«Нам необыкновенно повезло, что мы живём в век, когда ещё можно делать открытия. Это как открытие Америки, которую открывают раз и навсегда. Век, в который мы живем, это век открытия основных законов природы, и это время уже никогда не повторится. Это удивительное время, время волнений и восторгов, но этому наступит конец. Конечно, в будущем интересы будут совсем другими. Тогда будут интересоваться взаимосвязями между явлениями разных уровней - биологическими и т. п. или, если речь идет об открытиях, исследованием других планет, но все равно это не будет тем же, что мы делаем сейчас».
Ричард Фейнман, Характер физических законов, М., «Наука», 1987 г., с. 158.
«Теперь я хочу рассказать Вам об искусстве угадывания законов природы. Это действительно искусство. Как же это делается? Для того чтобы попытаться получить ответ на этот вопрос, можно, например, обратиться к истории науки и посмотреть, как это делали другие. Вот поэтому мы и займёмся историей.
Исаака Ньютона называют одним из создателей классической физики. Его открытия объясняют многие явления, причину которых до него не удалось разгадать никому.
Принципы классической механики формировались в течение длительного времени. Многие века учёные пытались создать законы движения материальных тел. И только Ньютон обобщил все накопленные к тому времени знания о движении физических тел с точки зрения классической механики. В 1867 г. им была опубликована работа «Математические начала натуральной философии». В этой работе Ньютон систематизировал все знания о движении и силе, подготовленные до него Галилеем, Гюгенсом и другими учёными, а также знания, известные ему самому. На основе всех этих знаний им были открыты известные законы механики и закон всемирного тяготения. В этих законах устанавливаются количественные зависимости между характером движения тел и силами, действующими на них.
Закон всемирного тяготения
Существует легенда, что к открытию закона тяготения Ньютона подтолкнуло наблюдение падающего с дерева яблока. По крайне мере, об этом упоминает Уильям Стьюкли, биограф Ньютона. Говорят, что ещё в молодости Ньютон задумывался над тем, почему яблоко падает вниз, а не в сторону. Но решить эту задачу ему удалось намного позже. Ньютон установил, что движение всех предметов подчиняется общему закону всемирного тяготения, который действует между всеми телами.
«Все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними».
Яблоко падает на землю под воздействием силы, с которой Земля воздействует на него силой своего гравитационного притяжения. А какое ускорение оно получает, Ньютон объяснил с помощью трёх своих законов.
Первый закон Ньютона
Сам великий Ньютон сформулировал этот закон так: «Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние».
То есть, если тело неподвижно, то оно так и останется в таком состоянии до тех пор, пока на него не начнёт действовать какая-то внешняя сила. И, соответственно, если тело движется равномерно и прямолинейно, то оно будет продолжать своё движение до момента начала воздействия внешней силы.
Первый закон Ньютона называют ещё Законом инерции. Инерция – это сохранение телом скорости движения, когда на него не оказывают действие никакие силы.
Второй закон Ньютона
Если первый закон Ньютона описывает, как ведёт себя тело, если на него не действуют силы, то второй закон помогает понять, что происходит с телом, когда сила начинает действовать.
Величина силы, действующей на тело, равна произведению массы тела на ускорение, которое получает тело, когда на него начинает действовать сила.
В математическом виде этот закон выгляди так:
Где F – сила, действующая на тело;
m – масса тела;
a – ускорение, которое получает тело под воздействием приложенной силы.
Из этого уравнения видно, что чем больше величина силы, воздействующей на тело, тем большее ускорение оно получит. И чем больше масса тела, на которое воздействует эта сила, тем меньше ускорит своё движение тело.
Третий закон Ньютона
Закон гласит, что если тело А воздействует на тело В с какой-то силой, то и тело В воздействует с такой же силой на тело А. Иными словами сила действия равна силе противодействия.
Например, ядро, вылетающее из пушки, действует на пушку с силой, равной силе, с какой пушка выталкивает ядро. В результате действия этой силы после выстрела пушка откатывается назад.
