Великие научные открытия первой половины XX в. Великие физики XX века

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.

(1885-1962)
Физик, лауреат Нобелевской премии за 1922 год
В МИКРОМИРЕ ИНЫЕ ЗАКОНЫ

Нильс Бор родился 7 ноября 1885 года в семье известного датского физиолога. Еще ребенком, наблюдая за многочисленными физическими экспериментами, проводимыми отцом, Нильс увлекся естественными науками. С 1903 по 1908 год Нильс Бор учится в Копенгагенском университете. Выдающиеся способности юноши замечены преподавателями, так что вскоре Нильс становится помощником ассистента на кафедре физики. В 1911 году молодой ученый защищает докторскую диссертацию, посвященную электронной теории металла. Уже в этой ранней работе Нильса Бора содержится вывод о том, что представления классической физики недостаточны для объяснения электронных и атомных процессов, как и явлений электромагнитного излучения.

После защиты диссертации Нильс Бор едет на стажировку в Англию, где работает сначала в Кембриджском университете, а затем Манчестере - в лаборатории Эрнеста Резерфорда, к тому времени уже знаменитого физика. Именно в те годы Резерфорд экспериментально доказал, что внутри атома находится некое массивное тело. Экспериментатор назвал его «ядром». В опубликованной в 1912 году статье «Рассеяние альфа- и бета-частиц в веществе и структура атома» Резерфорд уподобил атом миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг положительно заряженной «звезды»-ядра вращаются отрицательно заряженные «планеты» - электроны.

Поначалу ядерно-электронная модель атома не была принята всерьез научным миром. Ведь она шла вразрез с классическими канонами физики! Однако двадцатипятилетний Нильс Бор сразу поверил в атомную модель Резерфорда. Он понял, что исходя из этой «химерической» планетарной системы можно построить новую физику. Впоследствие она получила название «квантовая физика атома». Вот что писал Нильс Бор в своих Мемуарах: «Весной 1912 года я пришел к убеждению, что электронное строение атома Резерфорда управляется с помощью кванта действия». Рассуждал он примерно так: атом ничтожно мал, его диаметр не превышает стомиллионной доли сантиметра. При этом его частипы обладают электрическими зарядами строго определенной величины, а также определенной массой. Как, исходя из этих данных, «вывести» размер атома? Массы и заряды не позволяют получить величину, имеющую размерность длины. Значит, либо должны существовать некие, доселе неизвестные силы, действующие на расстояниях, соизмеримых с атомным радиусом, либо в расчеты должны быть введены некие константы, которые позволят вместе с зарядом и массой получить величину размерности длины. Такой константой могла стать только постоянная Планка.

1913 год. Именно в том году он опубликовал три фундаментальные работы, введя в науку свои знаменитые квантовые постулаты, определявшие строение атома, а также испускания и поглощения им электромагнитного излучения. На примере атома водорода ученый констатировал, что излучение электрона, который движется вокруг ядра, не представляет собой непрерывного спектра, а значит, не может быть описано законами классической электродинамики, согласно которым электроны вследствие своего ускорения должны были бы постепенно терять энергию и в конце концов упасть на ядро. Чтобы устранить возникшее противоречие, Бор предложил опереться на данные эксперимента, а не на классические постулаты, абсолютно бессильные, коль скоро речь заходит о столь малых заряженных объектах. Он выдвинул свои постулаты, в основе которых лежала, как уже говорилось, квантовая теория Макса Планка.

В соответствие с постулатами Бора, электрон в свободном атоме водорода вращается вокруг ядра не по произвольной орбите, а по такой траектории, прохождение которой не связано с излучением энергии. Образование линейчатого спектра, непонятного с точки зрения классической физики, объяснялось тем, что электрон, поглощая фотон, переходит на более высокую орбиту. Соответственно, при потере энергии, электрон переходит на более низкую орбиту.

Теория объясняла также потерю атомом электронов при образовании положительных ионов. Основные постулаты теории Бора были изложены в статье «О строении атомов и молекул», опубликованной 5 апреля 1913 года. Согласно этой теории:

а) электроны могут перемещаться только по строго определенным орбитам. Чем дальше находится электрон от ядра, тем слабее притяжение,
которое он испытывает, и тем проще его вырвать из атома;

б) при перемещении по одной и той же орбите электрон не излучает энергии;

в) при перескакивании с одной орбиты на другую электрон поглощает или излучает энергию: при переходе с более близкой на более дольнюю
орбиту - поглощает, так как при этом он преодолевает силу притяжения ядра, в случае обратного перехода - излучает.

