Открытия в физике начале 20 века. Назад на «Советские физики»

Презентация на тему "Физики 18–20 веков" по физике в формате powerpoint. В данной презентации для школьников рассказывается об ученых 18-20 веков, внесших наибольший вклад в развитие физики. Автор презентации: Кравченко Иван Иванович, учитель физики и информатики.

Фрагменты из презентации

Физики 18 века

Томас Юнг

Дата рождения 13 июня 1773, - английский физик, врач, астроном и востоковед, один из создателей волновой теории света. Наиболее важные направления его работ - оптика, механика, физиология зрения. Высказал гипотезу о поперечности световых колебаний,разработал также теорию цветного зрения. Исследовал деформациию сдвига, ввёл числовую характеристику упругости при растяжении и сжатии - так называемый модуль Юнга. Он впервые рассмотрел механическую работу как величину, пропорциональную энергии (термин ввёл Юнг), под которой понимал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости тела.

Майкл Фарадей

Дата рождения 22 сентября 1791 - английский физик, химик и физико-химик, основоположник учения об электромагнитном поле, В 1832 году открыл электрохимические законы, которые легли в основу нового раздела науки - электрохимии, имеющего сегодня огромное количество технологических приложений. Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. Он поставил задачу «Превратить магнетизм в электричество» и через 10 лет нашёл решение этой проблемы.

Физики начала 19 века

Джеймс Клерк Максвелл

Дата рождения 13 июня 1831 - британский физик и математик. Заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и другие). Один из основателей кинетической теории газов, получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике. Пионер теории цветов и теории упругости.

Дмитрий Иванович Менделеев

Дата рождения 27 января 1834- русский учёный-энциклопедист: химик, физикохимик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, педагог, воздухоплаватель, приборостроитель. Профессор Санкт-Петербургского университета; член-корреспондент по разряду «физический» Императорской Санкт-Петербургской Академии наук. Среди наиболее известных открытий - периодический закон химических элементов, один из фундаментальных законов мироздания, неотъемлемый для всего естествознания.

Антуан Анри Беккерель

Дата рождения 15 декабря 1852 - французский физик, В 1896 г. Беккерель случайно открыл радиоактивность во время работ по исследованию фосфоресценции в солях урана. В 1903 г. он получил совместно с Пьером и Марией Кюри Нобелевскую премию по физике «В знак признания его выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиоактивности».

Генрих Рудольф Герц

Дата рождения - 22 февраля 1857 - немецкий физик. Основное достижение - экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. Герц доказал существование электромагнитных волн. Исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал, что свет – это разновидность электромагнитных волн. Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта.

Физики второй половины 19 века

Константин Эдуардович Циолковский

Дата рождения 5 сентября 1857- российский и советский учёный-самоучка, исследователь, школьный учитель. Один из пионеров космонавтики. Обосновал вывод уравнения реактивного движения, пришёл к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» - прототипов многоступенчатых ракет. Автор работ по аэродинамике, воздухоплаванию и другим наукам. Сторонник и пропагандист идей освоения космического пространства. Предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций, выдвинул идею поездов на воздушной подушке

Александр Степанович Попов

• Дата рождения 4 марта 1859 - русский физик и электротехник, профессор, изобретатель радио.
• Впервые он представил своё изобретение 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества. С 1897 года Попов проводил опыты по радиотелеграфированию на кораблях Балтийского флота. Летом 1901 года Попов модифицировал свой приёмник, поставив вместо чувствительного реле телефонные трубки, после этого фирмой Дюкрете, уже выпускавшей в 1898 году приёмники его конструкции, был налажен выпуск телефонных приёмников.