Из своих общих законов движения Ньютон вывел множество следствий, которые позволили сделать теоретическую механику практически совершенной. Открытый им закон всемирного тяготения связал все планеты, находящиеся на огромном расстоянии друг от друга, в единую систему и положил начало небесной механике, которая изучает движение планет.
С момента создания Ньютоном его законов прошло много времени. Но все эти законы актуальны до сих пор.
Наука возникла в глубокой древности как попытка осмыслить окружающие явления, взаимосвязь природы и человека. Сначала она не разделялась на отдельные направления, как сейчас, а объединялась в одну общую науку - философию. Астрономия выделилась в отдельную дисциплину раньше физики и является наряду с математикой и механикой одной из древнейших наук. Позже наука о природе так же выделилась в самостоятельную дисциплину. Древнегреческий учёный и философ Аристотель назвал физикой одно из своих сочинений.
Одна из главных задач физики - объяснить строение окружающего нас мира и происходящие в нём процессы, понять природу наблюдаемых явлений. Другая важная задача - выявить и познать законы, которым подчиняется окружающий мир. Познавая мир, люди используют законы природы. Вся современная техника основана на применении законов, открытых учёными.
С изобретением в 1780-х гг. парового двигателя началась промышленная революция. Первый паровой двигатель изобрёл английский учёный Томас Ньюкомен в 1712 г. Паровая машина пригодная для использования в прмышленности, впервые создана в 1766 г. русским изобретателем Иваном Ползуновым (1728-1766).Шотландец Джеймс Уатт усовершенствовал конструкцию. Созданный им в 1782 г. двухтактный паровой двигатель приводил в движение машины и механизмы на фабриках.
Сила пара приводила в движение насосы, поезда, пароходы, прядильные станки и множество других машин. Мощным толчком для развития техники послужило создание английским физиком «гениальным самоучкой» Майклом Фарадеем в 1821 г. первого электродвигателя. Создание в 1876г. немецким инженером Николаусом Отто четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания открыло эру автомобилестроения, сделало возможным существование и повсеместное использование автомобилей, тепловозов, судов и других технических объектов.
То, что раньше считалось фантастикой, сейчас становится реальной жизнью, которую мы уже не представляем без аудио- и видеотехники, персонального компьютера, сотового телефона и Интернета. Их возникновение обязано открытиям сделанным в различных областях физики.
Однако и развитие техники способствует прогрессу в науке. Создание электронного микроскопа позволило заглянуть внутрь вещества. Создание точных измерительных приборов сделало возможным более точный анализ результатов экспериментов. Огромный прорыв в области изучения космоса был связан именно с появлением новых современных приборов и технических устройств.
Таким образом, физика как наука играет огромную роль в развитии цивилизации. Она перевернула самые фундаментальные представления людей - представления о пространстве, времени, устройстве Вселенной, позволив человечеству совершить качественный скачок в своём развитии. Успехи физики позволили сделать ряд фундаментальных открытий в других естественных науках, в частности, в биологии. Развитие физики в наибольшей степени обеспечивало бурный прогресс медицины.
С успехами физики связаны и надежды учёных на обеспечение человечества неиссякаемыми альтернативными источниками энергии, использование которых позволит решить многие серьёзные экологические проблемы. Современная физика призвана обеспечить понимание самых глубинных основ мироздания, появления и развития нашей Вселенной, будущего человеческой цивилизации.
Физика - одна из важнейших наук, изучаемых человеком. Ее присутствие заметно во всех сферах жизни, иногда открытия даже меняют ход истории. Поэтому великие физики так интересны и значимы для людей: их работа актуальна даже по прошествии многих веков после их смерти. Каких ученых стоит знать в первую очередь?
