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).

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 стал первооткрывателем в Солнечной системе 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 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 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. обосновал закон сохранения энергии, Джеймс Клерк Максвелл предложил собственную электромагнитную теорию. 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, 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 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.

Введение

Общая характеристика научных открытий ХХ века

Самые громкие научные открытия ХХ века по физике

Значение физики в современном мире

Заключение

Список использованной литературы

Персоналии

Введение

Актуальность темы исследования обусловлена тем, что в начале ХХ столетия люди еще не были готовы принять некоторые изобретения, которые уже могли войти в мир науки, но, к сожалению, им судилось выйти в мир только спустя несколько десятилетий. В ХХ столетии было делано много научных открытий, даже, пожалуй, больше чем за се предыдущее время. Знания человечества с каждым годом неуклонно растет, причем ели тенденция развития сохранится то даже невозможно представить, то нас еще ожидает.

В ХХ столетии основные открытия были осуществлены в основном двух сферах: биологии и физике.

Цель исследуемой работы заключается в исследовании основных научных открытий по физике в ХХ веке.

Для детального изучения данной цели мы выделяем следующие задачи для раскрытия темы:

-дать общую характеристику научных открытий ХХ века;

рассмотреть самые громкие научные открытия ХХ века по физике;

выявить значение физики в современном мире;

сделать выводы.

Структура работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, перечней терминов и персоналий.

1. Общая характеристика научных открытий ХХ века

Одним из самых главных открытий в этой области стало открытие известного физика Макса Планка. Он открыл неравномерно излучение энергии. На основе этого открытия Эйнштейн в 1905 году начал развивать важнейшую теорию фотоэффекта. Далее была предложена модель строения атома, по которой предполагалось, что атом построен подобно солнечной системе, где вокруг большого и тяжелого объекта (ядра) крутятся маленькие объекты (атомы). Но на это революционные открытия не закончились, Альберт Эйнштейн в 1916 открыл теорию относительности, которое практически открыло глаза у всех ученых того времени. В результате, которого было практически доказано, что, гравитация - это не воздействие полей и тел, а искривления временного пространства. Она объясняет существование черных дыр, а также их происхождение. 1932 год, Джеймсом Чэдвиком было доказано, существование нейтронов. И хотя это открытие привело к взрыву бомб в Японии Нагасаки и Хиросиме, оно также помогло развивать мирный атом, который сейчас активно используется в АЭС. К примеру, в Германии более 70% электроэнергии вырабатывается атомными станциями, в мире этот показатель равен примерно 20%. 1947 год, 16 декабря ученые Браттейн, Бардин, Шокли открыли материал - полупроводник, а также его свойства, которые, сейчас применяются во всех электронных устройствах. Таким образом, был открыт транзистор, его изобретение помогло развивать микросхемы, позволяющие, по сути, программировать электронные системы.

Вместе с тем, ДНК - и хотя оно было открыто еще в 1869 году, биологом Мишером, он и не предполагал, что в нем хранятся все данные о существе. Кроме этого ДНК имеется во всех живых существах (начиная от растений и заканчивая любым животным). А уже Розалин Франклин открыл строение молекулы ДНК, которая выглядела как спиральная лестница. Также были открыты гены, которые обозначали будущий вид, и особенности каждого человека и существа в целом.

Не смотря на улучшение нашей жизни с каждым годом он становится опаснее, из-за того что человечество перестало думать о безопасности, а надеется лишь на материальные блага происходят различные катаклизмы, вот даже атомные: Чернобыль, Фукусима. Эти события заставили Японию принять решение отказаться от атомной энергии в течение 7-8 лет.

2. Самые громкие научные открытия ХХ века по физике

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

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

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

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

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

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

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

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

Через несколько месяцев после опубликования теории относительности Эйнштейн сделал следующее великое открытие: самое известное уравнение всех времен.=mc2 Вероятно, это самая известная в мире формула. В теории относительности Эйнштейн доказал, что при достижении скорости света условия для тела меняются невообразимым образом: время замедляется, пространство сокращается, а масса растет. Чем выше скорость, тем больше масса тела. Только подумайте, энергия движения делает вас тяжелее. Масса зависит от скорости и энергии. Эйнштейн представил себе, как фонарик испускает луч света. Точно известно, сколько энергии выходит из фонарика. При этом он показал, что фонарик стал легче, т.е. он стал легче, когда начал испускать свет. Значит E - энергия фонарика зависит от m - массы в пропорции, равной c2. Все просто.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 называется сверхпроводимостью.

