Бесчисленные эксперименты способствовали совершенствованию знаний современной физики. Со временем научный прогресс развивается очень стремительно. Ранее существовавшие теории рушатся перед новыми достижениями. Человек исследует всё новые явления, которые раньше никто не мог понять.
Среди множества открытий есть наиболее значимые, те, которые привели к прорыву и являются важным шагом в развитии науки.
Фавориты самых зрелищных открытий в физике.
Открытие радиоактивности
В 1896 году Анри Беккерель проводил исследования некоторых явлений света, так называемые флуоресценцию и фосфоресценцию минералов. Он заметил нечто странное: фотопластинка, хранящаяся в темноте вместе с урановым минералом, показала отчетливый черный цвет после проявления. И причиной этому был не свет. Что-то еще вызвало почернение. Он пришел к выводу, что уран должен был излучать ранее неизвестное излучение.
Открытия Беккереля изначально оставались в значительной степени незамеченными. В то время не было представления об атомных ядрах, и действительные причины не могли быть точно установлены. Помощница Беккереля, а затем его преемница Мария Кюри, более подробно исследовала происхождение излучения. Она ввела термин радиоактивное излучение и обнаружила другие подобные излучающие вещества. Радиоактивные материалы состоят из атомов, которые со временем самопроизвольно распадаются на более легкие атомы, производя излучение высокой энергии.
В наше время радиоактивность используется не только в производстве электроэнергии, но и в медицине и многих других областях.
Сейчас все знают, насколько вредна радиация, но Кюри еще не знала об этом. Она умерла от лейкемии в возрасте 66 лет, вероятно, из-за неопытности при проведении экспериментов с этими опасными материалами.
Вынужденное излучение света (лазер)
16 мая 1960 года инженер Теодор Майман зажег флеш-лампу двухметровым рубиновым кристаллом. И вот, со временем рубиновый кристалл начал излучать свет. Эти импульсы красного света были первыми из когда-либо наблюдавшихся лазерных лучей. Сначала, однако, Майман не видел ни одного применения для своего открытия, назвав его «решением, которое ищет применение». Долгое время лазер был всего лишь теоретической конструкцией, существование которой пытались доказать разные ученые. Однако, первому, кому это удалось, был Майман. Именно он был аутсайдером в исследовательском сообществе. Но из-за того что его открытию не нашлось применения, ни он ни его открытие не стали широко известны. Лишь много лет спустя Майман получил признание, которого он заслужил с самого начала.
Лазеры производят свет определенной длины волны, производя излучение атомов. Уже в 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал подобное излучение. С зеркалами и линзами световой луч многократно усиливается или фокусируется в лазерах. В настоящее время лазер нашёл своё применение во многих областях человеческой деятельности.
Полупроводниковые технологии: первый транзистор
В 1947 году три сотрудника лабораторий мобильной связи США заложили первый камень в фундамент микроэлектроники. Джон Бардин, Уильям Брэдфорд Шокли и Уолтер Хаусер Браттейн поместили два крошечных наконечника из золотого проводка на германиевую пластину, создав первый функционирующий транзистор. Компания Bell Labs, изначально созданная для разработки телекоммуникационных технологий, в настоящее время является признанным научно-исследовательским центром, получившим несколько Нобелевских премий.
Транзисторы служат для контроля и усиления напряжения тока. Они используют свойство так называемых полупроводниковых материалов, таких как германий, чтобы позволить току проходить при определенных условиях.
Эту проводимость можно использовать для определения того, как именно проходит ток.
Уже в 1925 году физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал изобретение транзисторов. Первой его реализацией стало, наконец, устройство с двумя золотыми наконечниками на германии-дар, что проложило путь к эпохе электроники. Теперь транзисторы являются наиболее важными компонентами компьютерного чипа.
Открытие атомного ядра
Результаты проводимых Эрнестом Резерфордом экспериментов подтверждались снова и снова: положительно заряженные ядра гелия (альфа-частицы), попадаемые в золотую фольгу, в большинстве своем проникли через этот барьер, но небольшое количество из них были слишком большими, для того что бы преодолеть препятствие. Они отскакивали от препятствия и летели обратно. Для Резерфорда это было поразительно: «Это было почти так же невероятно, как выстрелить в тонкую бумагу 15-дюймовой пулей, и эта пуля возвращается, обратно».
Во времена Резерфорда, в начале 20-го века, считалось, что атомы можно рассматривать как крошечные сферы. Компоненты, т.е. положительные и отрицательные носители заряда, распределены равномерно в пространстве атома. Согласно этому представлению, атомы просто не должны быть достаточно массивными, чтобы стать препятствием для альфа-частиц высоких энергий.
Тот факт, что альфа-частицы снова и снова отражались, мог, в соответствии с соображениями Резерфорда, лишь означать, что атомы должны иметь очень крошечное, массивное ядро. И действительно, почти вся масса атома концентрируется в крошечном, положительно заряженном центре. Остальные 99,9 процента состоят из пустого пространства, в котором почти безмассовые электроны «кружатся». Эта теория Резерфорда проложила путь нашему современному пониманию структуры атомов.