Андре-Мари Ампер
Французский физик появился на свет в семье коммерсанта из Лиона. Библиотека родителей была полна трудов ведущих ученых, писателей и философов. С детства Андре увлекался чтением, что помогло ему обрести глубокие знания. К двенадцати годам мальчик уже изучил основы высшей математики, а в следующем году представил свои работы в Лионскую Академию. Вскоре он начал давать частные уроки, а с 1802-го трудился преподавателем физики и химии, сначала в Лионе, а затем и в Политехнической школе Парижа. Через десять лет его избрали членом Академии наук. Имена великих физиков нередко связаны с понятиями, изучению которых они посвятили жизнь, и Ампер не исключение. Он занимался проблемами электродинамики. Единица силы электрического тока измеряется в амперах. Кроме того, именно ученый ввел многие используемые и сейчас термины. Например, это определения «гальванометр», «напряжение», «электрический ток» и многие другие.
Роберт Бойль
Многие великие физики вели свою работу во времена, когда техника и наука были практически в зачаточном состоянии, и, несмотря на это, добивались успеха. Например, уроженец Ирландии. Он занимался разнообразными физическими и химическими экспериментами, развивая атомистическую теорию. В 1660 году ему удалось открыть закон изменения объема газов в зависимости от давления. Многие великие его времени не имели представления об атомах, а Бойль не только был убежден в их существовании, но и сформировал несколько связанных с ними понятий, например «элементы» или «первичные корпускулы». В 1663 году ему удалось изобрести лакмус, а в 1680-м он первым предложил способ получения фосфора из костей. Бойль являлся членом Лондонского королевского общества и оставил после себя множество научных трудов.
Нильс Бор
Нередко великие физики оказывались значимыми учеными и в других сферах. Например, Нильс Бор также был и химиком. Член Датского королевского общества наук и ведущий ученый двадцатого века, Нильс Бор родился в Копенгагене, где и получил высшее образование. Некоторое время сотрудничал с английскими физиками Томсоном и Резерфордом. Научные работы Бора стали основой для создания квантовой теории. Многие великие физики впоследствии работали в направлениях, изначально созданных Нильсом, например, в некоторых областях теоретической физики и химии. Мало кто знает, но он также был первым ученым, заложившим основы периодический системы элементов. В 1930-х гг. сделал немало важнейших открытий в атомной теории. За достижения был отмечен Нобелевской премией по физике.
Макс Борн
Многие великие ученые-физики были родом из Германии. Например, Макс Борн родился в Бреслау, в семье профессора и пианистки. Он с детства увлекался физикой и математикой и поступил в Геттингенский университет для их изучения. В 1907 году Макс Борн защитил диссертацию, посвященную устойчивости упругих тел. Как и другие великие ученые-физики того времени, например Нильс Бор, Макс сотрудничал со специалистами Кембриджа, а именно с Томсоном. Вдохновляли Борна и идеи Эйнштейна. Макс занимался исследованием кристаллов и разработал несколько аналитических теорий. Кроме того, Борн создал математическую основу квантовой теории. Как и другие физики, Великой Отечественной войны антимилитарист Борн категорически не хотел, и в годы сражений ему пришлось эмигрировать. Впоследствии он выступит с осуждением разработок ядерного оружия. За все свои достижения Макс Борн получил Нобелевскую премию, а также был принят во многие научные академии.
Галилео Галилей
Некоторые великие физики и их открытия связаны со сферой астрономии и естествознания. К примеру, Галилей, итальянский ученый. Обучаясь медицине в университете Пизы, он ознакомился с физикой Аристотеля и принялся читать древних математиков. Увлекшись этими науками, бросил учебу и занялся сочинением «Маленьких весов» - работы, которая помогала определять массу металлических сплавов и описывала центры тяжести фигур. Галилей прославился среди итальянских математиков и получил место на кафедре в Пизе. Через какое-то время он стал придворным философом герцога Медичи. В своих работах он занимался исследованиями принципов равновесия, динамики, падения и движения тел, а также прочности материалов. В 1609 году построил первый телескоп, дающий трехкратное увеличение, а затем - и с тридцатидвухкратным. Его наблюдения дали информацию о поверхности Луны и размерах звезд. Галилей обнаружил спутники Юпитера. Его открытия произвели фурор в научной сфере. Великий физик Галилей был не слишком одобрен церковью, и это определило отношение к нему в обществе. Тем не менее, он продолжил работу, что стало поводом для доноса в инквизицию. Ему пришлось отказаться от своих учений. Но все же через несколько лет трактаты о вращении Земли вокруг Солнца, созданные на основе идей Коперника, были опубликованы: с пояснением, что это лишь гипотеза. Так, важнейший вклад ученого был сохранен для общества.
