ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава1. Сегодняшний день физики
Глава2. Развитие физики в СССР и России
Заключение
Приложение 1. Лауреаты Нобелевской премии по физике за 1945-2004гг
Приложение 2. Структурная схема основных разделов современной теоретической физики
Приложение 3. Список литературы

Я склонен придерживаться точки зрения Нобеля, что человечество извлечет из новых открытий больше хорошего, чем плохого.
Пьер Кюри(9. с. 246).
ВВЕДЕНИЕ
Система наук условно делится на естественные, общественные и технические науки(5. с. 876). Естествознание, в отличие от наук об обществе, - это совокупность наук о природе(5. с. 435), то есть об окружающем нас мире во всем многообразии его форм. Физика (от греч. Physics – природа) является наукой о природе. Она изучает простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира(5. с. 1421). Именно поэтому физика и ее законы лежат в основе всего естествознания. В современном представлении самое простое – это так называемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т. п. А наиболее общими свойствами материи принято считать движение, пространство и время, массу, энергию и др. Выявляя самое простое и самое общее в природе, физика устанавливает универсальные законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из существенных признаков физики как фундаментальной науки(3. с. 117-120).
Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа(3. с. 121-123). Первый этап – древний и средневековый. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала ХV?? в. Второй – это этап классической физики. Его связывают с одним из основателей точного естествознания Галилео Галилеем и основоположником классической физики Исааком Ньютоном. Путем эксперимента Галилей опроверг учение Аристотеля о пропорциональности скорости падения весу тела. Он пришел также к открытию закона инерции и сформулировал механический принцип относительности движения, обобщенный позднее А.Эйнштейном. Ньютон сформулировал три основных закона классической механики, открыл закон всемирного тяготения и закон разложения света на монохроматические составляющие. К числу фундаментальных достижений физики при завершении этого этапа относится формирование немеханической картины мира и радикальное изменение взглядов на структуру физической реальности, связанное с построением Максвеллом теории электромагнитного поля. Третий этап возник на рубеже XIХ и ХХ веков. Это этап современной физики. Он открывается трудами немецкого физика Макса Планка(1858-1947), вошедшего в историю развития физики как одного из основоположников квантовой теории. Занимаясь возникшей в физике научной проблемой, связанной с тем, что результаты экспериментальных работ по исследованию излучения веществами коротких электромагнитных волн не подчиняются законам электромагнетизма Максвелла, Планк отказался от установившегося положения классической физики, согласно которому энергия системы изменяется непрерывно. В 1900 г. он высказал гипотезу о том, что атомы испускают электромагнитную энергию дискретно, отдельными порциями, - квантами. Другое важное событие на современном этапе развития физики относится к 1905 году, когда Альберт Эйнштейн(1879 – 1955) сформулировал принципы специальной теории относительности(СТО), а к 1916 г. им была создана общая теория относительности(ОТО). По представлениям классической физики, движение не оказывает влияния на течение времени и линейные размеры тела, они постоянны(абсолютны) во всех инерциальных системах отсчета. Эйнштейн доказал, что в движущихся системах отсчета замедляется время и сокращаются размеры тела, что масса тела растет с увеличением его скорости, вывел формулу для определения полной энергии движущегося тела. Законы классической механики справедливы только для скоростей движения тела, много меньших скорости света в вакууме(с = 300000км/с), они являются частным случаем релятивистской механики, основанной на специальной теории относительности. В современных ускорителях заряженных частиц скорости сравнимы со скоростью света, и законы ньютоновской механики не применимы. Квантовая теория и теория относительности определили развитие всей физики ХХ века. Характерная особенность современной физики заключается в том, что наряду с классическими бурно развиваются и внедряются квантовые представления, на основании которых объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц. Новая физика не отбросила ньютоновскую механику, а только ограничила область ее применимости.
К числу величайших открытий в современной физике, уточнивших, а чаще и коренным образом изменивших наши представления о мире, следует отнести открытие электрона, показавшее сложность ранее неделимого атома, а также разработку теории атома и ее экспериментальное подтверждение. Таким образом, физика уже располагает целым рядом не только эмпирических, но и фундаментальных законов как макро-, так и микромира.
Глава I. Сегодняшний день физики.