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

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

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

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

Кварк. Данное открытие - это поиск мельчайших частиц материи во Вселенной.

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

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

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

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

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

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

После открытий Исаака Ньютона и Майкла Фарадея ученые считали, что у природы две основные силы: гравитация и электромагнетизм. Но в ХХ 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.

Волновые свойства электронов. Когда в 1911 Бор и Резерфорд предложили модель атома, которая была очень похожая на Солнечную систему, казалось, что мы познали все тайны материи. Ведь на ее основе, учитывая дополнения Эйнштейна и Планка о природе света, ученые смогли рассчитать спектр атома водорода. Однако уже с атомом гелия возникли трудности. Теоретические расчеты значительно расходились с экспериментальными данными.

Немецкий физик Гейзенберг установил, что нельзя одновременно определить местонахождение и скорость электронов. Чем точнее мы определяем скорость электрона, тем неопределеннее становится его местоположение. Это соотношение было названо «принцип неопределенности Гейзенберга». Однако на этом странности электронов не закончились. В двадцатых годах физики уже знали, что свет обладает свойствами, как волны, так и частицы. Поэтому французский ученый де Бройль в 1923 году предположил, что подобными свойствами могут обладать и другие элементарные частицы, в частности электроны. Ему удалось поставить ряд опытов, которые подтвердили волновые свойства электрона.

Деление атома. Тридцатые годы прошлого века можно назвать радиоактивными. Все началось в 1920 году, когда Эрнест Резерфорд высказал гипотезу о том, что позитивно заряженные протоны удерживаются в ядре атома благодаря неким частицам имеющим нейтральный заряд. Резерфорд предложил назвать эти частицы нейтронами.

Это предположение было забыто физиками на долгие годы. О нем вспомнили только в 1930 году, когда немецкие физики Боте и Беккер заметили, что при облучении бора или бериллия альфа-частицами возникает необычное излучение.

января 1932 года Фредерик и Ирен Жолио-Кюри направили излучение Боте-Беккера на тяжелые атомы. Как оказалось, под воздействием этого излучения атомы стали радиоактивными. Таким образом была открыта искусственная радиоактивность. Джеймс Чедвик повторил опыты супругов Жолио-Кюри и выяснил, что во всем виноваты некие нейтрально заряженные частицы, с массой близкой к протону. Электрическая нейтральность позволяет этим частицам беспрепятственно проникать в ядро атома и дестабилизировать его. Это открытие позволило создать как мирные АЭС, так и самое разрушительное оружие - ядерную бомбу.

Полупроводники и транзисторы. 16 декабря 1947 года инженеры американской компании АТ&Т Веll Laboratories Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн смогли при помощи малого тока управлять большим током. В этот день был изобретен транзистор - маленький прибор, состоящий из двух направленных навстречу друг другу двух p-n переходов.

Это позволило создать прибор, который мог управлять током. Транзистор пришел на смену электронных ламп, что позволило значительно сократить как вес аппаратуры, так и потребляемую приборами электроэнергию. Он открыл дорогу в жизнь логическим микросхемам, что привело к созданию в 1971 году первого микропроцессора. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило создать современные процессоры для компьютеров.

Освоение космоса. 4 октября 1957 года Советский Союз запустил первый в мире искусственный спутник Земли. И пусть он был совсем небольшим и практически не имел научной аппаратуры на борту, именно с этого момента человечество вступило в космическую эру. Не прошло и четырех лет, как 12 апреля 1961 года в космос полетел человек. И опять Советскому Союзу удалось опередить США и раньше всех отправить на орбиту вокруг нашей планеты первого космонавта - Юрия Гагарина. Это событие подхлестнуло научно-технический прогресс. Две великие державы начали гонку по освоению космоса. Следующей целью была высадка человека на Луну. Чтобы осуществить этот проект, понадобилось совершить множество изобретений. Здесь уже праздновали победу конструкторы США.

Сначала космос был лишь затратным проектом, отдача от которого была крайне малой. Однако постепенное освоение космоса позволило человечеству создать системы, без которых уже не мыслима наша жизнь. Особые успехи были достигнуты в области предсказания погоды, геологоразведки, связи и позиционирования на поверхности планеты. Это позволило сделать запуски космических спутников коммерчески выгодными.

Углеродные нанотрубки. В 1985 году исследователи Роберт Керл, Хит ОБрайен, Гарольд Крото и Ричард Смолли изучали масс-спектры паров графита, образованные под воздействием лазера. Так были открыты новые вариации углерода получившие название «фуллерен» (в честь инженера Бакминстера Фуллера) и «регбен» (поскольку его молекула напоминает мяч для игры в регби).