Эрнест Резерфорд

Дата рождения 30 августа 1871- британский физик. Известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Открыл альфа- и бета-излучение, короткоживущий изотоп радона и множество изотопов. Объяснил на основе свойств радона радиоактивность тория, открыл и объяснил радиоактивное превращение химических элементов, создал теорию радиоактивного распада, расщепил атом азота, обнаружил протон. Доказал, что альфа-частица - ядро гелия. вывел формулу Резерфорда. Первым открыл образование новых химических элементов при распаде тяжелых химических радиоактивных элементов.

Фредерик Содди

Дата рождения 2 сентября 1877 - английский радиохимик, член Лондонского королевского общества (1910), лауреат Нобелевской премии по химии (1921). Совместно с Резерфордом предложил теорию радиоактивного распада В 1903 Резерфорд и Содди установили, что радиоактивный распад протекает по закону, описывающему ход мономолекулярной реакции. Всего им было опубликовано более 70 статей по химии.

Физики начала 20 века

Альберт Эйнштейн

Эйнштейн - автор более 300 научных работ по физике. Он разработал несколько значительных физических теорий: Специальная теория относительности (1905), Общая теория относительности, Квантовая теория фотоэффекта, Квантовая теория теплоёмкости, Квантовая статистика Бозе - Эйнштейна, Статистическая теория броуновского движения, Теория индуцированного излучения, Теория рассеяния света на термодинамических флуктуациях в среде. Эйнштейн способствовал пересмотру понимания физической сущности пространства и времени и построению новой теории гравитации. Вместе с Планком, заложил основы квантовой теории.

Отто Ган

Дата рождения 8 марта 1879 - немецкий химик, учёный-новатор в области радиохимии, открывший ядерную изомерию (Уран Z) и расщепление урана. В 1920-х годах разработал метод применения радиоизотопов в химии, включая выращивание кристаллов и использование меченых атомов в химических реакциях и создал тем самым новую область химии - прикладную радиохимию. Решительно выступал против применения ядерной энергии в военных целях. Он считал такое использование его открытия злоупотреблением и даже преступлением.

Джеймс Чедвик

Дата рождения 20 октября 1891 - английский физик, известный по открытие нейтрона, Ученик Э.Резерфорда. В 1920 году экспериментально подтвердил равенство заряда ядра порядковому номеру элемента. Изучал искусственное превращение элементов под действием альфа-частиц (совместно с Резерфордом). В 1943-1945 гг. возглавлял группу английских учёных, работавших в Лос-Аламосской лаборатории (США) над проектом атомной бомбы.

Физики второй половины 20 века

Энрико Ферми

Дата рождения 29 сентября 1901 - итало-американский физик, внёсший большой вклад в развитие современной теоретической и экспериментальной физики, один из основоположников квантовой физики. Разработал статистику частиц с полуцелым спином (фермионов). Разработал правила квантования электромагнитного поля. Создал теорию бета-распада, прототип теории слабых взаимодействий элементарных частиц. Пришёл к выводу, что нейтроны должны быть наиболее эффективным орудием для получения радиоактивных элементов. Открыл более 60 изотопов и замедление нейтронов (эффект Ферми), селективное поглощение нейтронов.

Вернер Гейзенберг

Дата рождения 5 декабря 1901 - немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Автор ряда фундаментальных результатов в квантовой теории: заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределённостей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочим. Участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга - Паули) и квантовой теории поля, предпринимал попытки создания единой теории поля. Ведущий теоретик немецкого ядерного проекта. Изучал физику космических лучей, теорию турбулентности.

Фриц Штрассман

Дата рождения 22 февраля 1902 - немецкий химик и физик. Изучал процессы ядерного деления, свойства радиоактивных изотопов урана и тория. В 1938 совместно с О. Ганом открыл деление ядер урана при бомбардировке их нейтронами, химическими методами доказал факт деления.

Поль Адриен Морис Дирак

Дата рождения 8 августа 1902 - английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Работы Дирака посвящены квантовой физике, теории элементарных частиц, общей теории относительности. Автор трудов по квантовой механике, квантовой электродинамике и квантовой теории поля. Предложил релятивистское уравнение электрона, что объяснило спин, Ввел представление об античастицах. К другим известным результатам Дирака относятся статистическое распределение для фермионов, концепция магнитного монополя, гипотеза больших чисел, гамильтонова формулировка теории гравитации.

