Важнейшие открытия для развития цивилизации

     В  1916  г.  была  опубликована  общая  теория  относительности.  Она  распространила  СТО  на  ускоренные  системы.  Эйнштейн  ограничил  применимость  принципа  постоянства  скорости  света  областями, где  гравитационными  силами  можно  пренебречь.  Зато  он  распространил  принцип относительности на все  движущиеся системы. Из ОТО был получен  ряд важных выводов.

     1. Свойства пространства-времени зависят  от движущейся материи. 

     2. Луч  света,  обладающий инертной,  а  следовательно, и  гравитационной  массой,  должен  искривляться  в  поле  тяготения. В частности,  такое искривление  должен  испытывать  луч,  проходящий  возле  Солнца. Этот эффект,  как  указывал  Эйнштейн,  можно   обнаружить  при  наблюдении  положения звезд во время солнечного  затмения. "Было бы крайне интересно,  —  пишет  он,  —  чтобы   астрономы  заинтересовались  поставленным  здесь вопросом".

     3.    Частота  света  в  результате  действия  поля  тяготения   должна изменяться.  В  результате  этого  эффекта  линии   солнечного  спектра  под действием   гравитационного  поля  Солнца  должны  смещаться  в  сторону  красного  света,  по  сравнению   со  спектрами  соответствующих   земных источников.  Этот  эффект,  по  мнению  Эйнштейна,  также   может  быть обнаружен  экспериментально.  Все  это  было  принципиально   ново,  и  для утверждения  ОТО нужна была ее экспериментальная  проверка.

     Возникновение и развитие теории квантов 

     14  декабря  1900  г.,  выступая  в   Берлинском  физическом  обществе,  М. 

     Планк для решения проблемы излучения  предложил свою, как он ее скромно  именовал,  "рабочую  гипотезу".  Суть  ее  сводилась  к  тому,  что  энергия излучается не непрерывно, как полагали раньше, а отдельными порциями, т. е. дискретно. Это  стало  днем рождения квантовой физики —  детища XX в. Экспериментальные  же  корни  ее  уходят  глубоко  в  XIX  в.  Открытие  и изучение  рентгеновских  и  катодных  лучей,  радиоактивности,  теплового излучения, атомных спектров, фотоэффекта и ряда других явлений с полным

     правом  можно назвать истоками квантовой  физики.

     Началом фундаментальных теоретических  работ по тепловому излучению  является открытие Кирхгофом  (1824–1887) в 1859–1861 гг. закона, согласно которому  отношение  испускательной  способности  еν  нагретого  тела  к  его  поглощательной  способности  αν  не  зависит  от  природы тела, а является одинаковой для всех тел (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры.  Если  ввести  понятие  черного  тела, т. е. такого, которое поглощает все  падающие на него лучи, то эта универсальная  функция и будет равна его  испускательной способности  (e* =  f(v, Т). Заметим, что в природе нет  абсолютно  черных  тел,  но  есть  тела,  близкие  к  ним.  Например, поглощательная  способность  сажи,  платиновой  черни,  черного  бархата близка к 1.

     Проблема  излучения не давала Планку покоя, и  он постоянно думал над ней. Рассказывают, что незадолго до своего великого открытия он поднялся на  самую  высокую  и  труднодоступную  в  своей  альпинистской  практике горную  вершину.  Воодушевленный  победой,  Планк  погрузился  в  работу.

     Сначала  он  полуэмпирическим  путем  нашел  формулу,  которая  хорошо совпадала  с  результатами  эксперимента  во  всем  спектре. Но  формуле  надо было дать реальное физическое звучание и обосновать установленный закон. "После  нескольких  недель  напряженнейшей  в  моей  жизни  работы  темнота рассеялась,  и  наметились  новые,  не  подозреваемые  ранее  дали",  — вспоминал  позднее  Планк.  А  суть  дела  заключалась  в  том,  что  Планк  вынужден  был  отказаться  от  одного  из  основных  положений  классической физики  —  о  непрерывном  (сколь  угодно  малыми  величинами)  излучении энергии  и  принять  новую  гипотезу:  излучение  энергии  может  происходить только  вполне  определенными  (дискретными)  порциями  —  квантами.

     Величина  кванта  энергии:  ε0  =  hv,  где  h  —  универсальная  постоянная,

     получившая  название  постоянной  Планка;  v  —  частота  излучения.  Так, в физике  появился  квант  энергии  и совершенно  новая величина  h — квант действия,  которая наряду  с уже известными  атомизмом вещества  и электричества указывала на  атомизм действия  и энергии,  что было совершенно чуждо классическим представлениям.