Эти уникальные образования имеют целый ряд полезных физических свойств, поэтому их широко применяют в различных приборах. Однако не это самое главное. Ученые разработали технологию получения из этих вариаций углерода нанотрубок - скрученных и сшитых слоев графита. Уже получены нанотрубки длиной в 1 сантиметр и диаметром в 5-7 нанометров! При этом такие нанотрубки имеют самые различные физические свойства - от полупроводниковых до металлических.

На их основе получены новые материалы для дисплеев и оптоволоконной связи. Кроме того, в медицине нанотрубки используются для доставки биологически активных веществ в нужное место организма. На их основе разработаны топливные элементы и сверхчувствительные датчики химических веществ, а также много других полезных девайсов.

Таким образом, говоря о роли физики, выделим три основных момента. Во-первых, физика является для человека важнейшим источником знаний об окружающем мире. Во-вторых, физика, непрерывно расширяя и многократно умножая возможности человека, обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса. В-третьих, физика вносит существенный вклад в развитие духовного облика человека, формирует его мировоззрение, учит ориентироваться в шкале культурных ценностей. Поэтому будем говорить соответственно о научном, техническом и гуманитарном потенциалах физики.

Эти три потенциала содержались в физике всегда. Но особенно ярко и весомо они проявились в физике XX столетия, что и предопределило ту исключительно важную роль, какую стала играть физика в современном мире.

Физика как важнейший источник знаний об окружающем мире. Как известно, физика исследует наиболее общие свойства и формы движения материи. Она ищет ответы на вопросы: как устроен окружающий мир; каким законам подчиняются происходящие в нем явления и процессы? Стремясь познать «первоначала вещей» и «первопричины явлений», физика в процессе своего развития сформировала сначала механическую картину мира (XVIIІ - XIX вв.), затем электромагнитную картину (вторая половина XIX - начало XX в.) и, наконец, современную физическую картину мира (середина XX в.).

3. Значение физики в современном мире

Последние десятилетия бедны на открытия, как никогда еще в истории человечества. Практически ни в одной области знаний не появилось ничего принципиально нового, лишь продолжение уже сделанного, логические следствия из старых открытий. Ну и, разумеется, новые технологии, базирующиеся, опять же, на все тех же известных уже фактах. Высокая физика взяла отпуск, а большинство ученых занимается прикладными проблемами.

На заре возникновения наук физика являлась частью философии и была наукой не столько «точной», как это принято теперь называть, сколько описательной. Не существовало «точного» языка, который мог бы привести физику к какому-либо единому знаменателю, сделать ее менее умозрительной. То есть не существовало соответствующей физическим теориям математики.

Тем не менее, отсутствие математики не помешало созданию атомистической теории Левкиппа-Демокрита, не явилось препятствием для Лукреция, который смог эту теорию подробно и вполне доступно изложить. А ведь, согласно дошедшим до нас сведениям, Демокрит отнюдь не был учеником знаменитых в то время философов и материалистов. Напротив, его обучением занимались маги и халдеи. И изучал он не сколько будет дважды два, а теорию левитации, чтение мыслей на расстоянии, телепортацию и прочие совершенно невероятные вещи, которые современная традиционная наука практически полностью отметает как несуществующие, сказочные фантазии. И все же именно эти «фантазии» позволили создать одну из самых материалистических теорий. Казалось бы - невероятно! Но, как видите, не просто возможно, а состоявшийся факт. Современная физика, как наука фундаментальная, находится в состоянии глубокого кризиса. Это стало известно отнюдь не сегодня. Чуть не с начала ХХ столетия многие ученые пытались обратить внимание на простой факт: физика зашла в тупик, математический аппарат, который являлся изначально языком физики, стал настолько громоздок, что не столько описывает физические явления, сколько маскирует их сущность. Более того, этот математический аппарат безнадежно устарел и отстал, с его помощью невозможно описать, а уж тем более объяснить многие наблюдаемые явления, результаты и суть проводимых экспериментов и так далее.

Как вообще появляется и эволюционирует язык? Если рассматривать упрощенно, то возникновение языка - следствие усложняемости быта и увеличения количества знаний. На заре цивилизации аудиальное общение являлось лишь дополняющим, вполне можно было обойтись языком жестов и телодвижений. Но объем информации постоянно увеличивался, и для ее описания, передачи с помощью языка жестов приходилось тратить слишком много времени, а точность передачи оставляла желать лучшего (представьте на мгновение, как может, например, инвалид, погрызенный на охоте саблезубым тигром, объяснить новые принципы устройства ловушек - его будет весьма затруднительно понять, ведь он ограничен в возможностях жестикуляции). Зато аудиальная передача информации не имела подобных минусов и стала широко распространяться. Каждому предмету начал соответствовать определенный символ-слово.