Дата рождения 29 июля 1904 - советский физик-теоретик. Работы относятся к ядерной физике, теории поля, синхротронному излучению, единой теории поля, теории гравитации, истории физики. Большинство работ выполнены совместно с крупнейшими физиками первой половины XX-го века. С Г. Гамовым вывел уравнение Шредингера, исходя из модели 5-мерного пространства. С Ландау рассматривал уравнение Клейна - Гордона, статистику Ферми - Дирака и геометрию Иваненко - Ландау - Кэлера. Рассматривал теорию мировых констант, предложил протон-нейтронную модель ядра

Игорь Васильевич Курчатов

Дата рождения 12 января 1903 - русский советский физик, «отец» советской атомной бомбы. Основатель и первый директор Института атомной энергии, главный научный руководитель атомной проблемы в СССР, один из основоположников использования ядерной энергии в мирных целях. Под его руководством был произведён взрыв первой советской атомной бомбы, разработана первая в мире водородная бомба и термоядерная бомба АН602 (Царь-бомба) рекордной мощности 52 000 кт. Занимался проблемой управляемого термоядерного синтеза. Руководил разработкой и строительством первой в мире атомной электростанцией.

Сергей Павлович Королев

Дата рождения 12 января 1907 - советский учёный, конструктор и организатор производства ракетно-космической техники и ракетного оружия СССР, основоположник практической космонавтики. Крупнейшая фигура XX века в области космического ракетостроения и кораблестроения. Создатель советской ракетно-космической техники, обеспечившей стратегический паритет и сделавшей СССР передовой ракетно-космической державой, ключевая фигура в освоении человеком космоса, создатель практической космонавтики. Осуществил запуск первого искусственного спутника Земли и первого космонавта Юрия Гагарина.

«Научные открытия 20 века» - Первая программа для отправки электронной почты. Телевидение. Развитие технологий. Открытия двадцатого века, которые изменили мир. Любопытные факты. Научные открытия в области физики. Телефон. Научные открытия в области биологии. Интернет. Клайд Томбо. Розалин Франклин. Радио. Компьютер.

«Технические открытия и изобретения» - Каравелла. Ворот. Технические открытия и изобретения. Печатный станок. Оружие. Поршневой насос. Каравелла в порту. Доменная печь. Механизм башенных часов. Иоганн Гутенберг. Мельницы с водяным колесом.

«Физическая картина мира» - Электромагнитная картина мира. Материя как физическая реальность. Квантово-полевая картина мира. Фундаментальные концепции описания природы. Фундаментальные физические теории. Структурные уровни организации материи. Поле. Микромир: спин. Развитие представлений о пространстве и времени. Механистическая картина мира.

«Полевая физика» - Полевая физика в приложении к явлениям микромира. Реализация указанного механизма. Классический ядерный потенциал. Полная масса частицы. Знак полной массы. Использование в полевой физике суммарной переменной массы. Решение соответствующего полевого уравнения движения. Зависимость массы покоя элементарных частиц от гравитационного потенциала.

«История развития физики» - Первый космонавт Земли. Исаак Ньютон. История развития физики. Физика ХХ века. Демокрит. Архимед. Михаил Васильевич Ломоносов. Этапы развития физики. Прорыв в освоении космоса. Галилео Галилей. Ученые Древней Греции. Джеймс Максвелл. Физика и техника. Посадка на Луну.

«Механическая картина мира» - Материя. Ньютон на основе закона всемирного тяготения изложил теорию сжатия. Ядром МКМ является механика Ньютона или классическая механика. Корпускулярная теория. Движение. Гениальные идеи. Одним из первых, кто задумался о сущности движения, был Аристотель. Движение – одна из основных проблем естествознания.