     В  физике  сложилась,  пожалуй,  беспримерная  ситуация:  выдвинув  великую идею, творец испугался масштаба ее последствий. А квантовая гипотеза тем временем  пробивала  себе  дорогу.  И  первым,  кто  принял  кванты  Планка

     всерьез, был молодой А. Эйнштейн. Он не только принял гипотезу Планка, а пошел  дальше,  заявив,  что  свет  не  только  излучается,  но  и  поглощается,  и распространяется  квантами.  Световой  квант  был  назван  позднее  фотоном.

     Развитием этой идеи явилась фотонная теория света, возродившая на новом уровне  корпускулярные  представления  о  нем  и  вскоре  доказанная экспериментально. Используя  гипотезу  световых  квантов,  А.  Эйнштейн  получил обобщенный  закон  фотоэффекта,  разработал  квантовую  теорию теплоемкости. Для  этого  выдающегося  ученого  с  самого  начала  было  ясно, что квантовая гипотеза в любой своей форме несовместима с классическими представлениями,  что  все  попытки  введения  ее  в  электродинамику Максвелла обречены на неудачу.

     Роль  открытия  Планка  постепенно  была  оценена  всеми  физиками.  Эту оценку  мы  подытожим  словами  А.  Эйнштейна:  "Открытие  Планка  стало основой  всех  исследований  в  физике  XX  в.  и  с  тех  пор  почти  полностью обусловило  ее  развитие.  Больше  того,  оно  разрушило  остов  классической механики и электродинамики и  поставило перед наукой задачу: найти  новую познавательную  основу  для  всей  физики".  Такой  основой  стала  квантовая механика. Но это будет значительно позже.

     Атомная физика

     В  январе  1896  г.  над  Европой  и Америкой  прокатился  тайфун  газетных сообщений  о  сенсационном  открытии  профессора  Вюрцбургского  университета Вильгельма Конрада Рентгена  (1845–1923). Казалось, не было газеты,  которая  бы  не  напечатала  снимок  кисти  руки,  принадлежащей,  как  выяснилось позже, Берте Рентген  — жене профессора. А профессор  Рентген, запершись  у  себя  в  лаборатории,  продолжал  усиленно  изучать  свойства открытых им лучей. 20  января  1896  г.  американские  врачи  с  помощью  лучей  Рентгена  уже впервые  увидели  перелом  руки  человека.  С  тех  пор  открытие  немецкого физика  навсегда  вошло  в  арсенал  медицины.  Росла  и  слава  Рентгена,  хотя ученый относился к ней с полнейшим  равнодушием. Он не стал брать патент на  свое  открытие,  отказался  от  почетной,  высокооплачиваемой  должности члена  академии  наук,  от  кафедры  физики  в  Берлинском  университете,  от дворянского звания. Хотя  самим  Рентгеном  и  другими  учеными  много  было  сделано  по изучению  свойств  открытых  лучей,  однако  природа  их  долгое  время оставалась неясной. Но вот в июне 1912 г. в Мюнхенском университете, где с 1900  г.  работал  К.  Рентген,  М. Лауэ  (1879–1960),  В.  Фридрихом  и  П. Книппингом  была  открыта  интерференция  и  дифракция  рентгеновских лучей. Это доказывало их волновую природу.

     Дифракция  рентгеновских  лучей  вскоре  стала  не  просто  достоянием

     физиков,  а  положила  начало  новому,  очень  сильному  методу  исследования структуры вещества − рентгеноструктурному анализу. В 1914 г. М. Лауэ за открытие дифракции рентгеновских лучей,  а в 1915  г. отец и сын Брэгги  за изучение  структуры кристаллов  с помощью этих  лучей стали лауреатами

     Нобелевской  премии  по  физике.  В  настоящее  время  мы  знаем,  что рентгеновские  лучи −  это коротковолновое электромагнитное  излучение с большой проникающей способностью.

     Открытие  рентгеновских  лучей  дало  толчок  новым  исследованиям.  Их изучение привело к новым открытиям, одним  из которых явилось открытие радиоактивности.

     Явление  радиоактивности  было  открыто  А.  Беккерелем  (1862–1908)  и изучено  Пьером Кюри  (1859–1906) и его женой  Марией Кюри-Склодовской (1867–1934).  13  ноября  1903  г.  супруги  Кюри  одновременно  с  Беккерелем получают телеграмму из Стокгольма, о присуждении  им троим Нобелевской премии по физике за выдающиеся открытия в области  радиоактивности. 

     Возникновение и развитие теории атома 

     Создатель первоначальной квантовой теории атома  − крупнейший физик современности Нильс Бор (1885–1962).

     Суть  теории Бора была выражена в трех постулатах.

     1.  Существуют  некоторые  стационарные  состояния  атома,  находясь  в которых  он  не  излучает  и  не  поглощает  энергии.  Этим  стационарным состояниям  соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты.