Двадцатый век заслужил трагическую честь называться атомным веком. В конце 30-х годов в Германии, Франции, СССР и США проводились интенсивные исследования ядерных реакций. Первые крупные экспериментальные работы в области ядерной физики, связанные с облучением химических элементов нейтронами, были выполнены в 1934 г. выдающимся итальянским физиком Энрико Ферми. Он обнаружил, что уран, подвергнутый бомбардировке замедленными нейтронами, дает ряд радиоактивных элементов. Но Ферми ошибочно полагал, что это – совершенно новые трансурановые химические элементы. Впервые гипотезу о том, что тяжелые ядра при бомбардировке их нейтронами распадаются на изотопы уже известных ранее элементов высказала немецкий физик Ида Новак и предложила проверить ее профессору Отто Гану из Института кайзера Вильгельма в Берлине(1. с. 424-428). Но он счел эту идею сумасбродной. Позднее, после публикации статьи Ирен Кюри и химика Савича, обнаруживших, что одним из осколков ядра урана является уже известный лантан, Отто Ган и Фредерик Штрассман, проведя бомбардировку урана, выявили, кроме лантана, барий. Опыты Гана объяснила его бывшая сотрудница Лизе Мейтнер, переехавшая в 1938г. из Германии в Швецию. Используя модель Нильса Бора, она построила теорию деления ядра, из которой вытекало, что при этом новом виде ядерной реакции должно выделяться большое количество энергии. Опыты подтвердили правильность ее выводов.
Если учесть, что эти научные работы проводились в фашистской Германии, станет понятным беспокойство ученых по поводу возможного использования этих открытий в военных целях. В августе 1939г. президенту США Франклину Делано Рузвельту было передано письмо за подписью А.Эйнштейна, проживавшего с 1933г. в Америке, поскольку на его родине, в Германии, за голову великого ученого, выступившего в защиту мира, нацистами была обещана награда в 50000 марок(2. с. 140). В письме указывалось на опасность, которая может возникнуть, если Германия обгонит все страны и первой овладеет секретом ядерной энергии. Одновременно с письмом президенту был вручен меморандум, в котором физики-атомщики просили правительство выделить необходимые средства для ускорения темпа работ(2. с. 141).Рузвельт понял беспокойство ученых и распорядился создать Урановый комитет, который должен был руководить всеми работами по урановой программе. В разгар войны из Германии стали доходить тревожные сведения о работе над созданием сверхмощной бомбы. Это дал понять своему учителю Нильсу Бору и немецкий физик Вернер Гейзенберг(Нобелевская премия 1932 года) во время их короткой встречи в Копенгагене. С апреля 1939г. Гейзенберг возглавлял в Германии планомерные работы по разделению изотопов урана и строительству ядерного реактора. Вскоре антифашистски настроенный Бор получил приглашение присоединиться к группе физиков, которые собрались в Америке для работы над атомной бомбой, и тайно был переброшен вместе с сыном Оге из оккупированной Дании в Англию, а затем они переехали в Америку и приняли участие в секретном проекте. Энрико Ферми вместе с семьей эмигрировал в США еще перед войной, в 1938 году, поскольку из-за еврейского происхождения его жены оставаться в фашистской Италии было уже небезопасно. В Соединенные Штаты съезжались все больше и больше ученых из оккупированных фашистами европейских стран. Поэтому над созданием первой в мире атомной бомбы трудились лучшие умы не только Америки, но и Европы.
На первом этапе нужно было доказать на практике возможность осуществления управляемой цепной ядерной реакции посредством нейтронов. С этой целью под руководством Ферми, занимавшего в то время должность профессора Чикагского университета, под трибунами стадиона этого университета началось строительство экспериментального реактора. Этот первый в мире ядерный реактор был пущен в начале декабря 1942 года, открыв тем самым дверь в атомный век(1. с. 424-436).