Всего в теме 12 презентаций

ХХ век – век научных революций. Открытия, сделанные в этом веке, изменили ход человеческой цивилизации.

Квантовая теория Планка

Макс Планк

В самом начале ХХ века, в 1900 г., профессор Берлинского университета Макс Планк вывел формулу, описывающую распределение энергии в спектре абсолютно чёрного тела. До открытия Планка считалось, что энергия распределяется равномерно. Но Планк доказал, что она распределяется порциями – квантами. Планк сделал доклад Немецкому физическому обществу 14 декабря 1900 г. Конечно же, ему никто не поверил.

Но уже в 1905 г. на основании выводов Планка Эйнштейн создал квантовую теорию фотоэффекта. А Нильс Бор построил модель атома, в которой электроны вращались по строго определённым орбитам, излучая энергию только в момент перехода из одной орбиты на другую.

Благодаря гениальному открытию Планка учёные поняли, как ведут себя электроны. Впоследствии теория Планка дала мощный толчок развитию электроники, генной инженерии, атомной энергетики.

Теория относительности Эйнштейна

Альберт Эйнштейн

Второе великое научное открытие ХХ века – общая теория относительности Эйнштейна, или теория гравитации.

В 1905 г. Эйнштейн создал специальную теорию относительности. Эйнштейн сделал вывод, что различные наблюдатели по-разному воспринимают любые события, даже пространство и время. Например, для пассажира трамвая предмет, который он уронит на пол, будет падать вертикально вниз. А для наблюдателя на улице этот предмет падает по параболе, так как трамвай движется. То есть, описание любого события зависит от системы отсчёта, в которой находится наблюдатель. Если изменится система отсчёта, то изменится и описание события. Но законы природы отнаблюдателя не зависят. И они будут одни и те же для всех систем отсчёта, движущихся с постоянной скоростью. А общая теория относительности, созданная Эйнштейном в 1916 г., распространяет этот принцип на все системы отсчёта, даже на те, которые движутся с ускорением.

Эйнштейн доказал, что гравитация – это следствие искривления четырёхмерного пространства - времени. Теория Эйнштейна дала объяснение эффекта замедления времени. С помощью этой теории рассчитали орбиту планеты Меркурий, объяснили, почему искривляются лучи звёзд, когда проходят рядом с другими звёздами.

Открытие транзистора

Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн

Без сомнения, открытие транзистора является одним из важнейших открытий в истории человечества.

Первый рабочий транзистор был создан в 1947 г. американскими физиками Уолтер Браттейном, Уильямом Шокли и Джоном Бардиным. Вначале эти великие учёные продемонстрировали опыт, в котором с помощью обычной скрепки для бумаг, золотой фольги и небольшого количества германия увеличили силу тока в сотни раз. Это случилось 16 декабря. А уже через неделю было готово устройство, которое можно было считать действующим транзистором. В июне 1948 г. был создан радиоприёмник, где привычные электронные лампы были заменены транзисторами.

В 1956 г. авторы первого транзистора получили Нобелевскую премию за своё изобретение. А уже в 1958 г. была продемонстрирована первая интегральная схема, которая представляла собой два транзистора, расположенные на одной подложке из кремния.

В электронике началась новая транзисторная эра. Транзисторы заменили лампы повсюду – в телевизорах, радиоприёмниках, ламповых компьютерах.

Если бы не открытие транзистора, современные компьютеры не существовали бы в таком виде, как сейчас. Они не обладали бы таким огромным быстродействием и большой памятью. Не существовало бы жидкокристаллических мониторов, ноутбуков и мобильных телефонов.

Конечно, современные транзисторы отличаются от тех, которые были созданы в середине ХХ века. Технологии изменились. Ина одной подложке размещаются уже миллионы транзисторов.