Если бы человечество остановилось на языке жестов, то, скорее всего, какой-то относительно цивилизованный быт можно было бы наладить, а вот о развитии науки пришлось бы забыть. Подумайте - как можно выразить с помощью жестов понятие кибернетики, как объяснить, что такое компьютер? Опять же, развитие науки и техники требует соответствующей языковой эволюции. Представьте, что слово «компьютер» не появилось, да и никакого другого его заменителя. Как приходилось бы объяснять, о чем идет речь? «Электронное устройство, умеющее считать и решать логические задачи, оснащенное прямоугольным экраном и набором клавиш»? Согласитесь, это не только звучит дико, но еще и крайне неудобно для пользователя. Если бы каждый раз, говоря о компьютере, приходилось описывать его таким громоздким набором символов, то о всяком развитии в кибернетике пришлось бы забыть.

Но именно эта ситуация сложилась в физике, язык которой - математика - отстал и не в состоянии уже описывать наблюдаемые явления. Громоздкие и неудобоваримые формулы напоминают вышеприведенное описание компьютера: они так же «удобны» для работы и столь же «полно» описывают предмет, символом которого являются.

В результате остается либо отложить в сторону попытки дальнейшего познания мира - до тех пор, пока математика не начнет справляться с возложенной на нее… нет, не задачей, миссией; либо воспользоваться методом Демокрита и описывать явления, минимально пользуясь математикой.

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод, что ещё в начале ХХ столетия люди не могли себе даже представить, что такое автомобиль, телевизор или компьютер. Научные открытия в ХХ веке оказали существенное влияние на всё человечество. В ХХ веке было сделано больше научных открытий, чем за все предыдущие столетия. Знания человечества стремительно растут, поэтому можно с уверенностью сказать, что если такая тенденция сохранится, то в 21 веке будет совершено ещё больше научных открытий, что может в корне изменить жизнь человека.

Вместе с тем, нет необходимости доказывать, что современное миропонимание - важный компонент человеческой культуры. Каждый культурный человек должен хотя бы в общих чертax представлять, как устроен мир, в котором он живет. Это необходимо не только для общего развития. Любовь к природе предполагает уважение к происходящим в ней процессам, а для этого надо понимать, по каким законам они совершаются. Мы имеем много поучительных примеров, когда природа наказывала нас за наше невежество; пора научиться извлекать из этого уроки. Нельзя также сбывать, что именно знание законов природы есть эффективное оружие борьбы с мистическими представлениями, есть фундамент атеистического воспитания.

Современная физика вносит существенный вклад в выработку нового стиля мышления, который можно назвать планетарным мышлением. Она обращается к проблемам, имеющим большое значение для всех стран и народов. Сюда относятся, например, проблемы солнечно-земных связей, касающиеся воздействия солнечных излучений на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли; прогнозы физической картины мира после ядерной катастрофы, если таковая разразится; глобальные экологические проблемы, связанные с загрязнением Мирового океана и земной атмосферы.

В заключение отметим, что, воздействуя на самый характер мышления, помогая ориентироваться в шкале жизненных ценностей, физика способствует, в конечном счете, выработке адекватного отношения к окружающему миру и, в частности, активной жизненной позиции. Любому человеку важно знать, что мир в принципе познаваем, что случайность не всегда вредна, что нужно и можно ориентироваться и работать в мире, насыщенном случайностями, что в этом изменяющемся мире есть тем не менее «опорные точки», инварианты (что бы ни менялось, а энергия сохраняется), что по мере углубления знаний картина неизбежно усложняется, становится диалектичнее, так что вчерашние «перегородки» более не годятся.

Мы убеждаемся, таким образом, что современная физика действительно содержит в себе мощный гуманитарный потенциал. Можно не считать слишком большим преувеличением слова американского физика И. Раби: «Физика составляет сердцевину гуманитарного образования нашего времени».

физика научное открытие

Список использованной литературы

1.Анкин Д.В. Актуальные проблемы теории познания. Екатеринбург: Уральский ун-т, 2013 - 69 с.

2.Батурин ВК. Основы теории познания и современная философия науки: монография. Одинцово: Одинцовский гуманитарный ин-т, 2010 - 244 с.

.Илларионов С.В. Теория познания и философия науки / С. В. Илларионов. Москва: РОССПЭН, 2007 - 535 с.