Второй этап американской программы по созданию атомной бомбы назывался «Манхэттенский проект». Его возглавил генерал Лесли Гроувз. Работой по созданию ядерного взрывчатого вещества и по разработке устройства бомбы руководил американский физик Роберт Оппенгеймер. Она проводилась в обстановке строгой секретности. Ученые жили в небольшой деревне Лос-Аламос(штат Нью-Мексико), расположенной на высоком горном плато и связанной с внешним миром одной-единственной дорогой. Здесь были разработаны как простая конструкция бомбы(«Малыш»), так и более сложная(«Толстяк»). Осенью 1944г. был пущен в эксплуатацию первый из трех запланированных ядерных реакторов, а в июле 1945г. в трехстах километрах к югу от Лос-Аламоса было проведено успешное испытание «Толстяка». Этот первый ядерный взрыв был произведен после окончания войны в Европе, в дни работы Потсдамской конференции союзников: СССР, США и Великобритании. А 6 и 9 августа 1945г. американская авиация сбросила бомбы «Малыш» и «Толстяк» на японские города Хиросиму и Нагасаки. Эти атомные бомбардировки, приведшие к большим материальным и людским потерям среди мирного гражданского населения, не были вызваны военной необходимостью. Произведенные по прямой директиве Гарри Трумэна, избранного после смерти Ф. Рузвельта президентом США, они являлись демонстрацией стратегического превосходства Америки, обладающей в тот период монополией на атомное оружие. Соединенные Штаты стремились утвердить свою гегемонию в послевоенном мире.
По свидетельству британского премьер-министра Уинстона Черчилля, принимавшего участие в Потсдамской конференции, Трумэн, получив известие об успешном испытании атомной бомбы под Лос-Аламосом, сообщил Сталину о существовании «нового оружия необычайной разрушительной силы» и был чрезвычайно удивлен, что Сталин не задал ему ни единого вопроса(1. с. 435-436). А объяснялось это просто: в СССР тоже полным ходом велись работы в этом направлении. Уже в 1942г. советское правительство располагало информацией о секретных работах ученых США и Германии по созданию нового, сверхмощного оружия. Одним из первых ученых, обративших на это внимание, был ученик И.В.Курчатова Г.Н.Флеров, открывший вместе с К.А.Петржаком в 1940г. новый тип радиоактивных превращений – спонтанный распад ядер урана. В апреле 1942г. Флеров, уже призванный в армию, зашел в библиотеку Воронежского университета и обнаружил, что в американских физических журналах перестали публиковать статьи по исследованию урана. Напрашивался вывод о том, что эти исследования засекретили в связи с начавшимися работами по созданию ядерного оружия. Можно было предположить, что и Германия с ее блестящими физиками и инженерами не осталась в стороне. Эти соображения Флеров изложил в письме И.В.Сталину, которое, наряду с данными разведки, оказало влияние на принятие решения о начале работ по созданию атомной бомбы – Советского атомного проекта(9. с. 308). В Москву были вызваны А.Ф.Иоффе, В.И.Вернадский, В.Г.Хлопин и П.Л.Капица для обсуждения перспектив развития ядерной физики в СССР и для решения вопроса о том, кто из ученых может возглавить научное руководство этими работами. Приглашенные академики назвали имя Игоря Васильевича Курчатова(2. с. 225). С осени 1942г. тот становится организатором и руководителем работ по атомной науке и технике в СССР.
Многие крупные лаборатории страны стали заниматься вопросами цепной ядерной реакции, разделением изотопов урана, а также получением тяжелой воды. В начале 1943г. под руководством Курчатова работает уже около двух десятков ученых, многие из которых впоследствии стали академиками и членами-корреспондентами Академии наук СССР. В группу входят Я.Б.Зельдович и Ю.Б.Харитон, впервые осуществившие расчет цепной реакции деления урана и показавшие, что наиболее надежный путь заключается в обогащении урановой смеси легкими изотопами урана-235. Теорией ядерных реакторов занимаются такие крупные физики, как А.И.Алиханов, Ю.Я.Померанчук, И.И.Гуревич. На окраине Москвы, у бывшего Ходынского поля, строится институт, именующийся лабораторией №2. Сейчас это Институт атомной энергии им. И.В.Курчатова. Здесь в начале 1945г. заработал циклотрон, построенный всего за один год.
В августе 1945г. И.В.Курчатова вместе с П.А.Капицей ввели в Специальный комитет для работы над созданием атомной бомбы. В Комитете было только два физика, а его главой был назначен шеф КГБ Л.П.Берия. Через считанные недели Капица, не делая из этого тайны, в двух письмах уведомил И.В.Сталина о том, что Берия командует атомным проектом, не понимая сути дела, и что под таким руководством работать невозможно. Громкое имя в науке позволило Капице уцелеть, но его вывели из Специального комитета, а в 1946г. сняли с должности директора созданного им Института физических проблем(ИФП). Берия по-прежнему остался главой Комитета(9. с. 249-250).
