Минувший век глазами физика

Герман Розман,
доктор физико-математических наук,
профессор ПГПИ

Конец XX в. ознаменовался триумфом отечественной физики - 10 декабря 2000 г. академику Российской Академии наук Жоресу Ивановичу Алферову вместе с двумя американскими учеными была вручена Нобелевская премия за пионерские работы в области квантовой микроэлектроники. Эта победа была подготовлена всем развитием науки в XX веке, давшей человечеству новое понимание мира, построившей новую квантово-полевую картину мира.

Вспомним немного истории. Ровно 100 лет назад началась эра квантовой физики.14 декабря 1900 года немецкий физик Макc Планк объяснил природу так называемой «ультрафиолетовой катастрофы». Суть этого парадокса заключалась в том, что энергия, излучаемая нагретым телом, должна неограниченно возрастать с увеличением частоты электромагнитных волн в сторону фиолетовой (ультрафиолетовой) части спектра. Так предсказывала теория, но это противоречило эксперименту. Для решения задачи Планк ввел в своих теоретических расчетах идею дискретности излучения и поглощения энергии атомами (надо отметить, что «ультрафиолетовая катастрофа» возникала потому, что при расчетах предполагалось, что атомы излучают энергию непрерывно). Эту порцию энергии Планк назвал квантом. Именно это и дало имя всей физике XX века – квантовая физика.

Идею Планка развил другой физик - великий Альберт Эйнштейн. Он предположил, что кванты не только поглощаются и излучаются атомами, но и распространяются локализованными порциями, которые впоследствии получили имя «фотоны». Благодаря своей гипотезе Эйнштейну удалось объяснить все законы открытого незадолго де этого (1887 г., Генрих Герц) физического явления – фотоэффекта (вырывание электронов из освещаемой металлической пластинки). Изучением этого явления и установлением его законов занимался российский физик Александр Столетов.

Идея квантования свойств атомов начала триумфальное шествие в науке (и не только в физике). В 1913 году датский физик Нильс Бор объясняет устойчивость атомов, выдвигая «безумные» (для того состояния науки) постулаты: 1) в атоме существуют стационарные орбиты, на которых электроны могут находиться неограниченное время (без внешнего воздействия); 2) только при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом излучает или поглощает энергию порциями, квантами. В том же году идея Бора получила экспериментальное подтверждение. Большой вклад в развитие квантовой физики (квантовой оптики) внес российский академик Д. Рождественский.

В 1916 году Эйнштейн теоретически предсказывает возможность индуцированного (вынужденного) излучения. В 1951 году российские физики академики Николай Басов и Александр Прохоров и американец Ч. Таунс создают первый квантовый генератор-мазер, за что все трое были удостоены Нобелевской премии за 1964 год. С этих работ практически началась эра квантовой электроники.

Упомянутая выше квантовая теория Бора была непоследовательной, полуклассической, полуквантовой. Требовался принципиальный пересмотр основ фундаментальной науки, каковой становилась физика в развитии человеческого общества. И это было сделано в середине 20-х годов ХX века. Создается принципиально новое направление в развитии физики - квантовая механика, в основе которой лежит корпускулярно-волновой дуализм элементарных частиц (электронов, протонов, фотонов и др.). Этот дуализм проявляется в том, что в одних опытах элементарные частицы ведут себя как корпускулы, в других - проявляют волновые свойства. Однако нельзя говорить, что электрон - и волна, и частица. Правильнее (на данном этапе понимания физики) говорить, что электрон обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами. К сожалению, наука еще не может дать ответ на «простой» вопрос: что же такое электрон (протон и т.д.). Эту проблему решат в XXI веке те, кто сегодня изучает физику в школе.

На базе квантовой механики создается современная физика твердого тела, так называемая зонная теория.

Идея квантования пронизывает всю современную физику. В 1956 году на основе квантовых свойств электронов объясняется низкотемпературная сверхпроводимость: ряд веществ при очень низких температурах проводит электрический ток без всякой потери на нагревание проводников. Само явление было открыто еще в 1911 году голландским физиком Камерлинг-Оннесом. В 1938 году российский академик Петр Капица открыл явление сверхтекучести гелия, который при сверхнизких температурах теряет вязкость. Объяснение этого явления также дано квантовой физикой. За свои работы П. Капица был удостоен Нобелевской премии в 1978 году. В 1986 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Однако теории этого явления еще нет, нет и практического использования, так как высокотемпературные сверхпроводники - это керамические вещества определенного состава, и пока еще не научились делать из них гибкие провода.

Можно привести множество других физических явлений, природа которых лежит в области квантовой физики. Но… нельзя в короткой статье объять необъятное.

Следует лишь упомянуть псковских ученых-физиков, внесших определенный вклад в развитие физики ХХ в. Это доктор физико-математических наук, профессор Яков Николаевич Першиц, который в течение 40 лет возглавлял кафедру физики Псковского государственного педагогического института. Экспериментальные работы Я. Н. Першица, выполненные совместно с его учениками, ныне в основном сотрудниками кафедры, создали новое научное направление в физике диэлектриков. Автор данной статьи своими теоретическими исследованиями комплексного дефекта кристаллической решетки – создал новое направление в физике ионных кристаллов. Ныне действующая при кафедре аспирантура по физике конденсированного состояния продолжает лучшие традиции псковской физической школы.

В прошлое ушел ХХ век, век квантовой физики. Много открытий сделано в том веке. Но еще больше предстоит сделать в наступившем ХХ1 веке. Это сделают молодые - наши дети, наши ученики. Но сначала надо знать и понимать, что сделано до нас…

СПОРТ