Исаак Ньютон
Изобретения и высказывания великих физиков часто становятся своего рода метафорами, но легенда про яблоко и закон тяготения известнее всех. Каждому знаком герой этой истории, согласно которой он и открыл закон тяготения. Кроме того, ученый разработал интегральное и дифференциальное исчисление, стал изобретателем зеркального телескопа и написал немало фундаментальных трудов по оптике. Современные физики считают его создателем классической науки. Ньютон родился в бедной семье, обучался в простой школе, а затем в Кембридже, параллельно работая слугой, чтобы оплатить учебу. Уже в ранние годы к нему пришли идеи, которые в будущем станут основой для изобретения систем исчислений и открытия закона тяготения. В 1669 году он стал преподавателем кафедры, а в 1672-м - членом Лондонского королевского общества. В 1687 году был опубликован важнейший труд под названием «Начала». За неоценимые достижения в 1705 году Ньютону даровали дворянство.
Христиан Гюйгенс
Как и многие другие великие люди, физики нередко являлись талантливыми в разных сферах. Например, Христиан Гюйгенс, уроженец Гааги. Его отец был дипломатом, ученым и литератором, сын получил прекрасное образование в юридической сфере, но увлекся математикой. Кроме того, Христиан прекрасно говорил на латыни, умел танцевать и ездить верхом, музицировал на лютне и клавесине. Еще в детстве он сумел самостоятельно построить себе и работал на нем. В университетские годы Гюйгенс переписывался с парижским математиком Мерсенном, что сильно повлияло на юношу. Уже в 1651 году он опубликовал труд о квадратуре круга, эллипса и гиперболы. Его работы позволили ему обрести репутацию прекрасного математика. Затем он заинтересовался и физикой, написал несколько трудов о сталкивающихся телах, которые серьезно повлияли на представления современников. Кроме того, он сделал вклад в оптику, сконструировал телескоп и даже написал работу о расчетах в азартной игре, связанных с теорией вероятности. Все это делает его выдающейся фигурой в истории науки.
Джеймс Максвелл
Великие физики и их открытия заслуживают всяческого интереса. Так, Джеймс-Клерк Максвелл добился впечатляющих результатов, с которым стоит ознакомиться всякому. Он стал основоположником теорий электродинамики. Ученый родился в дворянской семье и получил образование в университетах Эдинбурга и Кембриджа. За достижения был принят в Лондонское королевское общество. Максвелл открыл Кавендишскую лабораторию, которая была оборудована по последнему слову техники для проведения физических экспериментов. В ходе работы Максвелл изучал электромагнетизм, кинетическую теорию газов, вопросы цветного зрения и оптики. Проявил себя и как астроном: именно он установил, что устойчивы и состоят из не связанных частиц. Занимался также изучением динамики и электричества, оказав серьезное влияние на Фарадея. Исчерпывающие трактаты о многих физических явлениях до сих пор считаются актуальными и востребованными в научной среде, делая Максвелла одним из величайших специалистов в данной сфере.
Альберт Эйнштейн
Будущий ученый родился в Германии. С детства Эйнштейн любил математику, философию, увлекался чтением научно-популярных книг. За образованием Альберт отправился в технологический институт, где изучал любимую науку. В 1902 году стал сотрудником патентного бюро. За годы работы там он опубликует несколько успешных научных работ. Первые его труды связаны с термодинамикой и взаимодействием между молекулами. В 1905 году одна из работ была принята как диссертация, и Эйнштейн стал доктором наук. Альберту принадлежали множество революционных идей об энергии электронов, природе света и фотоэффекте. Самой важной стала теория относительности. Выводы Эйнштейна преобразили представления человечества о времени и пространстве. Абсолютно заслуженно он был отмечен Нобелевской премией и признан во всем научном мире.