Начиная со второй половины 1945г., работы по созданию советской атомной бомбы пошли полным ходом. Промышленность начала выпускать графит требуемой чистоты, появился в необходимых количествах металлический уран. В январе 1947г. развернулось строительство первого в Европе промышленного уранового котла. После его запуска сразу же началось тщательное исследование вырабатываемого в нем ядерного горючего - плутония. 23 сентября 1949г. взрывом первой советской атомной бомбы была похоронена монополия США на атомное оружие(2. с. 255). С утратой этой монополии потерпела провал и «атомная дипломатия» Америки, основанная на стремлении использовать изобретение атомной бомбы в целях политического шантажа и давления на другие страны(5. с. 89).
Но политика «холодной войны» продолжалась. И США, и СССР рассматривали себя в качестве лидеров мирового масштаба, отстаивающих различное общественное и социальное устройство. Тенденция соперничества привела к наращиванию производства оружия массового уничтожения. К этому времени физики уже знали, что более мощные ядерные заряды можно создать путем использования термоядерных реакций. Поэтому в основу нового оружия был положен синтез ядер атомов гелия из ядер изотопов водорода(дейтерия или трития) и лития. В первых термоядерных бомбах применялись только изотопы водорода, поэтому они были названы водородными(1. с. 437-438). Спустя всего два месяца после испытания атомной бомбы Курчатов начинает работать над водородной. Но разработка этого проекта началась раньше. К работе, которая шла полным ходом, еще в 1948г. была привлечена группа И.Е.Тамма. В нее входили его молодые ученики А.Д.Сахаров и В.Л.Гинзбург, ставшие главными «генераторами идей». На завершающем этапе ученые жили и работали в закрытом городе Арзамасе-16(ныне г. Саров)(9. с. 292). Советский Союз обогнал Америку и первым создал водородную бомбу. Ее успешное испытание прошло в августе 1953г. Вслед за этим в обеих странах стали создаваться межконтинентальные баллистические ракеты для доставки термоядерного оружия к цели. «Холодная война» продолжалась почти четыре десятилетия, пока на рубеже 60-х-70-х гг.ХХ века СССР не достиг военно-стратегического паритета с США, предопределившего возможность перехода от конфронтации к разрядке в отношениях между этими государствами. Были созданы гигантские арсеналы смертоносного оружия. Возникла опасная угроза сползания человечества в ядерную пропасть. Поэтому стороны достигли взаимопонимания в том, что ядерная война никогда не должна быть развязана, в ней не может быть победителей.
Подробное рассмотрение истории создания атомной и водородной бомб, в которой приняли участие светила мировой науки, объясняет, почему они пошли на этот шаг и к чему это привело. В середине ХХ в. ученые осознали, что влияние науки на политику оказалось гораздо больше, чем оно было перед второй мировой войной, и перед физиками, особенно перед физиками-атомщиками, возникли совершенно новые и очень острые проблемы. После падения Германии стало ясно, что гитлеровцы не могли успеть создать бомбу, а американцы применили это смертоносное оружие без крайней необходимости. Услышав по радио о чудовищной акции уничтожения двух японских городов, Эйнштейн смог только произнести: «О, горе!»(2. с. 142). Он считал, что в этом есть доля и его вины, что его послание Рузвельту оказалось бомбой, взорвавшей мир. После почти одновременного изобретения водородной бомбы в СССР и США Эйнштейн выступил по нью-йоркскому телевидению с заявлением: «Америку ведут к фашизму и войне». И несмотря на обвинения в пособничестве коммунистическому режиму, он активно включился в борьбу против использования атомной энергии в военных целях. В апреле 1955г. Эйнштейн подписал составленное английским философом и общественным деятелем Б. Расселом и поддержанное семью известными учеными, среди которых был и Ф.Жолио-Кюри, обращение к правительствам США, Великобритании, СССР, Франции, Канады и Китая. Это обращение предостерегало человечество от самоубийства, к которому может привести создание ядерного оружия, и послужило началом так называемого пагуошского общественного движения ученых за мир, разоружение, международную безопасность и научное сотрудничество(5. с. 967). Не остались в стороне и другие физики, принимавшие участие в военных атомных проектах. Когда перед американскими учеными была поставлена задача создания «в пожарном порядке» водородной бомбы, Э.Ферми и И.Раби, будучи членами Генерального консультативного совета при Комиссии по атомной энергии США, высказали свое мнение: «…мы полагаем важным, чтобы президент США заявил американскому народу и миру, что на основании фундаментальных этических принципов мы считаем неправильным начинать разработку этого оружия»(2. с. 196). Через два дня после бомбардировки Нагасаки в английской газете «Тайм» появилась статья Н.Бора «Наука и цивилизация». В ней ученый призывал к международному контролю за атомной энергией. Вернувшись в 1945г. на родину, он неустанно говорит о мирном использовании атомной энергии. В 1957г. Нильсу Бору первому была присуждена премия «Атом для мира»(2. с. 183).
