерная модель Резерфорда в интерпретации Бора стала основным понятием новой атомистики.
На протяжении почти двух десятилетий господствовала протонно-электронная модель ядра. Неверная по своей сути, она, тем не менее, ни чуть не мешала широкому распространению и использованию классической атомной модели целиком. Но только после открытия Дж. Чедвиком в 1932 г. нейтрона возникли современные представления о протоно-нейтронной модели ядра.
Итак, следствием фундаментальных физических открытий конца XIX века оказалась разработка структуры атома в целом. «Бесструктурный» атом уступил место новому атому как сложной системе частиц.
После того как нейтрон был признан и нашел свое место как протон, лишенный своего положительного заряда, было обнаружено, что он представляет собой центральную фигуру в структуре ядра. Очень скоро после этого К. Андерсон открыл другую элементарную частицу - положительный электрон. Позитрон обеспечил необходимую симметрию между положительным и отрицательным во взаимоотношениях частиц. Оказалось, что взаимоотношения нейтрона и протона отнюдь не являются простыми. И если раньше полагалось, что ядро состоит из протонов и электронов, то теперь было обнаружено, что значительно правильнее будет сказать, что оно состоит из протонов и нейтронов, связанных вместе мощными силами, которые Юкава приписал в 1935 году гипотетической промежуточной частице - мезону. Здесь мы видим пример элементарной частицы, которая сначала была предсказана теоретически, а затем, в 1936 году, фактически наблюдалась К. Андерсоном и Неддермейером.
Действие нейтронов на различные ядра было изучено за короткий промежуток времени в 6 лет, с 1932 по 1938 год. То были годы, когда наука вообще и физика в особенности все больше чувствовала на себе влияние событий, приводящих ко второй мировой войне.
Решающее открытие принадлежало Жолио Кюри, который нашел, что почти все атомы, подвергнутые бомбардировке нейтронами, сами становятся радиоактивными. Логическое следствие этого открытия было огромным. Знание атомных превращений могло быть использовано для объяснения того, каким образом возникли элементы.
Этой концепцией воспользовались Гамов и Бете для выявления источника солнечной энергии. Таким источником является соединение четырех атомов водорода, в результате чего образуется один атом гелия. Было уже совершенно очевидно, что источником большей части энергии Вселенной служат ядерные процессы. В 1936 году Ферми подверг бомбардировке нейтронами тяжелые элементы и заявил, что получил ряд элементов с большим весом, чем у любых других элементов, найденных в природе.
Вплоть до 1937 года все имевшие место радиоактивные изменения заключались в том, что маленькие частицы либо присоединялись к ядру, либо выбрасывались из него. Наиболее крупным из выброшенных осколков была частица, содержащая два протона и два нейтрона. Однако в 1937 году Ган и Штрассман нашли, что некоторые из продуктов, полученных в результате облучения урана нейтронами, имели в общем массу, составляющую чуть ли не половину массы атома урана. Было ясно, что имеет место деление ядра.
Тяжелые ядра могут содержать значительно большее число нейтронов по отношению к числу протонов, чем легкие ядра. Когда атом урана расщепляется, он по необходимости освобождал несколько нейтронов. Ну а стоило только понять это (что произошло в 1938 году, главным образом благодаря работам Жолио Кюри), как возможность массовых превращений атомов стала реальностью. Здесь мы имеем цепную реакцию, или своего рода явление лавинообразного нарастания. Если дать этому процессу возможность продолжаться бесконечно, то получится взрыв; если управлять им, то результатом его явится вырабатывающий энергию ядерный реактор.
То, каким образом создавалась, испытывалась и была использована атомная бомба, составляет часть мировой истории, а не просто истории науки. Военные и политические последствия создания ядерного оружия и контролируемого производства атомной энергии огромны. Здесь достаточно отметить, что в техническом отношении производство атомной энергии представляет собой новый крупный скачок вперед в установлении господства человека над силами природы.