За 15 лет с начала нового тысячелетия люди и не заметили, что попали в иной мир: мы живем в другой Солнечной системе, умеем ремонтировать гены и управлять протезами силой мысли. Ничего этого в XX столетии не было

Генетика

Геном человека полностью секвенирован

Робот сортирует ДНК человека в чашках Петри для проекта The Human Genome

Проект «Человеческий геном» (The Human Genome Project ) начался в 1990 году, в 2000-м был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном - в 2003 году. Однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков еще не закончен. В основном он был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Секвенирование генома имеет решающее значение для разработки лекарств и понимания того, как устроено человеческое тело.

Генная инженерия вышла на новый уровень

В последние годы был разработан революционный метод манипуляции ДНК при помощи так называемого CRISP -механизма. Эта методика позволяет избирательно редактировать определенные гены, что раньше было невозможно.

Математика

Доказана теорема Пуанкаре

В 2002 году российский математик Григорий Перельман доказал теорему Пуанкаре, одну из семи задач тысячелетия (важные математические проблемы, решение которых не найдено в течение десятков лет). Перельман показал, что исходная трехмерная поверхность (если в ней нет разрывов) обязательно будет эволюционировать в трехмерную сферу. За эту работу он получил престижную «медаль Филдса», аналог Нобелевской премии в математике.

Астрономия

Открыта карликовая планета Эрида

Впервые Эриду сфотографировали еще 21 октября 2003 года, но заметили на снимках только в начале 2005-го. Ее открытие стало последней каплей в спорах о судьбе Плутона (продолжать ли его считать планетой или нет), что изменило привычный образ Солнечной системы (см. стр. 142–143).

Обнаружена вода на Марсе

В 2005 году аппарат «Марс Экспресс» Европейского космического агентства обнаружил большие залежи водяного льда недалеко от поверхности - это очень важно для последующей колонизации Красной планеты.

Физика

Глобальное потепление - быстрее, чем ожидалось

В 2015 году ученые из Всемирного центра мониторинга ледников при Цюрихском университете (Швейцария) под руководством доктора Михаэля Цемпа, работая совместно с коллегами из 30 стран, установили, что темп таяния ледников на Земле к настоящему времени, по сравнению c усредненными показателями за XX век, вырос в два-три раза.

Обнаружена квантовая телепортация

Такая телепортация отличается от телепортации, о которой любят говорить фантасты, - при ней материя или энергия не передаются на расстояние. Эксперименты по передаче квантовых состояний на большие расстояния были удачно проведены за последние 15 лет не менее чем десятком научных групп. Квантовая телепортация очень важна для создания сверхзащищенных шифров и квантовых компьютеров.

Экспериментально подтверждено существование графена

Его двумерная (толщиной в один атом) кристаллическая решетка проявляет необычные электрофизические свойства. Впервые графен был получен Андреем Геймом и Константином Новоселовым в 2004 году (Нобелевская премия за 2010-й). Его планируется использовать в электронике (в сверхтонких и сверхбыстрых транзисторах), композитах, электродах и т. д. Кроме того, графен - второй по прочности материал на свете (на первом месте - карбин).

Доказано существование кварк-глюонной плазмы

В 2012 году эксперименты физиков, работающих с ускорителем RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), попали в Книгу рекордов Гиннесса с формулировкой «за самую высокую температуру, полученную в лабораторных условиях». Сталкивая ионы золота на ускорителе, ученые добились возникновения кварк-глюонной плазмы с температурой 4 триллиона °С (в 250 тысяч раз горячее, чем в центре Солнца). Спустя примерно микросекунду после Большого взрыва Вселенная была наполнена как раз такой плазмой.

Найден бозон Хиггса

Существование этой элементарной частицы, отвечающей за массу всех прочих частиц, теоретически было предсказано Питером Хиггсом еще в 1960-х годах. А найдена она была во время экспериментов на Большом адронном коллайдере в 2012-м (за что Хиггс, совместно с Франсуа Энглером, получил Нобелевскую премию 2013 года).