Человек дела, И.В.Курчатов еще в 1949г. возглавил работу над проектом атомной электростанции. Атомный реактор начал использоваться в сугубо мирных целях. Первая в мире АЭС была пущена в 1954г. в СССР, в г. Обнинске Калужской области(4. с. 429). Послевоенный курс соперничества в наращивании производства оружия массового уничтожения требовал громадных финансовых затрат. И если США, находившиеся далеко от зоны военных действий, обогатились на военных поставках и стали самой сильной капиталистической державой, то СССР, затративший огромные ресурсы для достижения победы, вышел из войны с подорванной экономикой и финансами. В этих условиях И.В.Сталин нашел нетрадиционный путь сдерживания амбиций США, вызванных их превосходством в производстве запасов термоядерного оружия: СССР приступил к широкомасштабной поддержке международного общественного движения сторонников мира, выступавшего за запрещение атомного оружия и осуждавшего его применение как преступление против человечества. Такая позиция отвечала стремлениям не только физиков, но и всего народа. Но она не могла ввести в заблуждение проницательных ученых. В начале 50-х годов выдающийся советский физик Л.Д.Ландау сказал: «…надо употребить все силы, чтобы не войти в гущу атомных дел… Целью умного человека является самоотстранение от задач, которые ставит перед собой государство, тем более советское государство, которое построено на угнетении»(9. с. 260). «Отец» советской водородной бомбы А.Д.Сахаров в 1957г. становится одним из инициаторов борьбы против испытаний ядерного оружия в трех средах(в атмосфере, под водой и на суше). В 1968г. он публикует за рубежом свои «Размышления о прогрессе, мирном сосуществовании и интеллектуальной свободе»(9. с. 296). Таким образом, в послевоенный период физики, вне зависимости от тех или иных экономической и политической систем, начинают активную борьбу за мирное использование достижений науки и за интернациональное сотрудничество ученых.
О том, какой путь в своем развитии прошла физика в послевоенное время, можно судить по достижениям, отмеченным Нобелевскими премиями (прил.1). Это своего рода летопись ежегодных открытий, являющихся теми «кирпичиками», из которых складывалось «здание» современной физики. Нобелевская премия является феноменом ХХ века, поскольку в истории человечества не было и нет награды, которая по престижности и международному авторитету могла бы сравниться с ней(8. с. 190).
По подсчетам автора, за период с 1945 по 2004 год лауреатами Нобелевской премии по физике стали 126 ученых из 16 стран. Из них 70 из США, 10 из Великобритании, 9 из Германии, 5 из Франции, 4 из Японии, 3 из Нидерландов, по 2 ученых из Канады, Италии, Дании, Швеции, Швейцарии и Китая и по одному из Австрии, Ирландии и Пакистана. Этой премии были удостоены и 10 отечественных физиков: в 1958г. она была присуждена П.А.Черенкову, И.М.Франку и И.Е.Тамму, в 1962г. – Л.Д.Ландау, в 1964г. – Н.Г.Басову и А.М.Прохорову, в 1972г. – П.Л.Капице, в 2000г. – Ж.И.Алферову, в 2003г. – В.Л.Гинзбургу и А.А.Абрикосову. Американский физик Д.Бардин, принимавший участие в создании первого транзистора и являющийся одним из авторов микроскопической теории сверхпроводимости, получил Нобелевскую премию дважды: в 1956 и 1972 годах. Пакистанский ученый А.Салам, награжденный в 1979г., стал вторым лауреатом из стран «третьего мира» за всю историю присуждения Нобелевских премий, начиная с 1901г. Первым был в 1930г. индийский физик Ч.Раман. Обращает на себя внимание о тот факт, что только одна премия присуждена за вклад не в квантовую, а в классическую физику. Ее обладателем стал в 1953г. нидерландский физик Ф.Цернике, разработавший фазово-контрастные методы микроскопии и создавший фазово-контрастный микроскоп.
