Добавлен: 06.07.2023
Просмотров: 1759
Скачиваний: 32
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.
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.
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 О’Брайен, 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.).