Переход с одной орбиты на другую соответствует излучениям со строго определенными частотами, которые вычисляются с помощью постоянной Планка. Фотоны переносят энергию не непрерывно, а в виде квантов. Каждое тело, которому сообщается энергия (например, при нагреве), возвращает ее затем в виде излучения со строго определенной частотой, специфичной для данного вещества. Теория Бора стала подлинной революцией в физике. Она показала, что в микромире действуют законы, абсолютно непохожие на те, которыми описывается мир макрообъектов. Однако достаточно стройная модель атома Резерфорда-Бора не лишена была противоречий. Ведь новое представление о стационарных электронных орбитах опиралось на теорию Планка, тогда как расчет этих «планетарных» орбит производился по методам классической механики. Физик Генри Брэгг иронизировал на сей счет: «Мы как бы должны по понедельникам, средам и пятницам пользоваться классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам - квантовыми». Со временем наука пришла к выводу, что резерфордовско-боровская модель атома - лишь удобное приближение, тогда как реальный атом намного сложнее. Однако постулаты Бора не только устояли, но и легли в основу современной теоретической физики.

В 1920 году Нильс Бор становится во главе созданного им Института теоретической физики в Копенгагене, в 20-30-е годы по праву считающегося международным центром науки. Здесь ученый продолжает работу по изучению строения атома и атомного ядра. На заседании Физического общества 18 октября 1921 года он выступает с докладом «Строение атома и физические и химические свойства элементов», в котором объясняет глубинные причины периодического изменения свойств элементов. Бор связывает Периодическую систему Д. Менделеева с изменениями в строении электронных оболочек элементов. Вот как это формулируется в докладе: «Последовательность элементов распадается на различные периоды, внутри которых их химические свойства изменяются известным характерным образом. Для истолкования этой закономерности естественно предположить отчетливое распределение электронов в атоме таким образом, что расположение групп элементов в системе следует приписать постепенному образованию электронных групп в атоме по мере увеличения атомного ядра». Плодотворность предложенного датским физиком подхода вскоре была доказана фактом открытия гафния. Бор предположил, что неизвестный элемент с порядковым номером 72, хотя он и расположен в Периодической системе рядом с лантаноидами, может быть обнаружен не среди них, а вблизи циркония. Это предположение он сделал на основании того, что ряд лантаноидов заканчивается на элементе 71, электронная оболочка которого содержит максимальное число электронов - то есть полностью заполнена, из чего следует, что элемент с порядковым номером 72 относится уже к другой группе. В 1922 году Нильсу Бору была присуждена Нобелевская премия по физике «за заслуги в изучении строения атомов и испускаемого ими излучения»: В своей нобелевской лекции Бор сообщил о том, что двое его сотрудников обнаружили элемент с порядковым номером 72 именно в циркониевых минералах. Так блестяще подтвердилось предсказание великого ученого. В 30-е годы областью научных интересов датского естествоиспытателя становится ядерная физика. В 1936 году он предлагает свой механизм протекания ядерных реакций, согласно которому бомбардирующая частица и ядро «простреленного» атома образуют составное ядро, в котором мгновенно перераспределяется энергия. Через ничтожно малый промежуток времени один или несколько нуклонов приобретают энергию, достаточную для того, чтобы покинуть ядро. В 1939 году Бор выдвигает капельную модель ядра. Совместно с Д. Уилером он разрабатывает количественную теорию деления урана под действием нейтронов и, благодаря своей блестящей научной интуиции, предсказывает вероятность спонтанного деления ядер.

Во время Второй мировой войны Данию оккупируют немецкие войска. Утром 29 сентября 1943 года Бор получает секретное сообщение о том, что фашисты собираются насильственно вывезти его в Германию, поскольку руководство «Третьего рейха» решило привлечь великого датчанина к реализации гитлеровского атомного проекта. Благодаря связям с движением Сопротивления, Бору и его жене удается в последнюю минуту ускользнуть от германских спецслужб. Под покровом ночи тайно они покидают родину на рыбацком судне и переправляются в Швецию. Оттуда они вскоре летят в Англию на переполненном бомбардировщике. Место для ученого нашлось только в бомбовом отсеке. Кислородный шлем оказался Бору слишком мал, и, пока самолет шел на большой высоте, физик едва не погиб от удушья. Кроме того, как впоследствии выяснилось, летчики имели приказ в «крайнем» случае открыть бомбометательный люк: ученый ни в коем случае не должен был попасть в руки врага. К счастью, все обошлось. Из Англии Бор перебирается в США, где принимает участие в работах по созданию атомной бомбы. Одним из первых великий датчанин понял, какая опасность таится в открытиях физиков-ядерщиков. В июле 1944 года он обратился к президенту США Ф. Рузвельту с меморандумом, в котором высказался за полное запрещение производства и применения атомного оружия. Сын Нильса Бора продолжил дело отца. В 1975 году Оге Бор получил Нобелевскую премию по физике «за развитие теории структуры атомного ядра».