Во время своих экспериментов Галилео обнаружил, что тяжелые предметы падают быстрее легких из-за меньшего воздушного сопротивления: воздух мешает легкому объекту сильнее, чем тяжелому.
Решение Галилея проверить закон Аристотеля стало поворотным моментом в науке, оно ознаменовало начало проверки всех общепринятых законов опытным путем. Опыты Галилея с падающими телами привели к нашему начальному пониманию ускорения под действием гравитации.
Всемирное тяготение
Говорят, что однажды Ньютон сидел под яблоней в саду и отдыхал. Вдруг он увидел, как с ветки упало яблоко. Этот простой инцидент заставил его задуматься, почему яблоко упало вниз, в то время, как Луна все время оставалась в небе. Именно в этот момент в мозгу молодого Ньютона свершилось открытие: он понял, что на яблоко и Луну действует единая сила гравитации.
Ньютон представил себе, что на весь фруктовый сад действовала сила, которая притягивала к себе ветки и яблоки. Его более важно то, что он распространил эту силу до самой Луны. Ньютон понял, что сила притяжения есть везде, до него никто до этого не додумывался.
Согласно этому закону, гравитация влияет на все тела во Вселенной, включая яблоки, луны и планеты. Сила притяжения такого крупного тела, как Луна, может провоцировать такие явления, как приливы и отливы океанов на Земле.
Вода в той части океана, которая находится ближе к Луне, испытывает большее притяжение, поэтому Луна, можно сказать, перетягивает воду из одной части океана в другую. А так, как Земля вращается в противоположном направлении, эта задержанная Луной вода оказывается дальше привычных берегов.
Понимание Ньютоном того, что у каждого предмета есть собственная сила притяжения, стало великим научным открытием. Однако, его дело было еще не завершено.
Законы движения
Возьмем, например хоккей. Бьете клюшкой по шайбе, и она скользит по льду. Это первый закон: под действием силы предмет движется. Если бы не было трения о лед, то шайба скользила бы бесконечно долго. Когда вы бьете клюшкой по шайбе, то придаете ей ускорение.
Второй закон гласит: ускорение прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе тела.
А согласно третьему закону при ударе шайба действует на клюшку с такой же силой, как клюшка на шайбу, т.е. сила действия равна силе противодействия.
Законы движения Ньютона были смелым решением объяснять механику функционирования Вселенной, они стали основой классической физики.
Второй закон термодинамики
Наука о термодинамике – это наука о тепле, которая преобразуется в механическую энергию. От нее зависела вся техника во время промышленной революции.
Тепловая энергия может быть преобразована в энергию движения, например, путем вращения коленчатого вала или турбины. Важнее всего выполнить как можно больше работы, используя как можно меньше топлива. Это наиболее экономически выгодно, поэтому люди стали изучать принципы работы паровых двигателей.
Среди тех, кто занимался этим вопросом, был немецкий ученый . В 1865 году он сформулировал Второй закон термодинамики . Согласно этому закону, при любом энергетическом обмене, например, во время нагревания воды в паровом котле, часть энергии пропадает. Клаузиус ввел в оборот слово энтропия , объясняя с его помощью ограниченную эффективность паровых двигателей. Часть тепловой энергии теряется во время преобразования в механическую.
Это утверждение изменило наше понимание того, как функционирует энергия. Не существует теплового двигателя, который был бы эффективен на 100%. Когда вы едете на машине, только 20% энергии бензина действительно тратится на движение. Куда девается остальная часть? На нагревание воздуха, асфальта и шин. Цилиндры в блоке цилиндров нагреваются и изнашиваются, а детали ржавеют. Грустно думать о том, насколько расточительны такие механизмы.
Хотя Второй закон термодинамики был основой промышленной революции, следующее великое открытие привело мир в новое, его современное состояние.
Электромагнетизм
Ученые научились создавать магнитную силу с помощью электричества, когда пустили ток по завитому проводу. В результате получился электромагнит. Как только подается ток, возникает магнитное поле. Нет напряжения – нет поля.
Электрогенератор в своей самой простейшей форме является витком проволоки между полюсами магнита. Майкл Фарадей обнаружил, что когда магнит и проволока находятся на близком расстоянии, по проволоке проходит ток. По этому принципу работают все электрогенераторы.
