Великие физики

Самые великие открытия в физике произошли в XIX-XX веках.

Открытие атома

К концу XIX столетия набралось много доказательств того, что атомы имеют сложное строение. Результаты исследования электролиза, открытие электрона, наличие химического сродства — все они имели под собой  глубокую основу. Длинный путь пройден от первой атомной теории Дальтона, в которой предполагалось, что атомы представляют собой элементарные кирпичики и что мир состоит из определенного числа различных атомов с характерными свойствами, вечными и неизменными.

Эти представления особенно изменились после открытия электрона. Все атомы должны содержать электроны. Но как электроны в них расположены? Физики могли лишь философствовать, исходя из своих познаний в области классической физики, и постепенно все точки зрения сошлись на одной модели, предложенной Джозефом Джоном Томсоном (1856—1940). Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного вещества, внутрь которого вкраплены электроны (возможно, они находятся в интенсивном движении), так что атом напоминает пудинг с изюмом. Томсоновскую модель атома нельзя было непосредственно проверить, но в ее пользу свидетельствовали всевозможные аналогии.Трудность заключалась в том, чтобы найти прямой подход к исследованию атомов. Такой подход появился не в результате целенаправленных поисков, а благодаря случайному наблюдению явления совсем иного рода. Это было открытие радиоактивности, сделанное французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852—1908). Отец Беккереля открыл ультрафиолетовый спектр, дед его тоже был известным физиком, так что физика, можно сказать, была у династии Беккерелей в крови. Замечательные исследования Беккереля были проведены в 1896 г., через год после открытия рентгеновских лучей и за год до открытия электрона. Эти три знаменательных события изменили всю физику!

Беккерель, видимо, был занят поисками какого-то излучения, исходившего от соли урана. Фотографические пластинки, которые находились в том же ящике, что и соль, оказались несколько засвеченными, и Беккерель хотел узнать причину этого. Стоит отметить, что указанное явление наблюдали и другие, и держали пластинки подальше от этой соли. Беккерель подумал, что, возможно, в результате действия солнечного света вещество испускало излучение типа рентгеновских лучей. Он завернул фотопластинку в черную бумагу и выставил на солнечный свет, положив сверху кусочек соли. Пластинка, надежно защищенная от света, после проявления обнаружила почернение. Эффект оказался воспроизводимым — каждый раз наблюдалось то же самое. Но затем Беккерель обнаружил, что такой же эффект наблюдается и в отсутствии солнечного света, и даже тогда, когда эксперимент проводился в темноте. Он понял, что открыл новое явление, и назвал его «радиоактивностью».

Лазеры

Все началось с того, что специалисты, занимающиеся созданием радиолокаторов, столкнулись с загадочным обстоятельством. Пучок радиоволн длиной в 1,3 см, посланный радиолокатором в поисках цели, растворялся в пространстве. Казалось, на пути волн стоит ловушка, в которой задерживается большая их часть.

Причина этого явления была неясна. Понятно было только, что из-за сильного поглощения применять волны длиной 1,3 см для радиолокации невозможно.

Странное явление очень заинтересовало ученых. Начались поиски разгадки. В этой работе приняли участие Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, у которых и возникла мысль: если молекулы способны поглощать радиоволны, значит, они могут и излучать их. Теоретически такая возможность была доказана в докторской диссертации В. А. Фабриканта (1907—?) (Москва) в 1939 г., которая затем оказалась надолго забытой.

А. М. Прохоров (р. 1916 г.) в 1939 г. окончил Ленинградский университет и поступил на работу в знаменитый Физический институт АН СССР. Он хотел заниматься радиофизикой и включился в исследования распространения радиоволн, которые проводились под руководством ученых-друзей Л. И. Мандельштама (1879—1944) и Н.Д. Папалекси (1880—1947). Это была великолепная школа. Рассказывают, что прослушав однажды доклад Мандельштама о радиоинтерферометрии, академик А. Е. Ферсман (геолог!) передал свои впечатления одним словом: «Поэма!»

Вскоре, однако, началась война, и Прохоров оказался в армейской разведке, был тяжело ранен, много дней провел на госпитальной койке, демобилизован по состоянию здоровья и вернулся к научной работе: стал аспирантом проф. С. М. Рытова, глубокого и интересного ученого, а через три года защитил кандидатскую диссертацию.

Физика элементарных частиц

Нобелевскую премию по физике 1999 г. получили теоретики из Голландии Герард Хуфт и Мартин Йелтман. Они впервые надежно показали, что теория может заранее предсказать свойства даже еще не открытых частиц. Их выводы подтвердили эксперименты, проведенные на ускорителях Европы и Америки.

Работы нобелевских лауреатов относятся к весьма сложной и глубокой теории микромира, именуемой теорией электрослабого взаимодействия. Важнейшим результатом исследований можно считать теоретическое предсказание свойств неуловимой частицы — так называемого бозона Хиггса. Без нее теория элементарных частиц оказывается неполной, и надежды на ее «поимку» физики связывают с Большим протонным коллайдером (LHC), который работает в ЦЕРНе (Женева).

Теория относительности

О ней, как и об ее авторе, Альберте Эйнштейне, безусловно слышали все. Однако хотя со времени ее открытия прошло почти столетие, не так уж много людей представляют ее суть.

Конечно, у Эйнштейна были предшественники. Первый — Лоренц (1853—1928), работавший над теорией электромагнитного поля и создавший в восьмидесятых годах XIX в. наиболее стройную и прогрессивную схему «эфирной физики». После работы Майкельсона (1852—1931), доказавшего, что скорость света не зависит от того, куда и с какой скоростью движутся источник света и наблюдатель, Лоренц предположил, что все тела, движущиеся относительно эфира, сокращаются в направлении перемещения тем сильнее, чем скорость их движения приближается к скорости света. Теория Лоренца не только объясняла результаты опыта Майкельсона, но и по своей формальной, математической, структуре очень походила на теорию Эйнштейна.

Еще ближе к теории относительности идеи крупнейшего французского математика Пуанкаре (1854—1912), чья статья была послана в печать тремя неделями позже работы Эйнштейна. Но теорию относительности открыл Эйнштейн, а не Пуанкаре или Лоренц единственно потому, что Эйнштейн несравненно глубже разобрался в существе дела.

Статья Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» была напечатана в 1905 г. в семнадцатом томе «Annalen der Physic» («Анналы физики»). В то время ему было 26 лет от роду, и он служил в Швейцарском патентном ведомстве в Берне.

Эйнштейн начал с выбора безусловных экспериментальных фактов. Опыт Майкельсона показал, что равномерное и прямолинейное движение Земли относительно неподвижных звезд (а его с высокой степенью точности можно таковым признать) не сказывается на оптических явлениях на Земле. Но если так, то принцип относительности Галилея верен и для электромагнитных явлений, а, возможно, он является общим законом природы.