Тим Бернерс-Ли

(р. 1955)
¶Создатель глобальной компьютерной сети
¶ВСЕМИРНЫЙ ПАУК

Он родился в Англии в семье с крепкими патриархальными традициями. Читать полностью »

(р. 1922)¶Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1964 год
¶МАЗЕР И ЛАЗЕР

Среди его научных трудов есть посвященные оптическим свойствам полупроводников и сверхпроводимости,
молекулярной плазме и синхротронному излучению, космическим лучам, пульсирующим нейтронам и даже проблемам общей теории относительности. Читать полностью »

(р. 1908)¶Физик, лауреат Нобелевских премий за 1956 и 1972 гг.
¶В ПОИСКАХ ТРАНЗИСТОРНОГО ЭФФЕКТА

Будущий дважды Нобелевский лауреат родился 23 мая 1908 года в городе Мэдисон, штат Висконсин, в семье профессора анатомии. Читать полностью »

Лев Андреевич Арцимович

(1909-1973)¶Физик
¶ВСЕ ОТРИЦАЮЩИЙ ДУХ

Академик Арцимович родился 25 февраля 1909 года в Москве. Читать полностью

Николай Николаевич Андреев

(1880-1970)¶Физик¶
ЧИСТОТА ЗВУКА

Основоположник российской акустической школы родился 15 июля 1880 года. Читать полностью »

Луис Альварес

(1911-1988)¶Физик, лауреат Нобелевской премии за 1968 год¶
И САМОЛЕТЫ, И ДИНОЗАВРЫ

Луис Уолтер Альварес родился 13 июня 1911 года в Сан-Франциско в семье университетского профессора. Читать полностью »

Анатолий Петрович Александров

(1903-1994)¶Физик¶
ОТ КИЕВА ДО ЧЕРНОБЫЛЯ

Академик Александров прожил долгую, интересную жизнь. Его творческую судьбу можно было бы назвать счастливой, если бы не авария, случившаяся в 1986 году на Чернобыльской АЭС на созданном им реакторе. Читать полностью »

Макс Фон Лауэ

(1879-1960)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1914 год
ЛУЧИ В ПЛЕНУ У КРИСТАЛЛА

Макс Теодор Феликс фон Лауэ родился 9 сентября 1879 года в Германии. Его отец в 1913 году получил потомственное дворянство и престижную приставку «фон» к фамилии. Читать полностью »

Лев Давидович Ландау

(1908-1968)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1962 год
ВЕЛИКИЙ УПРОСТИТЕЛЬ

Его называли лучшим физиком-теоретиком своего времени, а главным его качеством коллеги считали умение предельно ясно показывать фундаментальную простоту, присущую основным явлениям природы. Читать полностью »

Мария Кюри-Склодовская

(1867-1934)
Физик, химик, лауреат Нобелевских премий за 1903 и 1911 годы
ДОБЫЧА РАДИЯ - ТА ЖЕ ПОЭЗИЯ

Одна из самых великих женщин и ученых всех времен и народов, Мария Склодовская родилась 7 ноября 1867 года в Варшаве. Читать полностью »

Пьер Кюри

(1859-1906)
Физик, лауреат Нобелевской премии за 1903 год
СВЕТ БУДУЩЕГО

Пьер Кюри родился 15 мая 1859 года. Его отец Эжен Кюри был врачом, причем хорошим, однако после разгрома Парижской коммуны, участником которой был, он не имел богатых пациентов, а потому нуждался. Читать полностью »

Игорь Васильевич Курчатов

(1903-1960)
Физик
ВОИНСТВЕННЫЙ ATOM

Выдающийся физик Игорь Курчатов родился 12 января 1903 года в небольшом поселке Сим неподалеку от Уфы. Отец его, по образованию землемер, был в то время помощником лесничего. Читать полностью »

Вильгельм Рентген

(1845-1923)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1901 год
В СВЕТЕ ИКС-ЛУЧЕЙ

На фотопластинке проявляется контур изящной дамской руки с длинными пальцами. Снимок похож на негатив: отчетливо видны белые кости и более темные ткани вокруг них. Читать полностью »

Эрнест Резерфорд

(1871-1937)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1908 год
ПЛАНЕТА ПО ИМЕНИ АТОМ

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в Новой Зеландии в семье шотландского переселенца. Отец Эрнеста был не только хозяином деревообрабатывающего предприятия, но и мастером на все руки. Читать полностью »

Александр Михайлович Прохоров

(р. 1916)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1964 год
НА РАДИОВОЛНЕ

Русский ученый Александр Прохоров родился в Австралии. Туда забросила судьба его родителей, беглых ссыльных Михаила и Марию. Читать полностью »

Макс Планк

(1858-1947)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1918 год
ЛЕГКИЕ ШАГИ ЭНЕРГИИ

Биографы Макса Карла Эрнста Людвига Планка утверждают, что великий физик состоял в родстве разной степени близости с философами Шеллингом и Гегелем, поэтами Шиллером и Гельдерлином. Читать полностью »

Вольфганг Паули

(1900-1958)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1945 год
ЧЕЛОВЕК, КОТОРЫЙ НАЛАГАЛ ЗАПРЕТЫ

Биограф австро-швейцарского физика Вольфганга Эрнста Паули, автор книги «В поисках. Физики и квантовая теория» Барбара Клайн писала: «Внешне он очень напоминал Будду, но Будду, в глазах которого светился ум. В научных спорах Паули был бесподобен. Читать полностью »

Энрико Ферми

(1901-1954)

АТОМЫ У НЕГО ДОМА

Читать полностью »

Ричард Филлипс Фейнман

(1918-1988)