Фарадей вел записи о своих экспериментах, но шифровал их. Тем не менее они были по достоинству оценены физикомДжеймсом Клерком Максвеллом , который использовал их, чтобы еще лучше понять принципы электромагнетизма . Максвелл позволил человечеству понять, как электричество распределяется по поверхности проводника.
Если вы хотите знать, каким был бы мир без открытий Фарадея и Максвелла, то представьте себе, что электричество не существует: не было бы радио, телевидения, мобильных телефонов, спутников, компьютеров и всех средств связи. Представьте себе, что вы в 19 веке, потому что без электричества вы бы именно там и оказались.
Совершая открытия, Фарадей и Максвелл не могли знать, что их труд вдохновил одного юношу на раскрытие тайн света и на поиск его связи с величайшей силой Вселенной. Этим юношей был Альберт Эйнштейн.
Теория относительности
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.
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.
E=mc 2
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 c 2 . 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.
Квантовая теория появилась в самом начале 20 века, когда случился кризис в классической физике. Было открыто множество феноменов, которые противоречили законам Ньютона. Мадам Кюри , например, открыла радий, который сам по себе светится в темноте, энергия бралась из ниоткуда, что противоречило закону сохранения энергии. В 1900 году люди считали, что энергия непрерывна, и что электричество и магнетизм можно было бесконечно делить на абсолютно любые части. А великий физик Макс Планк дерзко заявил, что энергия существует в определенных объемах – квантах .
Если представить себе, что свет существует только в этих объемах, то становятся понятны многие феномены даже на уровне атома. Энергия выделяется последовательно и в определенном количестве, это называется квантовым эффектом и означает, что энергия волнообразна.
Тогда думали, что Вселенная была создана совсем по-другому. Атом представлялся чем-то, напоминающим шар для боулинга. А как может шар иметь волновые свойства?
В 1925 году австрийский физик , 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.
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.
Природа света
Древние задавались вопросом: из чего состоит Вселенная? Они считали, что она состоит из земли, воды, огня и воздуха. Но если это так, то что же такое свет? Его нельзя поместить в сосуд, нельзя дотронуться до него, почувствовать, он бесформенный, но присутствует везде вокруг нас. Он одновременно везде и нигде. Все видели свет, но не знали, что это такое.
Физики пытались ответить на этот вопрос на протяжении тысячи лет. над поиском природы света работали величайшие умы, начиная с Исаака Ньютона. Сам Ньютон использовал солнечный свет, разделенный призмой, чтобы показать все цвета радуги в одном луче. Это значило, что белый свет состоит из лучей всех цветов радуги.
Ньютон показал, что красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета могут быть объединены в белый свет. Это привело его к мысли, что свет делится на частицы, которые он назвал корпускулами. Так появилась первая световая теория – корпускулярная.
Представьте себе морские волны: любой человек знает, что когда одна из волн сталкивается с другой под определенным углом, обе волны смешиваются. Юнг проделал то же самое со светом. Он сделал так, чтобы свет от двух источников пересекался, и место пересечения было отчетливо видно.
Итак, тогда было все две световые теории: корпускулярная у Ньютона и волновая у Юнга . И тогда за дело взялся Эйнштейн, который сказал, что возможно, обе теории имеют смысл. Ньютон показал, что у света есть свойства частиц, а Юнг доказал, что свет может иметь волновые свойства. Все это – две стороны одного и того же. Возьмем, например, слона: если вы возьмете его за хобот, то подумаете, что это змея, а если обхватите его ногу, то вам покажется, что это дерево, но на самом деле слон обладает качествами и того, и другого. Эйнштейн ввел понятие дуализма света , т.е. наличия у света свойств как частиц, так и волн.
Чтобы увидеть свет таким, каким мы знает его сегодня, потребовалась работа трех гениев на протяжении трех веков. Без их открытий мы, возможно, до сих пор жили бы в раннем Средневековье.