     2.  Орбита  является  стационарной,  если  момент  количества  движения  электрона  (L = mυr)  кратен  h/2π  =  ħ,  т.е. L = mυr =  nħ,  где  n =  1,  2,  3,  ... − целые числа.

     3.    При  переходе  атома  из  одного  стационарного  состояния   в  другое 

     испускается или  поглощается один квант энергии hvnm=Wn–Wm, где Wn, Wm − энергия атома в двух стационарных состояниях, h — постоянная Планка, vnm − частота излучения. При Wn > Wm происходит излучение кванта, при   Wn < Wm − его поглощение.

     Это  был  переворот,  пусть  пока  не окончательный,  во  взглядах  физиков  на  атом. Его  дальнейшим  углублением  явилась квантовая  механика. Эти постулаты Бор использовал  для расчета простейшего  атома  (водорода),  рассматривая первоначально  наиболее  простую  его  модель: неподвижное ядро, вокруг которого по круговой орбите  вращается  электрон.  Объяснение спектра  водорода  было  большим  успехом теории Бора.

     Квантовые  постулаты  Бора  были  лишь первым шагом в создании теории атома, поэтому  пришлось воспользоваться следующим  приемом:  сначала  задача  решалась  при  помощи  классической механики  (заведомо  неприменимой  полностью  к  внутриатомным движениям), а  затем из всего непрерывного множества  состояний движения, к которым  приводит классическая механика, на основе квантовых постулатов отбирались  квантовые  состояния.  Несмотря  на  все  несовершенство  этого  метода,  он  привел  к  большим  успехам  —  позволил  объяснить  сложные закономерности  в  атомных  и  молекулярных  спектрах,  осмыслить  природу химических  взаимодействий и др. Такой подход, по  сути, является частным случаем  общего  принципа,  играющего  важную  роль  в  современной теоретической физике — принципа соответствия, который гласит, что всякая неклассическая  теория  в  соответствующем  предельном  случае  переходит  в классическую.

     Важным  достижением  Бора  и  других  исследователей  было  развитие представления  о строении многоэлектронных атомов. Предпринятые шаги в развитии  теории  строения  более  сложных  (чем  водород)  атомов  и объяснении структуры их спектров принесли некоторые  успехи, однако здесь исследователи  столкнулись  с  большими  трудностями.  Введение  четырех квантовых  чисел,  характеризующих  состояния  электрона  в  атоме, установление  принципа  Паули  (согласно  которому  две  тождественный частицы  с  полуцелым  спином  не  могут  одновременно  находиться  в  одном состоянии)  и  объяснение  периодической  системы  Менделеева —  большие успехи теории атома Бора. 
 
 
 
 
 
 
 

2. Циклы Карно

     Отец  Никола Леонара Сади Карно — знаменитый французский генерал, «организатор побед Великой французской революции» Лазар Никола Карно, инженер по образованию, проявлял значительный интерес к науке и практическому применению инженерных достижений. Он занимался анализом работы тепловых машин, и Сади Карно продолжил работу своего отца. Придерживаясь теплородной теории, С. Карно, тем не менее, сумел получить результаты, имеющие непреходящее значение для развития науки.

     Во-первых, С. Карно ввел понятие циклического (кругового) процесса. Наблюдая действие паровой машины, он обратил внимание, что используемый для перемещения  цилиндра пар затем выпускается  в среду с меньшей температурой, где он снова превращается в воду (конденсат), причем конденсат в дальнейшем более не используется.

     Карно ставит вопрос о возможности использования  отработанного конденсата, о возможности  возвращения конденсата в котел, где он вновь нагреется, превратится  в пар, который при своем дальнейшем расширении вновь совершит работу над  поршнем. Таким образом, вода будет  проходить полный цикл − ряд процессов, в результате которых возвратится в исходное состояние.

     Второй  важный шаг состоял в том, что  Карно установил, что подобный непрерывный  циклический процесс возможен лишь при наличии двух нагревателей: нагревателя  при высокой температуре Т1  и холодильника при более низкой температуре Т2. Кроме нагревателя  и холодильника необходимо рабочее  тело. Рабочее тело, забирая у  нагревателя количество теплоты Q1 произведя  работу, для восстановления своих  исходных параметров (для обеспечения непрерывности цикла) должно отдать некоторое количество теплоты Q2 холодильнику. Основываясь на теплородной теории теплоты, Карно полагал, что «падение теплородной субстанции», обусловленное разностью температур на гревателя и холодильника, аналогично падению воды с более высокого уровня на низкий. Так что работа определяется перепадом между температурами теплорода в нагревателе и холодильнике.