Ядерная энергия может получаться не только путем деления ядра атома, но и путем синтеза или, другими словами, для получения такой энергии необходимо изготавливать медленно горящие водородные бомбы. Соответствующие исследования были начаты в СССР И.В. Курчатовым и продолжены его учениками. В Институте ядерной энергии им. И.В. Курчатова под руководством Л.А. Арцимовича были разработаны установки типа токамак. Название «токамак» произошло от сокращения слов «тороидальная камера с магнитным полем». Создателям этих установок пришлось решать очень трудные задачи. Прежде всего нужно разогреть дейтерий-тритиевую плазму до температуры порядка 100 млн градусов и длительно удерживать ее в этом состоянии.
В установке токамак нагревание плазмы до столь высокой температуры достигается за счет протекания через плазму электрического тока очень большой силы - порядка сотен тысяч ампер. Вследствие электрического сопротивления плазмы образуется «джоулево» тепло, за счет которого происходит нагрев плазмы.
Еще более сложной задачей является сохранение (удержание) плазмы. Не может быть и речи, конечно, о соприкосновении плазмы со стенкой - на свете нет такого материала, который бы остался цел (не испарился) после соприкосновения. В токамаках удержание плазмы производится с помощью магнитного поля, так как плазму составляют частицы, имеющие электрический заряд, - ядра атомов и электроны.
После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 году нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц. В том числе: позитрон, о котором мы уже упоминали как об античастице электрона; мезоны - нестабильные микрочастицы; различного рода гипероны - нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10"22-10"24 с); нейтрино - стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино - античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.
В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление - взаимодействие. Различают четыре вида взаимодействия.
Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия около 10~18 см) связывает между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.
Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаимодействующие частицы имеют электрические заряды; проявляется в химических связях, силах упругости, трения.
Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10~15 см), в котором участвуют все элементарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтрино с веществом.
Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространяется на все виды материи; имеет решающее значение, когда речь идет об очень больших массах.
Элементарные частицы обычно разделяют на следующие классы:
Фотоны - кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.
Лептоны (от греч. leptos - легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают сильным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд - также и в электромагнитном взаимодействии.
Мезоны - сильно взаимодействующие нестабильные, как уже говорилось, частицы.
Барионы (от греч. berys - тяжелый), в состав которых входят нуклоны, нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона, гипероны, многие из резонансов.
Сначала, особенно когда число известных элементарных частиц ограничивалось электроном, нейтроном и протоном, господствовала точка зрения, что атом состоит из этих элементарных кирпичиков. А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества заключается в том, чтобы разыскивать новые, еще не известные «кирпичики», из которых состоит атом, и в определении того, не являются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) самыми сложными частицами, построенными из еще более тонких «кирпичиков».
При таком подходе к делу было логичным считать элементарными только те частицы, которые не могут быть разделены на более мелкие или которые мы пока не можем разделить. Смотря так на структуру материи, молекулу и атом нельзя было считать элементарными частицами, так как молекула состоит из атомов, а атомы - из электронов, протонов и нейтронов.
Однако действительная картина строения вещества оказалась еще более сложной, чем можно было предполагать. Оказалось, что элементарные частицы могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а некоторые появляются. Нестабильные микрочастицы распадаются на другие, более стабильные, но это вовсе не значит, что первые состоят из вторых. Поэтому в настоящее время под элементарными частицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из которых можно построить все, что нам известно в природе.
Приблизительно в 1963-1964 годах появилась гипотеза о существовании кварков - частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействующими и по этому свойству объединенными общим названием адронов. Кварки имеют весьма необычные свойства: они обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно какой-либо микрочастице, и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигает уже нескольких десятков.
В заключение необходимо сказать о большом значении для изучения микроструктуры вещества ускорителей заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер), используемых для получения частиц высоких энергий, с помощью которых удается проследить процессы, происходящие с элементарными частицами. Ускоряемые частицы движутся в вакуумной камере, а управление их движением производится чаще всего с помощью магнитного поля.
Основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следующим образом:
Атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического элемента.
У каждого элемента существуют разновидности атомов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированные).
Атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакций).
Перечисленные три положения современной атомистики практически охватывают основное ее содержание.
Надо отметить, что привычное понятие «атом», вообще говоря, выглядит анахронизмом, ибо представление об его «неизменности», «неделимости» уже давно опровергнуто. Делимость атома есть твердо установленный факт, и она определяется не только тем, что атом может быть «разъят» на составные части - ядро и электронное окружение, но и тем, что индивидуальность атома претерпевает изменение результатов разнообразных ядерных процессов.