Лидерство американских лауреатов объясняется той политикой, которую проводит правительство США по структурно-технологической перестройке своей экономики. Суть этой политики заключается в техническом переоснащении производства на базе внедрения новейших достижений НТР. Если Япония, промышленность которой начала интенсивно развиваться со второй половины 50-х гг., пошла по пути приобретения за рубежом готовых технологий, то Америка стала развивать собственную науку, увеличив ее финансирование и привлекая зарубежные научные кадры. Такая политика привела к «утечке мозгов» из стран восточной и западной Европы. Американскими учеными стали выпускники Оксфордского и Кембриджского университетов Великобритании, сорбоннских университетов Франции и многих других высших учебных заведений Западной Европы. Ощутимо пополнились ряды американских физиков и за счет отечественных ученых. Но в США готовятся и собственные научные кадры. Среди лучших центров обучения физике можно назвать Гарвардский, Принстонский и Стэнфордский университеты, а также Массачусетский и Калифорнийский технологические институты(8. с. 180).
Характерной чертой физики наших дней стала абстрактность представлений. При описании событий субъядерного мира и мира элементарных частиц используются понятия, не имеющие аналогов в макромире: спин, кварки, бозоны, очарованные частицы, цветовые заряды, странность, правдивость и т.д. В отличие от классической физики, явления микромира не удается описать, не прибегая к четким математическим понятиям. Абстрактные понятия микромира являются неотъемлемой частью математического аппарата квантовой теории поля(9. с. 272). Изменился и взгляд на характер физических явлений. На смену представлениям о линейной линии развития в природе возникла нелинейная физика, охватившая все без исключения разделы физической науки. Современные математические модели – это нелинейные уравнения. Решить их удается только в исключительных случаях, комбинируя численные и аналитические методы(9. с. 358).
Как уже говорилось выше, современная теоретическая физика наряду с классическими представлениями о свойствах материи включает в себя также теорию относительности и квантовую теорию (прил.2). Разработанная А.Эйнштейном релятивистская механика(СТО) широко используется при скоростях движения, соизмеримых со скоростью света. Гравитационная механика(ОТО) предсказала, например, существование таких космических объектов, как черные дыры, являющихся конечной стадией эволюции массивных звезд. Они образуются при катастрофически быстром сжатии под действием гравитационных сил после исчерпания в звезде ядерного горючего. Позднее была установлена граница, определяющая критическую массу звезды, ниже которой она становится белым карликом(Нобелевская премия за 1983г.), и открыт новый тип пульсара(Нобелевская премия за 1993г.). Эйнштейну принадлежит также и заслуга расширения идеи квантов, высказанной М.Планком, на новые области, что показало ее фундаментальное значение в физике. За созданную им теорию фотоэффекта, легшую в основу квантовой оптики, он был удостоен в 1921г. Нобелевской премии.
Квантовая механика – это теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях. Постоянная Планка h=6,63·10-23 Дж·с является тем масштабом природы, который разграничивает области явлений, которые можно описывать классической физикой, от областей, для правильного истолкования которых необходима квантовая теория. Атомная физика, являющаяся одним из разделов квантовой механики, изучает строение и состояние атомов. Ядерная физика – структуру и свойства атомных ядер, а также их взаимопревращения, происходящие в результате радиоактивных распадов и ядерных реакций. К ней тесно примыкает физика элементарных частиц – мельчайших выявленных к этому времени частиц физической материи. Квантовая физика твердого тела и жидкости выявила такие физические явления, как сверхпроводимость (обращение в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивание магнитного поля) и сверхтекучесть(свойство жидкости протекать без внутреннего трения через узкие щели, капилляры и т.п.). Квантовая механика является наиболее изученным разделом квантовой физики. Ей принадлежит основная часть сделанных к настоящему времени научных открытий. Эти открытия были удостоены Нобелевских премий за 1945-1946, 1948-1952, 1954, 1956-1963, 1966-1973, 1976-1982, 1984-1985, 1987-1988, 1990-1992, 1994-1998, 2000-2003гг.