.Куликова О.Б. Философия познания: анализ основных проблем. Общая характеристика методов научного познания: Иваново: Ивановский гос. энергетический ун-т им. В.И. Ленина, 2009 - 91 с.

.Курашов В.И. Теоретическая и практическая философия в кратчайшем изложении. Москва: Университет. Книжный дом, 2007 - 131 с.

.Мотрошилова Н.В. Отечественная философия 50-80-х годов XX века и западная мысль. Москва: Акад. проект, 2012 - 375 с.

.Орлов В.В. История человеческого интеллекта. Пермь: Пермский гос. ун-т, 2007 - 187 с.

.Старостин А.М. Социально-гуманитарное познание в контексте философской инноватики. Ростов-на-Дону: Дониздат, 2013- 512 с.

.Тетюев Л.И. Теоретическая философия: проблема познания: Современные дискуссии вокруг теории познания. Саратов: Наука, 2010 - 109 с.

10.Щедрина Т.Г. Философия познания. Москва: РОССПЭН, 2010 - 663 с.

Термины

1.АБСОЛЮТНО ЧЁРНОЕ ТЕЛО - это модель тела, полностью поглощающего любое падающее на его поверхность электромагнитное излучение. Наиболее близким приближением к абсолютно черному телу является устройство, состоящее из замкнутой полости с отверстием, размеры которого малы по сравнению с размерами самой полости.

2.АДАТОМ - атом на поверхности кристалла.

.АДИАБАТИЧЕСКОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ - приближение в теории твёрдого тела, при котором движение остовов ионов кристаллической решётки рассматривается в качестве возмущения.

.АКЦЕПТОР - примесь в полупроводниковом материале, которая захватывает свободный электрон.

.АЛЬФА-ЧАСТИЦА (α-частица) - ядро атома гелия. Содержит два протона и два нейтрона. Испусканием α-частиц сопровождается одно из радиоактивных превращений (альфа-распад ядер) некоторых химических элементов.

.АННИГИЛЯЦИЯ - это один из видов взаимопревращений элементарных частиц, в котором частица и соответствующая ей античастица превращаются в электромагнитное излучение.

.АНТИЧАСТИЦЫ - это элементарные частицы, отличающиеся от соответствующих им частиц знаком электрического, барионного и лептонного зарядов, а также некоторых других характеристик.

.БАРИОННЫЙ ЗАРЯД (барионное число) (b) - характеристика элементарных частиц, равная +1 для барионов, -1 для антибарионов и 0 для всех остальных частиц.

.БЕТА-ЧАСТИЦА - испускаемый при бета-распаде электрон. Поток бета-частиц является одним из видов радиоактивных излучений с проникающей способностью, большей, чем у альфа-частиц, но меньшей, чем у гамма-излучения.

10.ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА - зона валентных электронов, при нулевой температуре в собственном полупроводнике полностью заполнена.

11.ВОДОРОДОПОДОБНЫЕ АТОМЫ - ионы, состоящие, подобно атому водорода, из ядра и одного электрона. К ним относятся ионы элементов с атомным номером Z больше или равным 2, потерявшие все электроны, кроме одного: He+, Li2+ и т. д.

.ВОЗБУЖДЁННОЕ СОСТОЯНИЕ квантовой системы (атома, молекулы, атомного ядра и т. д.) - неустойчивое состояние с энергией, превышающей энергию основного (нулевого) состояния.

.ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА - зависимость тока от напряжения. Основная характеристика для любого полупроводникового прибора.

.ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (индуцированное излучение) - это электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомами или молекулами под действием внешнего излучения такой же частоты. Испущенное вынужденное излучение совпадает с вынуждающим не только по частоте, но и по направлению распространения, поляризации и фазе, ничем от него не отличаясь.

.ГАЛЛИЙ - элемент пятой группы периодической системы элементов.

.ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ - эффекты связанные с действием магнитного поля на электрические (гальванические) свойства твердотельных проводников.

.ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ (гамма-кванты) - коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны меньше 2×10-10 м.

.ГИПЕРОНЫ - это элементарные частицы, относящиеся к классу барионов наряду с нуклонами (протон, нейтрон). Гипероны более массивны, чем нуклоны, и имеют отличную от нуля характеристику элементарных частиц, называемую странностью.

.ГЛАВНОЕ КВАНТОВОЕ ЧИСЛО (n) - это целое число, определяющее возможные значения энергии стационарных состояний атомов водорода и водородоподобных атомов.

.ДВУМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ - электронный газ, который находится в потенциальной яме, ограничивающей движение по одной из координат.

.ДЕЙТЕРИЙ - тяжелый стабильный изотоп водорода с массовым числом 2. Содержание в природном водороде 0,156% (по массе).

.ДЕЙТРОН - это ядро атома дейтерия. Состоит из одного протона и одного нейтрона.

.ДЕФЕКТ МАССЫ - это разность между суммой масс частиц (тел), образующих связанную систему, и массой всей этой системы.

.ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛА - любое нарушение периодичности кристалла.

.ДИВАКАНСИЯ - конгломерат дефектов кристалла, состоящий из двух вакансий.

.ДИОД - полупроводниковый прибор с двумя электродами.

.ДИСЛОКАЦИЯ - линейный дефект в кристалле.

.ДИСЛОКАЦИЯ НЕСООТВЕТСТВИЯ - один из типов линейных дефектов в кристалле, когда дополнительная полуплоскость вставлена в кристаллическую решётку.

.ДОЗА ИЗЛУЧЕНИЯ - это физическая величина, являющаяся мерой радиационного воздействия на живые организмы радиоактивных излучений или частиц высокой энергии. Различают поглощенную дозу излучения, эквивалентную дозу и экспозиционную дозу.

.ДОНОР - тип легирующих примесей, поставляющих свободные электроны.

.ДЫРКА - квазичастица в твёрдом теле с положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона.

.ДЫРОЧНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ - в полупроводнике с p-типом проводимости основные носители заряда дают основной вклад в проводимость.

.ДЫРОЧНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК - полупроводник с p-типом проводимости, основные носители тока - дырки.

.ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА - количество нераспавшихся радиоактивных ядер в любом образце уменьшается вдвое через каждый интервал времени, называемый периодом полураспада.

.ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ ВИНА - при повышении температуры максимум энергии в спектре излучения абсолютно черного тела смещается в сторону более коротких волн и притом так, что произведение длины волны, на которую приходится максимум энергии излучения, и абсолютной температуры тела равно постоянной величине.

.ЗАКОН СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА - энергия, излучаемая за одну секунду единицей площади поверхности абсолютно черного тела, прямо пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

.ЗАТВОР - управляющий электрод в полевом транзисторе.

.ЗОНА - термин зонной теории, обозначающий область разрешённых значений энергии, которые могут принимать электроны или дырки.

.ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЁРДЫХ ТЕЛ - одноэлектронная теория для периодического потенциала, объясняющая многие электрофизические свойства полупроводников. Использует адиабатическое приближение.

.ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ - рекомбинация с испусканием одного или нескольких фотонов при гибели электрон-дырочной пары; источник излучения в светодиодах и лазерных диодах.

.ИЗОТОПЫ - это разновидности данного химического элемента, различающиеся массовым числом своих ядер. Ядра изотопов одного элемента содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Имея одинаковое строение электронных оболочек, изотопы обладают практически одинаковыми химическими свойствами. Однако по физическим свойствам изотопы могут различаться весьма резко.

.ИНЖЕКЦИЯ - явление, приводящее к появлению неравновесных носителей в полупроводнике при пропускании электрического тока через p-n-переход или гетеропереход.

.ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул. Это рентгеновское излучение и γ-излучение, потоки β-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и т. д. Видимое и ультрафиолетовое излучения не относят к ионизирующим излучениям.

.ИСТОК - термин, обозначающий один из контактов в полевом транзисторе.

.КВАНТ СВЕТА (фотон) - порция энергии электромагнитного излучения, элементарная частица, являющаяся порцией электромагнитного излучения, переносчик электромагнитного взаимодействия.

.КВАРКИ - это точечные, бесструктурные образования, относящиеся к истинно элементарным частицам, которые были введены для систематизации многочисленных (более сотни) элементарных частиц, открытых в XX веке (электрон, протон, нейтрон и т.д.). Характерной особенностью кварков, не встречающейся у других частиц, является дробный электрический заряд, кратный 1/3 элементарного. Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели.

.КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ - это универсальное свойство природы, заключающееся в том, что в поведении микрообъектов проявляются и корпускулярные, и волновые черты.

.КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМНОЖЕНИЯ НЕЙТРОНОВ - это характеристика цепного процесса распада радиоактивных ядер, равная отношению числа нейтронов в каком-либо поколении цепной реакции к породившему их числу нейтронов в предыдущем поколении.

.КРАСНАЯ ГРАНИЦА ФОТОЭФФЕКТА - это минимальная частота света ν0 или максимальная длина волны λ0, при которой еще возможен фотоэффект.

.КРЕМНИЙ - полупроводник, основной материал современной полупроводниковой промышленности.

.КРИСТАЛЛ - идеализированная модель твёрдого тела с трансляционной симметрией.

.КРИТИЧЕСКАЯ МАССА - это минимальная масса ядерного топлива, при которой возможна цепная реакция деления ядер.

.ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор) - это источник света, работающий на принципе вынужденного излучения.

.ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ - это оптические спектры, состоящие из отдельных спектральных линий. Линейчатые спектры характерны для излучения нагретых веществ, находящихся в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии.

.ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - это избыточное над тепловым электромагнитное излучение тела (холодное свечение), вызванное либо бомбардировкой вещества электронами (катодолюминесценция), либо пропусканием через вещество электрического тока (электролюминесценция), либо действием какого-либо облучения (фотолюминесценция).

.ЛЮМИНОФОРЫ - это твердые и жидкие вещества, способные излучать свет под действием потоков электронов (катодолюминофоры), ультрафиолетового излучения (фотолюминофоры) и т.п.

.МАССОВОЕ ЧИСЛО - это число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Массовое число равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента. Для массового числа существует закон сохранения, являющийся частным случаем закона сохранения барионного заряда.

.НЕЙТРИНО - это легкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная частица, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Отличительное свойство нейтрино - огромная проникающая способность. Считается, что эти частицы заполняют все космическое пространство со средней плотностью около 300 нейтрино на 1 см3.

.НЕЙТРОН - это электрически нейтральная частица, имеющая массу, в 1839 раз превышающую массу электрона. Свободный нейтрон - нестабильная частица, распадающаяся на протон и электрон. Нейтрон является одним из нуклонов (наряду с протоном) и входит в состав атомного ядра.

.НЕПРЕРЫВНЫЙ СПЕКТР (сплошной спектр) - это спектр, содержащий непрерывную последовательность всех частот (или длин волн) электромагнитных излучений, плавно переходящих друг в друга.

.НУКЛЕОСИНТЕЗ - это последовательность ядерных реакций, ведущая к образованию все более тяжелых атомных ядер из других, более легких.

.НУКЛОНЫ - это общее наименование для протонов и нейтронов - частиц, из которых построены атомные ядра.

.ОПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ - переходы электрона в твёрдом теле между состояниями с различной энергиями с испусканием или поглощением света.

.ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ - это состояние атома, молекулы или какой-либо другой квантовой системы с наименьшим из возможных значений внутренней энергии. В отличие от возбужденных состояний основное состояние является устойчивым.

.ОСНОВНЫЕ НОСИТЕЛИ - тип преобладающих в полупроводнике носителей заряда.

.ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА - это промежуток времени, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. У разных элементов он может принимать значения от многих миллиардов лет до долей секунды.

.ПОЗИТРОН - элементарная частица с положительным зарядом, равным заряду электрона, с массой, равной массе электрона. Она является античастицей по отношению к электрону.

.ПОЛОСАТЫЕ СПЕКТРЫ - это оптические спектры молекул и кристаллов, состоящие из широких спектральных полос, положение которых различно для различных веществ.

.ПОСТУЛАТЫ БОРА - это основные принципы «старой» квантовой теории - теории атома, разработанной в 1913 г. датским физиком Бором.

.ПРОТОН - это положительно заряженная элементарная частица, имеющая массу, превышающую массу электрона в 1836 раз; ядро атома водорода. Протон (наряду с нейтроном) является одним из нуклонов и входит в состав атомных ядер всех химических элементов.

.РАБОТА ВЫХОДА - минимальная работа, которую необходимо совершить для удаления электрона из твердого или жидкого вещества в вакуум. Работа выхода определяется родом вещества и состоянием его поверхности.

.РАДИОАКТИВНОСТЬ - это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы: Всякий самопроизвольный радиоактивный распад экзотермичен, то есть происходит с выделением тепла.

.СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - это одно из четырех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, частным проявлением которого являются ядерные силы.

.СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - это одно из четырех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, частным проявлением которого является бета-распад атомных ядер.

.СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТЕЙ - это фундаментальное соотношение квантовой механики, согласно которому произведение неопределенностей («неточностей») в координате и соответствующей проекции импульса частицы при любой точности их одновременного измерения не может быть меньше величины, равной половине постоянной Планка.

.СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ - это совокупность частот или длин волн, содержащихся в излучении данного вещества.

.СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ - это совокупность частот (или длин волн) электромагнитных излучений, поглощаемых данным веществом.

.СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ - это метод определения химического состава вещества по его спектру.