Лежали успехи матема-тики, служившей интегрирующим фактором для всей системы научного знания. Впечатляющих успехов на протяжении XIX — на-чала XX в. добилась физика . Английский физик-самоучка М. Фара-дей (1791-1867), считающийся одним из наиболее изобретатель-ных умов нового времени, стал основоположником учения об элек-тромагнитном поле. Соотечественник Фарадея Дж. К. Максвелл (1831-1879) перевёл его идеи на общепринятый математический язык. В 1871 г. он основал в Кембридже первую в Великобритании физическую лабораторию. Открытия, сделанные Максвеллом, лег-ли в основу современной физики. Своими научно-популярными ра-ботами Максвелл раскрыл значение электричества для широкой публики. По мнению великого физика А. Эйнштейна, произведён-ный Максвеллом переворот в понятиях о физической реальности «является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые ис-пытала физика со времён Ньютона».
Третьим знаменитым учёным, который наряду с Фарадеем и Максвеллом осуществил «великий перелом» в физике, считается германский физик Г.-Р. Герц (1857-1894). Теоретические открытия своих предшественников он подтвердил экспериментально, пока-зав полную взаимосвязь между электрическими и магнитными явле-ниями. Работы Герца сыграли огромную роль в развитии науки и техники, способствуя появлению беспроволочного телеграфа, радиосвязи, радиолокации, телевидения. Германский физик В.-К. Рентген (1845-1923) открыл в 1895 г. не-видимые x-лучи (рентгеновское излучение). Рентген стал первым физиком, удостоенным Нобелевской премии.
Присуждение Нобелевских премий за наиболее выдаю-щиеся работы в области физики, химии, физиологии и ме-дицины началось с 1901 г. Их учредителем был А. Б. Нобель, шведский химик (изобретатель динамита) и промышленник, который завещал своё состояние для организации специ-ального фонда, из которого до сих пор выплачиваются пре-мии за научные открытия, произведения литературы, а так-же за деятельность по укреплению мира.
Англичанин А. Беккерель открыл в 1896 г. явление радиоактивности, важнейший вклад в дальнейшее ис-следование которого внесли французский физик Пьер Кюри (1859-1906) и его жена Мария Склодовская-Кюри (1867-1934). Они открыли первые радиоактивные эле-менты — полоний (назван в честь Польши — родины М. Кюри) и ра-дий. В 1903 г. все трое были удостоены Нобелевской премии. М. Кю-ри стала в 1906 г. первой женщиной-профессором Парижского уни-верситета; в 1911 г. она стала первым в мире учёным, получившим Нобелевскую премию в области химии. Материал с сайта
 |
| Мария и Пьер Кюри |
 |
| А. Эйнштейн |
В начале XX в. свои первые открытия сделал Э. Резерфорд (1871-1937). В ходе своих исследований он открыл сложное строе-ние атома и заложил основы учения о радиоактивности. В 1911 г. Резерфорд предложил первую электронную модель атома. Герман-ский физик М. Планк (1858-1947) в 1900 г. выяснил, что световая энергия передаётся не путём непрерывного излучения, а отдельны-ми порциями, которые получили название кванты. Введение этой величины положило начало эпохе новой, квантовой , физики . Дат-ский физик Н. Бор (1885-1962) применил идею квантовой энергии Планка к изучению атомного ядра. В 1913 г. он предложил свою мо-дель атома, положив начало квантовой атомной теории. Его иссле-дования внесли большой вклад в изучение ядерных реакций.
Важнейший этап в развитии физики и естествознания в целом связан с деятельностью Альберта Эйнштейна (1879-1955). В 1905 г. появилась его первая статья с изложением специальной теория от-носительности. После переезда в Берлин Эйнштейн завершил соз-дание общей теории относительности и продвинул вперед кванто-вую теорию излучения.
В ходе своего развития физика больше, чем любая другая наука, показала относительность всех устоявшихся прежде понятий класси-ческой науки и несостоятельность представлений об абсолютной до-стоверности научных знаний.
На этой странице материал по темам: