Наука и техника: прошлое и настоящее

Памятные даты

4 марта. 105 лет со дня рождения американского физика-теоретика Джорджа (Георгия Антоновича) Гамова (родился в России, с 1933 г. – за границей, с 1934 г. – в США). Работы посвящены квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии, биологии, истории физики. Независимо от Р.Гёрни и Э.Кондона применил (1928) квантовую механику для объяснения альфа-распада, показав, что частицы даже с не очень большой энергией могут с определённой вероятностью проникать через потенциальный барьер, дал модель прямоугольной потенциальной ямы. В результате возникло представление о туннельном эффекте. Сформулировал представление об уровнях энергии в ядре и показал, что более эффективными «ядерными снарядами» являются протоны. Совместно с Э.Теллером установил (1936) в теории бета-распада правила отбора.

Значительных успехов достиг в астрофизике и космологии. Исходя из предположения о ядерном происхождении звёздной энергии построил (1937–1940) теорию эволюции звёзд. Создал (1943) оболочечную модель красных гигантов и рассчитал эволюционные треки таких звёзд. Вместе с М.Шёнбергом исследовал (1940–1941) роль нейтрино при вспышках новых и сверхновых. Разработал (1946–1948) одну из самых ярких и грандиозных астрофизических теорий – концепцию Большого Взрыва, или теорию горячей Вселенной. Он был первым, кому удалось соединить космологию с физикой микромира. Вместе с Р.Альфредом и Р.Германом исследовал ядерные реакции, происходящие при расширении горячего вещества и постепенно в результате захвата нейтронов приводящие к образованию химических элементов. В рамках своей теории горячей Вселенной Гамов предсказал существование реликтового излучения и в дал (1956) первую теоретическую оценку его температуры (6 К). Существование реликтового излучения было подтверждено в 1965 г. радиоастрономическими наблюдениями А.Пензиаса и Р.Вильсона. Предложил механизм звёздного коллапса. Ему принадлежит также открытие (1953) феномена генетического кода – фундамента современной биологии. Опубликовал (1954) работу о триплетной структуре информационного кода белковой молекулы ДНК, предвосхищая некоторые идеи создателей модели двойной спирали Ф.Крика и Дж.Уотсона. Написал много научно-популярных книг.

8 марта. 130 лет тому назад родился немецкий радиохимик и физик Отто Ган. Работал в области радиоактивности, ядерной химии и ядерной физики. Открыл целый ряд радиоактивных элементов (многие – совместно с Л.Мейтнер), в частности, радиоторий, протактиний, явление ядерной изомерии в естественных радиоактивных элементах (1921); в 1938 г. совместно с Ф.Штрассманном – явление деления ядер урана нейтронами (Нобелевская премия по химии, 1944). Близко подошёл к открытию явления изотопии химических элементов.

8 марта. 95 лет со дня рождения советского физика Якова Борисовича Зельдовича. Работы посвящены химической физике, теории горения, физике ударных волн и детонации, физической химии, физике ядра и элементарных частиц, астрофизике и космологии. Является одним из основателей макроскопической кинетики. В теории горения нашёл связь между скоростью распространения пламени и кинетикой химических реакций в нём, решил такие важные задачи, как поджигание смеси накалённой поверхностью, определение фронта распространения пламени и др. Создал физические основы внутренней баллистики ракетных пороховых двигателей. В теории детонации обосновал гипотезу Чепмена–Жуге, впервые объяснил явление предела детонации, решил задачу удара с большой скоростью по поверхности среды и др.

В 1939–1940 гг. совместно с Ю.Б.Харитоном дал расчёт ядерного цепного процесса в уране, исследовал эффект ухода нейтронов под порог деления из-за рассеяния, развил теорию гомогенного реактора на тепловых нейтронах и теорию резонансного поглощения нейтронов ядрами урана-238, рассмотрел кинетику реактора и указал на принципиальную роль запаздывающих нейтронов для регулирования его работы.

Принимал непосредственное участие в решении проблемы использования ядерной энергии.

Предсказал возможность удержания ультрахолодных нейтронов в сосуде с отражающими стенками, мюонный катализ (1953) и разработал его теорию. Указал на возможность существования ядер с большим избытком нейтронов (⁸Не). Ввёл понятия лептонных зарядов (1952–1953), предсказал бета-распад заряженных пионов (1954) и совместно с С.С.Герштейном – явление сохранения векторного тока (1955). Указал на существование новых электромагнитных характеристик частиц, возникающих при нарушении чётности, первым (1958– 1960) обратил внимание на существование зарядового форм-фактора нейтрино и на нарушение чётности состояния атомов за счёт слабого взаимодействия электрона с ядром. Предложил (1958) метод обнаружения короткоживущих частиц путём измерения распределения числа событий по эффективной массе продуктов распада, явившийся одним из основных при поиске и изучении резонансов.

С начала 60-х гг. в основном работал в области астрофизики и космологии. Разработал теорию строения сверхмассивных тел массой от сотен тысяч до миллиардов масс Солнца, дал полную качественную картину последних этапов эволюции обычных звёзд различной массы, исследовал свойства «чёрных дыр» и процессы, которые могут помочь открыть их существование. Фундаментальные результаты получил в теории процессов в «горячей» Вселенной: построил теорию взаимодействия горячей плазмы расширяющейся Вселенной и излучения, рассмотрел процессы искажения спектра реликтового излучения и возникновения мелкомасштабных флуктуаций интенсивности излучения, развил теорию роста возмущений в горячей Вселенной, исследовал последнюю стадию формирования галактик.

14 марта. 130 лет тому назад родился выдающийся физик-теоретик, один из создателей современной физики Альберт Эйнштейн. Родился в Германии, учился и работал в Швейцарии, Праге (1911), Берлине (1914–1933), США (с 1933). Первые исследования были посвящёны молекулярной физике (с 1902), а именно проблеме статистического описания движения атомов и молекул и взаимосвязи движения и теплоты. В этих работах он пришёл к выводам, существенно расширяющим результаты, полученные австрийским физиком Л.Больцманом и американским физиком Дж.Гиббсом. В центре внимания исследований по теории теплоты находилось броуновское движение. В 1905 г. с помощью статистических методов показал, что между скоростью движения взвешенных частиц, их размерами и коэффициентами вязкости жидкостей существует количественное соотношение, которое можно проверить экспериментально. Придал законченную математическую форму статистическому объяснению этого явления, представленному ранее польским физиком М.Смолуховским. Закон броуновского движения Эйнштейна был полностью подтверждён в 1908 г. опытами французского физика Ж.Перрена. Работы по молекулярной физике доказывали правильность представлений о том, что теплота есть форма энергии неупорядоченного движения молекул. Одновременно они подтверждали атомистическую гипотезу, а предложенный метод определения размеров молекул и его формула для броуновского движения позволяли определить число молекул.

Разработал (1905) основы специальной теории относительности, изложив новые законы движения, которые обобщали ньютоновские и переходили в них в случае малых скоростей тел. В основу своей теории положил два постулата: специальный принцип относительности, являющийся обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические явления, и принцип постоянства скорости света в вакууме. Оба постулата и теория, построенная на их основе, заставили пересмотреть ряд основных положений классической физики Ньютона, установили новые пространственно-временные представления (относительность длины, времени, одновременности событий).

В том же 1905 г. открыл закон взаимосвязи массы и энергии. Показал, что масса является мерой энергии, заключённой в телах. Это соотношение Эйнштейна (Е = mс²) лежит в основе расчёта энергетического баланса ядерных реакций, в основе всей ядерной физики. Все положения и выводы специальной теории относительности были подтверждены многочисленными опытами.

Опираясь на гипотезу, выдвинутую в 1900 г. М.Планком, о квантовании энергии материального осциллятора, постулировал квантование самого светового излучения, рассматривая последнее как поток квантов света, или фотонов (фотонная теория света). Это позволяло простым способом объяснить фотоэлектрический эффект, обнаруженный Г.Герцем и не укладывавшийся в рамки волновой теории света. Девять лет спустя предложенная им интерпретация была подтверждена исследованиями американского физика Р.-Э.Милликена. Исходя из квантовой теории света объяснил такие явления, как фотоэффект (закон Эйнштейна для фотоэффекта), правило Стокса для флюоресценции, фотоионизацию и др., которые не могла объяснить электромагнитная теория света (Нобелевская премия, 1921). Распространил (1907) идеи квантовой теории на физические процессы, непосредственно не связанные со светом. В частности, рассмотрев тепловые колебания атомов в твёрдом теле и использовав идеи квантовой теории, объяснил уменьшение теплоёмкости твёрдых тел при понижении температуры, разработав первую квантовую теорию теплоёмкости твёрдых тел (1907). Первым рассмотрел (1909) корпускулярно-волновой дуализм излучения, а также флуктуации энергии равновесного излучения, получив формулу для флуктуации энергии. Установил (1912) основной закон фотохимии: каждый поглощённый фотон вызывает одну элементарную фотореакцию (закон Эйнштейна).

Предсказал (1915) и совместно с В. де Гаазом экспериментально обнаружил эффект изменения механического момента при намагничивании тела (эффект Эйнштейна–де Гааза).

Завершил (1915) создание общей теории относительности, или современной релятивистской теории тяготения, установившей связь между пространством-временем и материей. Принципы эквивалентности и относительности легли в основу общей теории относительности, объяснившей сущность тяготения, состоящую в изменении геометрических свойств, искривлении четырёхмерного пространства-времени вокруг тел, которые образуют поле. Вывел уравнение (уравнение Эйнштейна), описывающее поле тяготения (в 1915 г. общековариантные уравнения гравитационного поля получил также Д.Гильберт). Для проверки своей теории предложил три эффекта: искривление светового луча в поле тяготения Солнца, смещение перигелия Меркурия и гравитационное красное смещение. Эти эффекты, как показали последующие эксперименты, действительно существуют и количественно правильно предсказывались общей теорией относительности.

Всего через год после опубликования работы по общей теории относительности учёный представил ещё одну работу, имевшую революционное значение. Поскольку не существует пространства и времени без материи, т.е. без вещества и поля, то Вселенная должна быть пространственно конечной (идея замкнутой Вселенной). Эта гипотеза находилась в резком противоречии со всеми привычными представлениями и привела к появлению целого ряда релятивистских моделей мира. И хотя статическая модель Эйнштейна оказалась в дальнейшем несостоятельной, основная её идея – замкнутости – сохранила силу. Одним из первых, кто творчески продолжил космологические идеи Эйнштейна, был советский математик А.А.Фридман. Исходя из эйнштейновских уравнений, он пришёл (1922) к динамической модели – гипотезе замкнутого мирового пространства, радиус кривизны которого возрастает во времени (идея расширяющейся Вселенной).

В 1916–1917 гг. вышли работы Эйнштейна, посвященные квантовой теории излучения. В них он рассмотрел вероятности переходов между стационарными состояниями атома (теория Н.Бора), ввёл вероятности спонтанного и вынужденного излучений (коэффициенты Эйнштейна) и выдвинул идею индуцированного излучения. Эта концепция стала теоретической основой современной лазерной техники.

Создал (1924–1925) квантовую статистику частиц с целым спином (статистика Бозе–Эйнштейна).

16 марта. 150 лет тому назад родился русский физик и электротехник Александр Степанович Попов. Исследования относятся к электро- и радиотехнике, в частности, радиосвязи. Повторив (1888) опыты Г.Герца по получению электромагнитных волн, первым указал (1889) на возможность их использования для передачи сигналов на расстояние. На базе когерера Бранли–Лоджа создал надёжный приёмник радиосигналов и, увеличив его чувствительность благодаря установке приёмной антенны в ви- де вертикального провода длиной 2,5 м, 7 мая 1895 г. на заседании физического отделения Российского физико-химического общества продемонстрировал первый в мире сеанс радиосвязи с передачей на расстояние 64 м коротких и длинных радиосигналов – точек и тире азбуки Морзе – и их приёмом (звонками разной продолжительности). В том же году показал, что приёмник его системы телеграфии без проводов реагирует и на грозовые разряды, и создал прибор метеорологического назначения (грозоотметчик). Через год, усовершенствовав свою систему путём подключения к выходу приёмника аппарата Морзе с печатающим устройством, а к выходу передатчика – передающей штыревой антенны, 24 марта 1896 г. на заседании физического отделения Российского физико-химического общества наглядно продемонстрировал передачу сигналов на расстояние 250 м, передав первую в мире радиограмму из двух слов – «Генрих Герц» – с записью азбукой Морзе на телеграфную ленту. (Несколько позже подобные приборы создал Г.Маркони.)

Впервые (1897) обнаружил явление отражения волн от предметов (в частности, от кораблей), находящихся на пути их распространения. Это явление было положено в основу радиолокации. Осуществил серию опытов по радиотеле­графии на значительные расстояния.

В честь А.С.Попова Президиум АН СССР в 1945 г. учредил золотую медаль его имени за выдающиеся достижения в области радиофизики. День 7 мая стал Днём радио.

22 марта. 615 лет тому назад родился узбекский астроном, один из великих учёных Средневековья, внук известного завоевателя Тимура (Тамерлана) Мухаммед Тарагай Улугбек. В 1409 г. его отец (сын Тимура) Шахрух объявил его правителем Самарканда. С юных лет проявлял склонность к научным занятиям. Делом жизни Улугбека и окружавших его учёных (Казы-заде-ар-Руми, Джемшид Гияс-ад-дин-ал Каши, Али Кушчи) стало создание большой обсерватории в стране. Для подготовки и воплощения этой идеи в 1417 г. в Самарканде собралось представительное совещание астрономов, которое наметило программу строительства обсерватории вблизи города (осуществлялось в 1417–1420 гг.). Обсерватория представляла собой грандиозное круглое трёхъярусное здание высотой 30,4 м. Главной частью его был гигантский квадрант радиусом 40 м, не имевший равных в мире. Обсерватория была оснащена также множеством других приборов для выполнения астрономических измерений. В ней производились наблюдения с целью составления новых астрономических таблиц с такой точностью, «чтобы в определении угловых расстояний светил... не остались незамеченными минута и даже секунда дуги». Поставленная цель была достигнута, и в результате 30-летнего цикла наблюдений, начавшихся уже в 1417 г., самаркандские астрономы под руководством и при непосредственном участии Улугбека составили «Новые Гураганские таблицы» – главный труд обсерватории, в котором содержатся координаты 1018 звёзд, определённые впервые после Гиппарха и к тому же с невиданной ранее точностью. Это было последнее слово средневековой астрономии. В течение долгого времени каталог Улугбека считался лучшим в мире. Он был издан в 1665 г. в Оксфорде и не раз переиздавался с многочисленными комментариями. Большое значение в истории астрономии имели планетные таблицы, а также определение наклона эклиптики к экватору и годичной прецессии, выполненные самаркандскими астрономами.