Квантовая динамика изучает законы движения микрочастиц. Электродинамика – это квантовая теория электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами. Она описывает такие явления, как испускание, поглощение и рассеяние излучения веществом, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами и др. За создание теории электрослабого взаимодействия американцы Ш.Глэшоу, С.Вайнберг и пакистанец А.Салам в 1979г. получили Нобелевскую премию по физике. Квантовая хромодинамика – это теория взаимодействия частиц, обладающих цветовыми зарядами. Понятие «цвет» было введено для U-кварков советскими физиками Н.Н.Боголюбовым, Б.В.Струминским, А.Н.Тавхелидзе и японским ученым Й.Намбу(9. с. 345). Объединение теории электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики стало главным триумфом теоретической физики за последние десятилетия ХХ в. Была создана согласованная картина микромира – Стандартная модель фундаментальных частиц и взаимодействий(9. с. 346). Она описала с общих позиций сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия, и нет ни одного эксперимента, который бы ей противоречил(9. с. 353). Открытия в области квантовой динамики удостоены Нобелевских премий за 1955, 1965, 1975, 1999 и 2004гг.
Квантовая статистика – это статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц(5. с. 570).
Исследования в области квантовой физики ознаменовались созданием количественной теории строения атома. Она позволила объяснить атомные спектры. При этом были открыты новые законы движения микрочастиц – законы квантовой механики. По современным представлениям, атом имеет радиус R=10-10 м и состоит из ядра(R=10-14 м) и электронной оболочки. Само атомное ядро состоит из стабильных элементарных частиц двух видов: протонов и нейтронов(их часто называют нуклонами). Устойчивость ядер объясняется тем, что между нуклонами действуют ядерные силы, являющиеся частным случаем сильного взаимодействия элементарных частиц. Сильные взаимодействия – это особый тип взаимодействий, присущий большинству элементарных частиц, оно не сводится только к взаимодействию нуклонов в ядре. Ядерные силы – самые мощные силы из всех, которыми располагает природа.
Атомные ядра при взаимодействиях с элементарными частицами испытывают изменения, которые сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в этих превращениях элементарных частиц. Эти ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Ядра некоторых тяжелых элементов, например, урана, при бомбардировке замедленными нейтронами могут делиться на части. При этом испускаются 2-3 нейтрона и гамма-лучи. Одновременно выделяется большое количество энергии. Освобождение нейтронов при делении ядра позволяет осуществлять цепную реакцию деления урана. Для ее стационарного течения необходимы условия, при которых коэффициент размножения нейтронов должен быть строго равен 1, т.к. уже при к=1,01 почти мгновенно происходит взрыв. Осуществление управляемой цепной реакции производится в ядерном(или атомном) реакторе.