Электромагнитная индукция
Описание экспериментальной установки звучит довольно нечетко: проволока намотана вокруг массивного железного кольца с двух противоположных сторон, плюс два гальванометра, соединенных с двумя проводами для измерения тока. Тем не менее, это устройство было в принципе первым известным трансформатором. Трансформаторы сегодня - это элементарные электронные компоненты. Майкл Фарадей, ученик бывшего переплетчика, без какой либо научной степени, разработал и представил этот эксперимент широкой публике 29 августа 1831 года: как только он подключил батарею к одному из двух проводов и, таким образом, создал ток, гальванометр на другой стороне тут же вышел из строя. Это означало, что ток может возникать даже там, где нет его источника.Фарадей подозревал что ток распространяется волнообразно по железному кольцу, создавая поток тока в другом проводе. Он назвал это явление Индукционная.
Согласно современным знаниям, его теория не совсем верна: во-первых, течение тока с одной стороны изменяет магнитный поток во всем железном кольце. Это, в свою очередь, вызывает ток на другой стороне кольца в проводе. Или, в более общем случае, если плотность магнитного потока изменяется, создается электрическое поле, и наоборот.
В последующих экспериментах Фарадей изучил и другие явления электромагнитной индукции. Так, он обнаружил, что можно генерировать ток, поместив магниты внутрь и наружу намотанной проволоки (катушки).
Электромагнитная индукция сегодня является неотъемлемой частью практически всех электрических машин. Кроме того, это открытие послужило основой для разработки фундаментальных уравнений электродинамики - уравнений Максвелла.
Фарадей не понимал огромную важность своего открытия. Трансформатор - компонент, который преобразовывает напряжения друг в друга - был разработан для эксплуатационной готовности только спустя 50 лет.
Спектральный анализ
Как узнать, из каких химических элементов состоит материал? Роберт Кирхгоф и Роберт Бунзен нашли гениальный ответ на этот вопрос. Вместе они провели исследование в Гейдельбергском университете в середине 19-го века и обнаружили, что некоторые вещества особым образом окрашивают пламя горелки. Точнее, каждый элемент выделяет характерное излучение при нагревании – так называемые эмиссионные линии. С другой стороны, элементы также имеют линии поглощения. Таким образом, они поглощают излучение определенной длины волны. Кирхгоф и Бунзен обнаружили, что каждый химический элемент имеет определенное количество и расположение таких линий - своего рода «отпечаток пальца», состоящий из линий излучения и поглощения.
С помощью этой техники они исследовали, например, минеральную воду вновь разработанного в 1861 году источника в Дюркгейме и обнаружили там неизвестные до сих пор элементы цезия и рубидия. Процесс стал одним из важнейших инструментов в химии.
Далеко идущие последствия это открытие имело и для астрономии. С приобретенными знаниями, эти два ученых смогли объяснить темные линии в солнечном спектре, которые были обнаружены Джозефом Фраунгофером почти 60 годами ранее, и таким образом определить химический состав нашей центральной звезды. Уже тогда стало очевидно, насколько ценными будут эти технологии для астрономии.
В настоящее время, анализируя излучение небесного тела, можно сделать точные заявления о наличии химических элементов - даже для планет вне Солнечной системы.
Открытие электромагнитных волн
Только крошечная искра между двумя проводами заставила Генриха Герца понять, что он был свидетелем электрического излучения. Насколько это открытие изменит мир, он, конечно, не мог догадаться.
В Университете Карлсруэ 30-летний профессор провел эксперименты по электрическому разряду в 1887 году. Для этого он прервал проводящую ток катушку и создал искру. Это не было чем-то новым и неизвестным другим ученым. Случайно Герц заметил и кое-что еще: что-то зажглось рядом с дополнительной, также прерванной катушкой. В какой- то момент искры перепрыгнули с первой катушки. Вторая катушка в это время не была подключена к цепи, поэтому Герц пришел к выводу, что электричество в той или иной форме излучения должно было передаваться от одной катушки к другой.
В последующие годы занятый профессор предпринял еще много экспериментов, без сомнения, демонстрируя, что он действительно наблюдает электромагнитные волны, которые распространяются в космосе. Ещё 22 года назад физик Джеймс Клерк Максвелл из своих уравнений пришел к выводу, что такие волны должны существовать, также как и то, что радио, рентген или световые лучи должны быть разными формами одного и того же явления.
Например, Герц сконструировал передатчик, способный генерировать волны, и приемник, который принимал эти сигналы. Он понял, что на определенном расстоянии принятый сигнал является особенно сильным, и приемник в некотором смысле находился в резонансе с передатчиком. Он также доказал, что электромагнитные волны могут отражаться, преломляться и фокусироваться - как световые лучи.
Вездесущность смартфонов показывает, что современный мир без использования электромагнитных волн невообразим. И название соответствующей единицы измерения напоминает нам, кому мы обязаны знать об их существовании: гению Генриху Герцу, который умер в возрасте 37 лет.