Увлечение Улугбека наукой, его просветительская деятельность и пренебрежительное отношение к религии вызвали ожесточение шейхов. Улугбек был обвинён в ереси. Старший сын Улугбека Абд-ал-Летиф, находившийся под влиянием духовенства, объявил ему войну и одержал победу. Вскоре после этого Улугбек был предательски убит как «отступник от ислама». Религиозно настроенные фанатики впоследствии полностью разрушили обсерваторию. Стараниями русского учёного В.Л.Вяткина в 1908 и 1914 гг. были произведены первые раскопки обсерватории, в 1941 и 1948 гг. они были успешно продолжены.

24 марта. 125 лет тому назад родился физик и химик, один из основоположников теории твёрдого тела Петер Йозеф Вильгельм Дебай. Уроженец Нидерландов, он учился и работал в Германии, а с 1940 г. – в США. Работы по­священы квантовой теории твёрдых тел, теории теплопроводности кристаллов, теории строения молекул, квантовой теории атома. Ввёл (1912) представление о твёрдом теле как изотропной упругой среде, способной совершать колебания в конечном диапазоне частот (модель твёрдого тела Дебая), и рассчитал спектр собственных частот для правильного кристалла. Исходя из вида спектра в области низких частот показал, что теплоёмкость решётки при низких температурах должна быть пропорциональна третьей степени абсолютной температуры (закон теплоёмкости Дебая). В рамках своей модели ввёл понятие характеристической температуры (температура Дебая), которая определяет для каждого вещества область, где становятся существенными квантовые эффекты. Развил теорию теплопроводности диэлектрических кристаллов и дипольную теорию диэлектриков, основанную на представлении о молекулах как жёстких диполях. Независимо от Л.Бриллюэна предсказал (1913) диффузионное рассеяние рентгеновских лучей на колебаниях решётки.

Совместно с А.Зоммерфельдом применил (1916) условия квантования для объяснения эффекта Зеемана, ввёл магнитное квантовое число, совместно с П.Шерером разработал метод исследования структуры мелкокристаллических материалов с помощью дифракции рентгеновских лучей (метод Дебая–Шерера). Объяснил (1923) эффект Комптона. Независимо от У.Джиока предложил (1926) для получения температур ниже 1 К метод адиабатического размагничивания парамагнетиков (метод магнитного охлаждения). Обнаружил (1932) дифракцию света на ультразвуке. Совместно с Э.Хюккелем развил (1923) теорию сильных электролитов, объясняющую вид зависимости коэффициента активности от концентрации (формула Дебая–Хюккеля). Одним из первых начал исследования полимеров.

28 марта. 260 лет тому назад родился французский астроном, физик и математик Пьер Симон Лаплас. Физические исследования относятся к молекулярной физике, теплоте, акустике, электричеству, оптике. Установил (1821) закон изменения плотности воздуха с высотой (барометрическая формула). Разработал (1806–1807) теорию капиллярности, впервые использовав представление, что молекулярное притяжение обнаруживается лишь на малых расстояниях, дал формулу для определения капиллярного давления (формула Лапласа). Вывел (1816) формулу для скорости звука в газах с поправкой на адиабатность. Вместе с А.Лавуазье впервые применил для измерения линейного расширения тел зрительную трубу, при помощи сконструированного ими ледяного калориметра определил (1783) удельные теплоёмкости многих веществ. Придал общий вид закону Био–Савара в электродинамике.

Основные работы в области небесной механики, в которой он достиг выдающихся результатов, подытожены в пятитомнике «Трактат о небесной механике» (1798–1825). Сделал почти всё то, чего не смогли сделать его предшественники для объяснения движения тел Солнечной системы на основе закона всемирного тяготения. Решил сложные проблемы движения планет и их спутников, Луны, разработал теорию возмущений небесных тел, предложил новый способ вычисления их орбит, доказал устойчивость Солнечной системы в течение очень длительного времени, открыл причину ускорения в движении Луны. Предложил (1796) гипотезу происхождения Солнечной системы.

В математике известен оператором Лапласа, преобразованием Лапласа, интегралом Лапласа, уравнением Лапласа, теоремой Лапласа, является одним из создателей теории вероятностей.