Биология

Людей поделили на три энтеротипа

В 2011 году ученые из Германии, Франции и нескольких других исследовательских центров доказали, что по генетике населяющих нас бактерий люди делятся на три категории, или энтеротипа. Энтеротип человека проявляется в разной реакции на еду, лекарства и диеты, и потому стало ясно, что никаких универсальных рецептов в этих областях существовать не может.

Создана первая синтетическая бактериальная клетка

В 2010 году ученые из Института Крейга Вентера (был одним из лидеров гонки по расшифровке человеческого генома) создали первую полностью синтетическую хромосому с геномом. Когда ее встроили в бактериальную клетку, лишенную генетического материала, она начала функционировать и делиться по предписанным новым геномом законам. В перспективе синтетический геном позволит создавать вакцины против новых вирусных штаммов за часы, а не за недели, производить эффективное биотопливо, новые пищевые продукты и т. д.

Удачно записаны и перезаписаны воспоминания

Начиная с 2010 года несколько исследовательских групп (США, Франция, Германия) научились записывать в мозг мышей ложные воспоминания, стирать реальные, а также превращать приятные воспоминания в неприятные. До человеческого мозга дело пока не дошло, но осталось недолго.

Получены «этичные» (не из эмбрионов) плюрипотентные стволовые клетки

В 2012 году Синъя Яманака совместно с Джоном Гёрдоном стали лауреатами Нобелевской премии за открытие 2006 года - получение плюрипотентных стволовых клеток мыши путем эпигенетического перепрограммирования. За последующее десятилетие не менее десятка научных групп добились впечатляющих успехов в данной области, в том числе с человеческими клетками. Это предвещает скорые прорывы в терапии рака, регенеративной медицине, а также в клонировании человека (или его органов).

Палеонтология

Впервые обнаружены мягкие ткани динозавра

Мэри Швейцер руководила научной группой, которая описала коллаген, выделенный из бедренной кости Tyrannosaurus reх

Молекулярный палеонтолог Университета Северной Каролины Мэри Швейцер в 2005 году в окаменевшей конечности подростка-тираннозавра из Монтаны (возрастом 65 млн лет) обнаружила мягкие ткани. Ранее считалось, что любые белки разложатся максимум за несколько тысяч лет, поэтому никто их в окаменелостях и не искал. После этого мягкие ткани (коллаген) были обнаружены и в других древнейших образцах.

У людей обнаружены гены неандертальцев и «денисовского человека»

Участники международного симпозиума «Переход к верхнему палеолиту в Евразии: культурная динамика и развитие рода Homo » осматривают место раскопок в центральном зале Денисовой пещеры

Из работ двух научных групп стало ясно, что от 1 до 3% генома среднестатистического европейца или азиата восходит к неандертальцам. Но у каждого современного индивидуума присутствуют несхожие неандертальские аллели (различные формы одного и того же гена), поэтому общая сумма «неандертальских» генов куда выше, до 30%. «Наследники» неандертальцев (скрещивание происходило около 45 тысяч лет назад) - в основном европейцы; у азиатов в геноме присутствуют следы скрещивания с еще одним гоминидом - «денисовским человеком». Самые «чистые» Homo sapiens - уроженцы Африканского континента.

Медицина

По дыханию распознана ранняя стадия рака легких

Год назад группа израильских, американских и британских ученых разработала устройство, которое способно точно идентифицировать рак легких и определить, в какой стадии он находится. Основой устройства стал анализатор дыхания со встроенным наночипом NaNose , способный «вынюхать» раковую опухоль с 90-процентной точностью, даже когда раковый узелок практически незаметен. В скором времени стоит ожидать анализаторов, которые смогут по «запаху» определять и другие виды рака.

Разработано первое полностью автономное искусственное сердце

Специалисты американской компании Abiomed разработали первое в мире полностью автономное постоянное искусственное сердце для имплантаций (AbioCor ). Искусственное сердце предназначено для пациентов, у которых невозможно лечение собственного сердца или имплантация донорского.