Нейтрон
Атом так мал, что его трудно себе представить. В одну песчинку помещается 72 квинтиллиона атомов. Открытие атома привело к другому открытию.
О существовании атома люди знали уже 100 лет назад. Они думали, что электроны и протоны равномерно распределены в нем. Это назвали моделью типа «пудинг с изюмом», потому что считалось, что электроны были распределены внутри атома как изюм внутри пудинга.
В начале 20 века 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 .
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.
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 стал первым, кто понял, как превратить гелий из газа в жидкость. После этого он мог использовать гелий в качестве морозильной жидкости, а ведь он хотел изучать свойства материалов при очень низких температурах. В то время людей интересовало то, как электрическое сопротивление металла зависит от температуры – растет она или падает.
Он использовал для опытов ртуть, которую он умел хорошо очищать. Он помещал ее в специальный аппарат, капая ей в жидкий гелий в морозильной камере, понижая температуру и измеряя сопротивление. Он обнаружил, что чем ниже температура, тем ниже сопротивление, а когда температуры достигла минус 268 °С, сопротивление упало до нуля. При такой температуре ртуть проводила бы электричество без всяких потерь и нарушений потока. Это и называетсясверхпроводимостью .
Сверхпроводники позволяют электропотоку двигаться без всяких потерь энергии. В лаборатории Ферми они используются для создания сильного магнитного поля. Магниты нужны для того, чтобы протоны и антипротоны могли двигаться в фазотроне и огромном кольце. Их скорость почти равняется скорости света.
Ускоритель частиц в лаборатории Ферми требует невероятно мощного питания. Каждый месяц на то, чтобы охладить сверхпроводники до температуры минус 270 °С, когда сопротивление становится равным нулю, тратится электричество на миллион долларов.
Теперь главная задача – найти сверхпроводники, которые бы работали при более высоких температурах и требовали бы меньше затрат.
В начале 80-х группа исследователей швейцарского отделения компании IBM обнаружила новый тип сверхпроводников, которые обладали нулевым сопротивлением при температуре на 100 °С выше, чем обычно. Конечно, 100 градусов выше абсолютно нуля – это не та температура, что у вас в морозильнике. Нужно найти такой материал, который был бы сверхпроводником при обычной комнатной температуре. Это был бы величайший прорыв, который стал бы революцией в мире науки. Все, что сейчас работает на электрическом токе, стало бы гораздо эффективнее. 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.
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 .
Ядерные силы
Наше стремление найти ответы на все вопросы о Вселенной привело человека как внутрь атомов и кварков, так и за пределы галактики. Данное открытие – результат работы многих людей на протяжении столетий.
После открытий Исаака Ньютона и Майкла Фарадея ученые считали, что у природы две основные силы: гравитация и электромагнетизм. Но в 20 веке были открыты еще две силы, объединенные одним понятием – атомная энергия. Таким образом, природных сил стало четыре.
Каждая сила действует в определенном спектре. Гравитация не дает нам улететь в космос со скоростью 1500 км/ч. Затем у нас есть электромагнитные силы – это свет, радио, телевидение и т.д. кроме этого существую еще две силы, поле действия которых сильно ограничено: есть ядерное притяжение, которое не дает ядру распасться, и есть ядерная энергия, которая излучает радиоактивность и заражает все подряд, а также, кстати, нагревает центр Земли, именно благодаря ей центр нашей планеты не остывает вот уже несколько миллиардов лет – это действие пассивной радиации, которая переходи в тепло.
Как обнаружить пассивную радиацию? Это возможно благодаря счетчикам Гейгера . Частицы, которые высвобождаются, когда расщепляется атом, попадают в другие атомы, в результате чего создается небольшой электроразряд, который можно измерить. При его обнаружении счетчик Гейгера щелкает.
Как же измерить ядерное притяжение? Тут дело обстоит труднее, потому что именно эта сила не дает атому распасться. Здесь нам нужен расщепитель атома. Нужно буквально разбить атом на осколки, кто-то сравнил этот процесс со сбросом пианино с лестницы с целью разобраться в принципах его работы, слушая звуки, которые пианино издает, ударяясь о ступеньки. (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.