.СПИН - это собственный момент импульса элементарной частицы. Имеет квантовую природу и (в отличие от момента импульса обычных тел) не связан с движением частицы как целого.

.ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - это электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии испускающего его вещества.

.ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ - это ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (~108 К и выше).

.ТРЕК - это след, оставляемый заряженной частицей в детекторе.

.ТРИТИЙ - это сверхтяжелый радиоактивный изотоп водорода с массовым числом 3. Среднее содержание трития в природных водах - 1 атом на 1018 атомов водорода.

.УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА для фотоэффекта - это уравнение, выражающее связь между энергией участвующего в фотоэффекте фотона, максимальной кинетической энергией вылетевшего из вещества электрона и характеристику металла, на котором наблюдается фотоэффект, - работу выхода для металла.

.ФОТОН - это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения (в узком смысле - света).

.ФОТОЭФФЕКТ (внешний фотоэффект) - это испускание электронов телами под действием света.

.ХИМИЧЕСКИЕ ДЕЙСТВИЯ СВЕТА - это действия света, в результате которых в веществах, поглощающих свет, происходят химические превращения - фотохимические реакции.

.ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ - это самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.

.ЧЁРНАЯ ДЫРА - это область пространства, в которой существует настолько сильное гравитационное поле, что даже свет не может покинуть эту область и уйти в бесконечность.

.ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ - это условное название большой группы микрообъектов, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона - ядра атома водорода).

.ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА - это минимальная энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны.

.ЭФФЕКТ КОМПТОНА - это уменьшение частоты электромагнитного излучения при его рассеянии на свободных электронах.

.ЯДЕРНАЯ (ПЛАНЕТАРНАЯ) МОДЕЛЬ АТОМА - модель строения атома, предложенная английским физиком Резерфордом, согласно которой атом так же пуст, как Солнечная система.

.ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ - это превращения атомных ядер в результате взаимодействия друг с другом или какими-либо элементарными частицами.

.ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ - это мера взаимодействия нуклонов в атомном ядре. Именно эти силы удерживают одноименно заряженные протоны в ядре, не давая им разлететься под действием электрических сил отталкивания.

.ЯДЕРНЫЕ ФОТОЭМУЛЬСИИ - это фотоэмульсии, используемые для регистрации треков заряженных частиц. При исследовании частиц высоких энергий эти фотоэмульсии укладываются в стопки из нескольких сотен слоев.

.ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР - это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер. Главной частью ядерного реактора является активная зона, в которой протекает цепная реакция и происходит выделение ядерной энергии.

100.ЯДРО (атомное) - это положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточено 99,96% его массы. Радиус ядра ~10-15 м, что приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса всего атома, определяемого размерами его электронной оболочки.

Персоналии

1.АБДУС САЛАМ. Вклад в объединённую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе предсказание слабых нейтральных токов.

2.АЙВОР ДЖАЙЕВЕР. Экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках соответственно.

.АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ СТОЛЕТОВ (1839-1896). Александр Григорьевич Столетов родился 10 августа 1839 года в семье небогатого владимирского купца. Его отец, Григорий Михайлович, владел небольшой бакалейной лавкой и мастерской по выделке кож.

.АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН (1879-1955). Его имя часто на слуху в самом обычном просторечии. «Эйнштейном здесь и не пахнет»; «Ничего себе Эйнштейн»; «Да, это точно не Эйнштейн!». В его век, когда доминировала как никогда ранее наука, он стоит особняком, словно некий символ интеллектуальной мощи Иной раз даже как бы возникает мысль" человечество делится на две части - Альберт Эйнштейн и весь остальной мир.

.АЛЬФРЕД КАСТЛЕР. Открытие и разработку оптических методов исследования резонансов Герца в атомах.

.АМЕДЕО АВОГАДРО (1776-1856). В историю физики Авогадро вошел как автор одного из важнейших законов молекулярной физики. Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья э ди Черрето родился 9 августа 1776 года в Турине - столице итальянской провинции Пьемонт в семье служащего судебного ведомства Филиппе Авогадро. Амедео был третьим из восьми детей.

.АНДРЕ МАРИ АМПЕР (1775-1836). Французский ученый Ампер в истории науки известен, главным образом, как основоположник электродинамики. Между тем он был универсальным ученым, имеющим заслуги и в области математики, химии, биологии и даже в лингвистике и философии. Это был блестящий ум, поражавший своими энциклопедическими знаниями всех близко знавших его людей.

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.



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

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

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

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

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

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

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

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

Теория атома Н. Бора

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

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

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

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

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

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

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

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