Бионика

Созданы биомеханические устройства и протезы, контролируемые усилием мысли

Американец Зак Вотер испытал бионический ножной протез, поднявшись по лестнице на 103-й этаж небоскреба Уиллис-тауэр, расположенного в Чикаго

В 2013 году появились первые опытные образцы «умных» протезов с обратной связью (эмуляцией осязательных ощущений), которые позволяют человеку чувствовать то, что «ощущает» протез. В 2010-х годах созданы и отдельные от человека устройства, управляемые только через мысленный интерфейс (иногда с инвазивными контактами, но чаще это похоже на головной обруч с сухим электродом), - компьютерные игры и тренажеры, манипуляторы, транспорт и пр.

Электроника

Перейден петафлопсный барьер

В 2008 году новый суперкомпьютер в Лос-Аламосе (США) заработал со скоростью более квадриллиона (тысяча триллионов) операций в секунду. Следующий барьер, эксафлопсный (квинтиллион операций в секунду) будет достигнут в ближайшие годы. Системы с такой невероятной скоростью необходимы в первую очередь для высокопроизводительных вычислений - обработки данных научных экспериментов, климатического моделирования, финансовых операций и т. д.

Фото: Alamy, SPL, Newscom / Legion Media, SPL / Legion Media (X2), Photo courtesy of North Carolina State University, Reuters / Pix- Stream, Александр Кряжев / РИА Новости, Reuters / Pix-Stream, Michael Hoch, Maximilien Brice / © 2008 CERN, for the benefit of the CMS Collaboration, AP / East News

В конце XIX–начале XX вв. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о мире. Оказалось, что положения классической физики совершенно непригодны для исследования микромира. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

История исследования строения атома началась в 1895 году благодаря открытию Дж. Томпсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Согласно первой модели атома, построенной ученым Э. Резерфордом, атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Ядро – положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10 -12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10 -8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.

Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. Беккерелем. Открытие сложной структуру атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества. Оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как о двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком Максом Планком. В конце XIX века в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, М. Планк пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах. Энергия каждого кванта, согласно Планку, пропорциональна частоте волны, то есть цвету излучаемого света:

где n – частота излучения; h – некоторая универсальная константа, получившая название постоянной Планка. О своем открытии Планк доложил 14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества. Этот день считается в истории физики днем рождения квантовой теории, открывшей новую эру в естествознании.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был Эйнштейн. В 1905 году он перенес гениальную идею квантового поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было очень смелым, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам Планк, относивший свою квантовую формулу только к законам теплового излучения черного тела.

А. Эйнштейн же утверждал, что здесь речь идет о закономерности всеобщего характера. Он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. Свет есть распространяющееся в мировом пространстве волновое явление, но световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Эйнштейновское учение о фотонах позволило объяснить явление фотоэлектрического эффекта , суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу в 1922 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Квантовая теория света относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по дифракции и интерференции.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте – корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого ряда. Основная характеристика его дискретности – присущая ему порция энергии – вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту. Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка позволила Н. Бору разработать новую модель атома.

Теория атома Н. Бора

В 1913 г. датский физик Нильс Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристики атомных спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при планетарной модели атома Резерфорда. Модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов – атом электрически нейтрален.

Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро. Другое противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла.

Модель атома Н.Бора, разрешившая эти противоречия, базировалась на планетарной модели Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных орбит, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая ;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атома: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, почему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяются; объясняются и линейчатые спектры атомов, где каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Бора позволила дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем больше было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Оказалось, что точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других - меньше. Следовательно, электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния.

Теория Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физики, нарушили ее целостность, но позволили обеспечить лишь небольшой круг экспериментальных данных. В результате дальнейшего развития квантовой механики выяснилось, что атомную модель Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме, в принципе, нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Атом физиков-теоретиков все больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.