ВАЛЬС ЛЕТАЮЩИХ ТАРЕЛОК

Читать полностью »

Джозеф Джон Томсон

(1856-1940)

ОТЦЫ И ДЕТИ

Читать полностью »

Игорь Евгеньевич Тамм

(1895-1971)

«УРОВНИ ТАММА»

Он родился 8 июля 1895 года на самом краю России - во Владивостоке. Вскоре семья переехала на Украину, в Елисаветград (позже Кировоград), где отец Игоря Евгеньевича Читать полностью »

Энрико Ферми

(1901-1954)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1938 год
АТОМЫ У НЕГО ДОМА

Как любой художник без запинки перечислит шедевры Рембрандта, так и рядовой физик с удовольствием расскажет о «шедеврах», автором которых является Энрико Ферми. Читать полностью »

Ричард Филлипс Фейнман

(1918-1988)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1965 год
ВАЛЬС ЛЕТАЮЩИХ ТАРЕЛОК

Он умел заставлять время течь вспять, разделял изотопы урана, описывал сверхтекучий газ и вычислял силы, с которыми взаимодействуют элементарные частицы. Читать полностью »

Джозеф Джон Томсон

(1856-1940)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1906 год
ОТЦЫ И ДЕТИ

Он подписывался Дж. Дж. Томсон, из-за чего коллеги дали ему прозвище Джи-Джи. Физику Джи-Джи выпало жить на водоразделе столетий. На склоне лет он так описывал начало своего пути: Читать полностью »

Игорь Евгеньевич Тамм

(1895-1971)
Физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1958 год
«УРОВНИ ТАММА»

РЕЙТИНГ 100 ВЫДАЮЩИХСЯ ФИЗИКОВ-АТОМЩИКОВ XX ВЕКА

Валентин Анатольевич Белоконь, Москва

Попытка оценить научный потенциал реальных и возможных создателей ядерного и термоядерного оружия, работавших в период с 1939 по 1953 год.

Вскоре после кончины Льва Давыдовича Ландау в 1968 г его ближайший ученик и коллега Александр Соломонович Компанеец придумал такой анекдот. К постели умирающего Ландау подходит его известный соавтор Евгении Михайлович Лившиц и знакомит умирающего классика с юношей - одаренным теоретиком «Лев, умирай спокойно: Вот наш новый Ландау» Собрав последние силы. Лев Давыдович беседует с «претендентом на престол» И последние слова его были таковы «Нет Женя, это не новый Ландау. Это еще один Зельдович».

Ландау был выдающимся педагогом. Затаив дыхание, я прослушал не один десяток его лекций по теоретической физике — когда удавалось проникнуть на физфак МГУ без пропуска (поскольку учился не в МГУ, а в МФТИ). Зимой это было просто — достаточно в мороз прибегать в одном пиджаке, как бы из соседнего корпуса. Среди прочих эффектных приемов подкупала та откровенность, с которой он ранжировал физиков, называя таких, как Артур Эддингтон, классика физики звезд, «патологом», а Вернера Гайзенберга — отца квантовой теории — «нацистом» — бомбу для Гитлера делал, или «живым трупом» — ныне бесплодным физиком.

В том смысле, что они были способны профессионально (но не обязательно морально) продуктивно участвовать в разработке ядерного оружия — в качестве теоретиков, экспериментаторов, изобретателей, инженеров, либо научно-технических руководителей.

Меня поразила его характеристика Нильса Бора. После визита Бора в Москву в мае 1961 года, на осенней лекции в МГУ Ландау получил записку с просьбой дать оценку великому учителю. Помедлив, Лев Давыдович обратил свой пламенный взор к переполненной аудитории: «Ну что я могу сказать… Какой хороший старик!» Шепот недоумения был ему ответом. Из физиков XX века он на первое место ставил Эйнштейна — в согласии с новейшими оценками «лучших американских экспертов», объявивших, кстати, недавно в очередной раз этого корифея «величайшим ученым двух тысячелетий». На втором сверху уровне из советских физиков Ландау упоминал только себя. И я млел перед Львом Давидовичем, пока не разобрался, что только в одном из томов его «Теорфизики» — «Гидродинамике» — не менее дюжины нелепостей.

Гораздо более детальный рейтинг «выдавал» в моем присутствии «Шура» Компанеец — мой старший коллега по Институту химической физики АН СССР — исключительно независимый человек. Он не скрывал, что, по его мнению, многие виднейшие наши физики добились регалий за счет эксплуатации чужих достижений, добытых нелегально.

Но необязательно обладать амбициями в духе Ландау или Компанейца, чтобы иметь собственный рейтинг знаменитостей. Любой приличный историк науки вырабатывает «рабочий рейтинг» персон, о которых пишет (если не просто компилирует). Но важнее, быть может, что рейтинг такого рода характеризует принадлежность к группе, если не касте или мафии, т.е. является изощренным неафишируемым паролем единомышленников, знающих карты друг друга при игре в научную политику, да и не только. Но раскрывать карты чужакам мало кто смеет, тем более в форме печатного слова. Тем интереснее, когда это табу нарушается, хотя бы случайно.

Среди примерно 15 тысяч страниц новых зарубежных публикаций по истории создания ядерного и термоядерного оружия, с которыми мне довелось ознакомиться за последние пять лет, в этом отношении выделяется многократно премированная книга Ричарда Роудса «Сотворение атомной бомбы» (американские издания 1986, 1988 гг.). Не без ее влияния весной 1995 года журнал нью-йоркской академии «Сайнсис» писал «Германские атомщики наивно думали о себе как о мировой элите, в чем здорово промахнулись. Ибо одних только выходцев из Венгрии, ставших американскими атомщиками, а именно Лео Сциларда, Эдварда Теллера, а также Джона фон Нойманна и Евгения Вигнера, достаточно, чтобы перевесить интеллект всего сообщества немцев, пытавшихся сделать бомбу».

Эксперимент как критерий истины здесь выглядит убедительно: немцы ведь бомбу не сделали!

Но могли бы!

А стандартный аргумент — «История не знает сослагательного наклонения» — мы легко парируем: «Да, не знает, - для тех, кому лень думать».

Даже при равных интеллектуальных потенциалах «новых американцев» и немцев, оставшихся в Германии, последних ждал бы проигрыш просто из-за бомбежек, в сущности, не уступавших хиросимской: достаточно упомянуть разрушение Гамбурга, Дрездена, Берлина и рурских комплексов. Здесь, однако, важнее нечто иное.

Германский атомный проект возглавили фактически Вернер Гайзенберг и Карл Вайцзеккер. В некрологе на смерть Гайзенберга, в 1976 году, его конкурент Эдвард Теллер (журнал «Нэйче») четко утверждал, что Гайзенберг скорее не хотел делать бомбу Гитлеру, нежели не мог. А в 1993 г это мимолетное замечание Теллера было всесторонне обосновано в 600-страничной книге Томаса Пауэрса «Секретная история германской бомбы», о которой многие знают у нас, но помалкивают.

Теперь, в частности, выясняется, что Гайзенберг не только не желал делать атомную бомбу Гитлеру, но и неустанно намекал об этом «посредникам», надеясь, что и его западные коллеги не станут конструировать это страшное устройство. В отличие от нынешних резонеров из «Сайнсис» научный руководитель американского атомного проекта Роберт Оппенгеймер, их главный теоретик Ханс Бете, учитель Оппенгеймера великий Нилье Бор и «американский Берия» Лесли Гровс (он отвечал за режим секретности американского атомного «Манхэттэнского проекта») компетентно и реалистично оценивали интеллектуальный потенциал немецкой атомной элиты, боялись ее превосходства. Не потому ли они азартно и вполне серьезно обсуждали планы нейтрализации деятельности Гайзенберга и Вайцзеккера — вплоть до их физического устранения. Не этот ли ажиотаж помешал Гровсу заметить, что творится у него «под носом», когда сотни отчетов суперсекретного «Манхэттэнского проекта» уплыли в Кремль!

Смешно пытаться несколькими строками обосновывать превосходство Гайзенберга над другими. Он слишком известен. Упомяну лишь, сто его «соперник» по величию Поль Дирак назвал в своей речи в Ватикане (1976г.) Гайзенберга физиком №1 XX века… (Между прочим, сам Поль Дирак и Артур Эддингтон считали разработку ядерного оружия аморальным занятием.)

Стоит все-таки кое-что пояснить и по поводу Карла Вайцзеккера. Его уместно сопоставить с Хансом Бете, получившим Нобелевскую премию за теорию горения звезд. Прекрасны и работы Бете по динамике взрыва. И все-таки Вайцзеккера следует оценить повыше — он минимум на год опередил Ганса Бете (1938 -1937) в области физики термоядерного горения звезд, а его достижения в теории взрывных процессов посильнее, оригинальнее. Он сделал пионерскую оценку роли плутония как взрывчатки. Нобелевскую ему не дали «по анкетным данным»: мол, работал над бомбой для Гитлера. Короче, «венгерская четверка» лидеров американского атомного проекта была хороша, но уступала потенциалу уже двух конкурентов — лидеров немецкого атомного клуба. Труднее, но еще интереснее сравнивать совокупные потенциалы стран, наций. Мой анализ говорит в пользу превосходства немецкий атомщиков над теми, кто собирался под крышей «Манхэттэнсого проекта» - главным образом в Лос-Аламосе (но и там немалую роль играл Фукс — опять же немец!)

Кстати, свою ранжировку атомщиков я не считаю окончательной и с интересом жду контраргументов.

Между тем тестовыми показателями уровня при данной ранжировке являются адекватная самооценка, квалификация и природная склонность к исследованию, честность, корректность и фундаментальность оригинальных исследований, первенство достижений в теоретической, изобретательской и экспериментаторской деятельности, независимость и смелость суждений (в том числе — прогнозов!), перспективность полученных результатов для научно-технического прогресса, для понимания природы и тех путей, как ее «обманывать» через новые изобретения, кое-что еще из тех качеств, из которых складывается компетентность ученого, инженера. В данном рейтинге также учтен и организационный потенциал, но как второстепенный.

Что касается банального вопроса «а зачем это нужно?», то не совсем избитым был бы такой ответ: исследование критериев компетентности критически важно для формирования групп экспертов и подготовки экспертных опросов, в особенности — ради решения задач прогнозирования.

Далее. Недавние публикации, хотя бы книги Павла Судоплатова с одиозной главой об атомном шпионаже, а также материалы дубненской, 1996 года, конференции по истории создания советского ядерного и термоядерного оружия, особенно доклады Феоктистова и Гончарова, привели к основательной переоценке реальной роли многих наших атомщиков.

Самый «страшный» пример — роль Андрея Дмитриевича Сахарова, который знал-таки заранее о принципах устройства американской (по Уламу) водородной бомбы. Именно поэтому, при всем величайшем уважении к Андрею Дмитриевичу, он претендует скорее на 3-й уровень, чем на 2-й в данном рейтинге.

С Альбертом Эйнштейном дело проще. Судя по автобиографии Георгия Гамова «Моя мировая линия», «величайший» уклонялся от реального участия в закрытых разработках, принимая гонорары в качестве «свадебного генерала». Кстати, до 1939 г Эйнштейн категорически отвергал прогнозы практического использования ядерной энергии, подобно Бору и Резерфорду.

Замечу, наконец, что около 25 % упомянутых в моем рейтинге физиков я знал лично. Пусть не в равной степени. Около 30 % из них — это авторы работ, которые я цитирую в собственных публикациях, несколько более — в лекциях. Более 60 % — это авторы работ с которыми я более или менее детально знаком, практически в каждом случае на языке оригинала.

Я выложил свои карты на стол. Кроме яростных нападок предвижу и ответные шаги — кое-кто ведь решится выложить свои оценки.

Итак, ученые в рейтинге разбиты на пять уровней. Наиболее обоснована принадлежность к высшим двум уровням. На каждом уровне фамилии ученых даны в алфавитном порядке. В скобках после каждой фамилии указана страна (страны), где фактически работал тот или иной ученый.

ОНИ БЫЛИ СПОСОБНЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНО (НО НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО МОРАЛЬНО) УЧАСТВОВАТЬ В РАЗРАБОТКЕ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ — В КАЧЕСТВЕ ТЕОРЕТИКОВ, ЭКСПЕРИМЕНТАТОРОВ, ИЗОБРЕТАТЕЛЕЙ, ИНЖЕНЕРОВ, ЛИБО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РУКОВОДИТЕЛЕЙ

Первый (высший) уровень

Карл Вайцзеккер/Karl-Friedrich Von Weizsacker (Германия)

Вернер Гайзенберг/Werner Heisenberg (Германия)

Поль Дирак/Paul Dirac (Англия)

Энрико Ферми/Enrico Fermi (Италия, США)

Станислав Улам/Stanislaw Ulam (Польша, США)

Субраманьян Чандрасекар/S.Chandrasekhar (Индия, Англия, США)

Эрвин Шредингер/Ervin Shroedinger (Австрия, Ирландия)

Второй уровень:

Ханс Бете (Германия, США), Адольф Буземанн (Германия, США), Герман Вайль (Германия, США), Отто Ганн (Германия), Георгий Гамов (СССР, США), Готфрид Гудерлей (Германия), Фредерик Жолио-Кюри (Франция), Дмитрий Иваненко (СССР/Россия), Петр Капица (СССР), Джон фон Нойманн (Венгрия, Германия, США), Клаус Осватич (Австрия), Вольфганг Паули (Швейцария), Гленн Сиборг (США), Джеймс Так (Англия, США), Джон Уилер (США), Владимир Фок (СССР), Клаус Фукс (Германия, Англия, США), Артур Эддингтон (Англия).

Третий уровень:

Ханнес Альфвен (Швеция), Карл Бехерт (Германия), Николай Боголюбов (СССР), Нильс Бор (Дания, США), Макс Борн (Германия, Англия), Перси Бриллюэн (Франция), Джон Вик (Италия, США), Анатолий Власов (СССР), Густав Герц (Германия, СССР), Фримен Дайсон (Англия, США), Сергей Дъяков (СССР),Евгений Забабахин (СССР), Евгений Завойский (СССР), Ирен Жолио-Кюри (Франция), Дж. Ивон (Франция), Ханс Йенсен (Германия), Паскуаль Иордан (Германия), Джон Кокрофт (Англия, США), Игорь Курчатов (СССР), Лев Ландау (СССР), Эрнест Лоуренс (США), Роберт Оппенгеймер (США), Георгий Покровский (СССР), Андрей Сахаров (СССР), Леонид Седов (СССР/Россия), Эмилио Сегре (Италия, США), Лео Сцилард (Венгрия, Германия), Игорь Тамм (СССР), Ричард Толмен (США), Джофри Тэйлор (Англия, США), Синьитиро Томонага (Япония), Ричард Фейнман (США), Яков Френкель (СССР), Ханс Халбан (Германия, Франция, Англия), Юлий Харитон (СССР.Россия), Джеймс Чедвик (Англия, США), Юлиус Швингер (США), Хидэки Юкава (Япония), Ханс Эхлер (Германия).

Четвертый уровень:

Лев Альтшулер (СССР/Россия), Манфред фон Арденне (Германия, СССР), Кейт Бракнер (США), Евгений Вигнер (Венгрия, Германия, США), Карл Виртц (Германия), Вальтер Гайтлер (Англия, США), Мария Гепперт-Майер (Германия, Швеция), Вальтер Герлах (Германия), Яков Зельдович (СССР), Александр Компанеец (СССР), Артур Комптон (Англия, США), Роберт Кристи (Англия, США), Риго Кубо (Япония), Джордж Кистяковский (США), Михаил Леонтович (СССР), Исаак Померанчук (СССР), Бруно Понтекорво (Италия, США, СССР/Россия), Виктор Сорокин (СССР), Кирилл Станюкович (СССР), Фредерик Содди (Англия), Роберт Сэрбер (США), Яков Терлецкий (СССР/Россия), Эдвард Теллер (Венгрия, Германия, США), Кирилл Щелкин (СССР), Георгий Флеров (СССР), Гарольд Юри (США)... и некоторые другие.

Пятый уровень:

Анатолий Александров (СССР/Россия), Абрам Алиханов (СССР), Виталий Гинзбург (СССР/Россия), Абрам Иоффе (СССР), Исаак Кикоин (СССР), Лиза Мейтнер (Германия, Швеция), Сет Нэдэмейр (США), Рудольф Пайерлс (ГерманияАнглия, США), Франсуа Перрен (Франция), Николай Семенов (СССР), Давид Франк-Каменецкий (СССР), Альберт Эйнштейн (Швейцария, Германия, США)... и немало других.

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.

Открытие электрона, явления радиоактивности, атомного ядра явилось результатом изучения строения вещества, достигнутым физикой в конце XIX века. Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектров атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеет сложную структуру. Классическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новых экспериментальных фактов. Уменьшение временных и пространствен­ных масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к «новой физике», столь непохожей на привычную традици­онную классическую физику. Развитие физики в начале XX века привело к полному пересмотру классических представлений. В основе «новой физики» лежат две фундаментальные теории:

• теория относительности
• квантовая теория.

Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на котором построено описание явлений микромира.

Создание А. Эйнштейном в 1905 году теории относительности привело к радикальному пересмотру представлений о свойствах пространства и времени, электромагнитного поля. Стало ясно, что невозможно создание механических моделей для всех физических явлений.
В основу теории относительности положены две физические концепции.

• Согласно принципу относительности равномерное и прямолинейное движение тел не влияет на происходящие в них процессы
• Существует предельная скорость распространения взаимодействия - скорость света в пустоте. Скорость света является фундаментальной константой современной теории. Существование предельной скорости распространения взаимодействия означает, что существует связь между пространственными и временными интервалами.

Математической основой специальной теории относительности являются преобразования Лоренца.

Инерциальная система отсчета − система отсчета, покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно. Система, отчета, движущаяся с постоянной скоростью относительно любой инерциальной системы отсчета также является инерциальной.

Принципы относительности Галилея

1. Если законы механики справедливы в одной системе отсчета, то они справедливы и в любой другой системе отсчета, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой.
2. Время одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
3. Нет никакого способа обнаружить равномерное прямолинейное движение.

Постулаты специальной теории относительности

1. Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
2. Скорость света в вакууме равна постоянной величине с независимо от скорости движения источника или приемника.

Преобразования Лоренца. Координаты материальной точки массы покоя m в инерциальной системе отсчета S определяются как (t ,) = (t ,x ,y ,z ), а скорость u = ||. Координаты той же точки в другой инерциальной системе отсчета S" (t" ,x" ,y" ,z" ), движущейся относительно S с постоянной скоростью , связаны с координатами в системе S преобразованием Лоренца (рис. 1).
В случае, если координатные оси систем z и z" сонаправлены с вектором и в начальный момент времени t = t" = 0 начала координат обеих систем совпадали, то преобразования Лоренца даются соотношениями

x" = x ; y = y "; z" = γ(z − βct ); ct" = γ(ct − βz ),

где β = v/c , v − скорость системы отсчета в единицах с (0 ≤ β ≤ 1), γ − лоренц-фактор.

Рис. 1. Штрихованная система S" движется относительно системы S со скоростью v вдоль оси z .

Компоненты скорости частицы в системе S" u" x , u" y , u" z связаны с компонентами скорости в системе S u x , u y , u z соотношениями

Обратные преобразования Лоренца получаются взаимной заменой координат r i ↔ r" i , u i ↔ u" i и заменой v → −v .

x = x" ; y = y" ; z = γ(z" − βct" ); ct = γ(ct" − βz" ).

При малых скоростях v преобразования Лоренца совпадают с нерелятивистскими преобразованиями Галилея

x" = x ; y" = y ; z" = z − vt" ; t = t" .

Относительность пространственных расстояний (сокращение Лоренца-Фитцджеральда): l" = l/ γ .
Относительность промежутков времени между событиями (релятивистское замедление времени): Δt" = γ Δt .
Относительность одновременности событий. Если в системе S для событий А и В t A = t B и
x A ≠ x B , то в системе S" t" A = t" B + γ v /c 2 (x B − x A).

Полная энергия E и импульс p частицы определяются соотношениями

E = mc 2 γ ,

(1)

где E , р и m − полная энергия, импульс и масса частицы, c = 3·10 10 см·сек -1 − скорость света в вакууме,
Полная энергия и импульс частицы зависят от системы отсчета. Масса частицы не изменяется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Она является лоренцевым инвариантом. Полная энергия E , импульс p и масса m частицы связаны соотношением

E 2 − p 2 c 2 = m 2 c 4 ,

(2)

Из соотношений (1) и (2) следует, что если энергия E и импульс p измеряются в двух различных системах движущихся друг относительно друга со скоростью v , то энергия и импульс будут иметь в этих системах различные значения. Однако величина E 2 − p 2 c 2 , которая называется релятивистский инвариант , будет в этих системах одинаковой.

При нагревании твердого тела оно раскаляется и начинает излучать в непрерывной области спектра. Это излучение называется излучением абсолютно черного тела. Было сделано много попыток описать форму спектра абсолютно черного тела, основываясь на законах классической электромагнитной теории. Сравнение экспериментальных данных с расчетами Рэлея-Джинса (рис. 2.) показывает, что они согласуются только в длинноволновой области спектра. Различие в области коротких длин волн было названо ультрафиолетовой катастрофой .

Рис. 2. Распределение энергии спектра теплового излучения.
Точками показаны экспериментальные результаты.

В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме теплового излучения тел. М. Планк моделировал вещество как совокупность гармонических осцилляторов различной частоты. Предположив, что излучение происходит не непрерывно, а порциями - квантами, он получил формулу для распределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошо согласовывалась с опытными данными

где h − постоянная Планка, k − постоянная Больцмана, T − температура, ν − частота излучения.

h = 6.58·10 -22 МэВ∙сек,
k = 8.62·10 -11 МэВ∙К –1 .

Часто используется величина ћ = h /2π .

Так, впервые в физике появилась новая фундаментальная константа − постоянная Планка h . Гипотеза Планка о квантовой природе теплового излучения противоречит основам классической физики и показывает границы ее применимости.
Через пять лет А. Эйнштейн, обобщив идею М. Планка, показал, что квантованность является общим свойством электромагнитного излучения. Согласно идеям А. Эйнштейна электромагнитное излучение состоит из квантов, названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную энергию E и импульс p :

E = h ν ,

где λ и ν − длина волны и частота фотона, − единичный вектор в направлении распространения волны.
Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально Г. Герцем и А. Столетовым. На основе квантовой теории А. Комптоном в 1922 году было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны электромагнитного излучения.

где λ и λ" − длины волн падающего и рассеянного фотонов, m − масса электрона, θ − угол рассеяния фотона, h/mc = 2.4·10 -10 см = 0.024 Å − комптоновская длина волны электрона.

Рис. 3. Эффект Комптона − упругое рассеяние фотона на электроне.

Открытие двойственной природы электромагнитного излучения − корпускулярно-волнового дуализма оказало значительное влияние на развитие квантовой физики, объяснение природы материи. В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц те же, что были установлены ранее для фотонов

λ − длина волны, которую можно сопоставить с частицей. Волновой вектор ориентирован по направлению движения частицы. Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно-волнового дуализма, были опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером по дифракции электронов на монокристалле никеля. Позднее наблюдалась дифракция и других микрочастиц. Метод дифракции частиц в настоящее время широко используется в изучении строения и свойств вещества.

В. Гейзенберг (1901–1976)

Экспериментальное подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализма привело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способа описания частиц. Для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в пространст­ве, то ее импульс полностью не определен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. Неопределенность в значении координаты частицы Δx и неопределенность в значении компоненты импульса частицы Δp x связаны соотношением неопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году

Δx ·Δp x ≈ ћ .

Из соотношения неопределенности следует, что в области квантовых явлений неправомерна постановка некоторых вопросов, вполне естественных для классической физики. Так, например, не имеет смысла говорить о движении частицы по определенной траектории. Необходим принципиально новый подход к описанию физических систем. Не все физические величины, характеризующие систему, могут быть измерены одновременно. В частности, если неопределенность времени жизни некоторого квантового состояния равна Δt , то неопределенность величины энергии этого состояния ΔE не может быть меньше ћ /Δt , т. е.

ΔE ·Δt ≈ ћ .

Э. Шредингер (1887–1961)

К середине 20-х годов стало очевидно, что полуклассическая теория атома Н. Бора не может дать полного описания свойств атома. В 1925–1926 гг. в работах В. Гейзенберга и Э. Шредингера был разработан общий подход описания квантовых явлений − квантовая теория. Эволюция квантовой системы в нерелятивистском случае описывается волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шредингера