В развитии физики элементарных частиц можно выделить три этапа(9. с. 331, 340, 345, 346, 353). Первый – от электрона до позитрона(1897 – 1932гг.). На этом этапе электрон, протон и нейтрон считали неделимыми и неизменными. Второй этап – от позитрона до кварков(1932 – 1964гг.). Выяснилось, что неизменных частиц не существует, что ни одна из элементарных частиц не бессмертна даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Например, находящийся вне атомного ядра свободный нейтрон живет в среднем 15 мин. Стабильные же частицы, такие как фотон, электрон, протон и нейтрино, могли бы сохранить свою неизменность, если бы каждая из них была бы одна в целом мире. Но все элементарные частицы имеют свои античастицы, при столкновениях с которыми происходит аннигиляция: обе частицы исчезают, превращаясь в другие частицы. Например, при аннигиляции пары электрон-протон возникают фотоны, а аннигиляция пары нуклон-антинуклон сопровождается рождением мезонов. Взаимные превращения элементарных частиц друг в друга являются главной формой их существования. Таким образом, на втором этапе исчезло представление о неизменности элементарных частиц, но сохранилась идея об их неразложимости. По современным представлениям, элементарные частицы – это первичные неразложимые частицы, из которых построена вся материя(при этом неделимость не означает, что у них отсутствует внутренняя структура). И хотя элементарные частицы уже и неделимы далее, они неисчерпаемы по своим свойствам. Третий этап – от гипотезы о кварках до наших дней. В 60-е годы возникли сомнения в том, что все выделенные к этому времени частицы можно отнести к разряду элементарных. Основанием для этих сомнений послужило то, что число этих частиц велико. Поэтому в 1964г. Гелл-Манном была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных(первичных) частиц – кварков, имеющих дробный электрический заряд. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Вообще же число различных кварков равно 6(верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, красивый). Кварки лишены внутренней структуры. В свободном состоянии кварки пока не обнаружены, но опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах доказывают их существование. Кроме кварков, участвующих в сильных взаимодействиях, выделяются также легкие элементарные частицы, не участвующие в них. Они называются лептонами, и число их тоже равно 6(электрон, три сорта нейтрино и еще две частицы: мюон и тау-лептон). Элементарные частицы различаются и по значениям спина – их собственного момента количества движения, измеряемого в единицах постоянной Планка. Кварки и лептоны имеют спин, равный 1/2, и составляют группу фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином(1/2, 3/2, 5/2 и т.д.), являющихся составными элементами вещества. Другую группу составляют бозоны – элементарные частицы с целым спином(0, 1, 2, 3 и т.д.), являющиеся переносчиками взаимодействий. Бозоны тоже разделяются на две подгруппы. Переносчиком сильного взаимодействия между кварками является глюон(спин равен 1), а единого электрослабого взаимодействия – фотоны и частицы W-,W+,Z0.
Теоретической физике пока сложно ответить на ряд вопросов, например: как построить квантовую теорию гравитации и объединить ее с теорией остальных взаимодействий; почему существует только 6 типов кварков и 6 типов лептонов; почему масса нейтрино очень мала и т.д.(9. с. 416). Эти и многие другие вопросы требуют дальнейшего исследования. Но стремительное проникновение в глубь материи, новое понимание пространства, времени, причинно-следственных связей, которыми отличается физика ХХ века, коренным образом изменило представление об окружающем нас мире.
Начавшаяся в 50-х гг. в США научно-техническая революция(НТР) в последующие десятилетия охватила все промышленно развитые страны мира. Наука и технология стали ведущей силой цивилизации. Бурное развитие физики повлекло за собой множество открытий, получивших инженерно-промышленное воплощение.
Открытые физиками огромные запасы внутриатомной энергии, первоначально использовавшиеся в военных целях, привели к созданию атомной и ядерной техники, обслуживающей мирные отрасли хозяйства. Тепло, снимаемое с урановых стержней атомного реактора, можно использовать для нагрева воды до высоких температур, и полученный таким образом пар применять для производства электроэнергии. Этот принцип лег в основу строительства атомных электростанций. Первая в мире АЭС дала ток в 1954г. в подмосковном Обнинске(1. с. 438). На том же принципе были сконструированы и ядерные двигатели для морских судов. Первым судном с таким двигателем стала американская подводная лодка «Наутилус», спущенная на воду в 1955г. А первым «мирным» судном – советский ледокол «Ленин», построенный в 1957г.(1. с. 439).
В атомных электростанциях пар вращает турбину, связанную с электрогенератором. Но исследования плазмы показали, что можно создать электростанции без турбин. При пропускании плазмы через магнитное поле, направленное перпендикулярно ее движению, возникает сила, разделяющая электроны и положительно заряженные ионы плазмы, и они начинают двигаться в противоположные друг другу стороны. Попадая на электроды, они создают разность потенциалов. На этом принципе основано действие плазменных генераторов электрического тока, которые называются магнитогидродинамическими, или МГД-генераторами. Их главным достоинством является гораздо более высокий коэффициент полезного действия(9. с. 265). Но наиболее широко плазма применяется в светотехнике – в газоразрядных лампах, освещающих улицы, в лампах дневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в различных газоразрядных приборах: выпрямителях тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и т.