Научные открытия XX века

Введение

XX век – век научных открытий и изобретений. Трудно представить, что ещё в начале XX века люди не знали, что такое телевизор, автомобиль или компьютер. Ряд важнейших открытий положил начало новой эры, более технологичной.
20-е столетие прошло под знаком решительного прорыва в двух областях знаний: современных физике и биологии. Что касается физики, то здесь уже все признали основополагающую роль эйнштейновской теории относительности. Прорыв в биологии все связывают с открытием двойной спирали ДНК.
Следует сказать, что в настоящее время научные дисциплины принято подразделять на три большие группы: естественные, общественные и технические. Отрасли науки различаются по своим предметам и методам. В то же время резкой грани между ними нет, и ряд научных дисциплин занимает промежуточное междисциплинарное положение, например, биотехнология, радиогеология. Поэтому открытия в той или иной научной дисциплине могут широко применяться в различных областях знания для решения не только познавательных, но и социально-практических проблем.


Глава I. Научные открытия в области физики


Первую революцию уже в начале века устроил Макс Планк. Еще в конце XIX столетия его пригласили на должность профессора в Берлинский университет. Планк был настолько предан науке, что в свободное от лекций и работы время продолжал заниматься вопросами распределения энергии в спектре абсолютно черного тела. В итоге упрямый ученый в 1900 году вывел формулу, которая очень точно описывала поведение энергии в данном случае. Это имело совершенно фантастические последствия. Оказалось, что энергия излучается не равномерно, как считалось ранее, а порциями - квантами. Эти выводы сперва смутили и самого Планка, однако он все-таки доложил о странных результатах 14 декабря 1900 года Немецкому физическому обществу. Неудивительно, что ученому просто не поверили. Однако на основе его выводов уже в 1905 году была создана Эйнштейном квантовая теория фотоэффекта. После этого и Нильс Бор построил первую модель атома, согласно которой вокруг ядра по определенным орбитам вращаются электроны. Последствия открытия для человечества Планка так велики, что его можно считать невероятным, гениальным.
Так, благодаря ученому развились впоследствии атомная энергетика, электроника, генная инженерия. Мощный толчок получили астрономия, физика и химия. Это произошло благодаря тому, что именно Планк четко обозначил границу, где заканчивается ньютоновский макромир с измерением вещества килограммами, и начинается микромир, в котором необходимо учитывать влияние отдельных атомов друг на друга. Благодаря ученому стало известно на каких энергетических уровнях живут электроны, и как они себя там ведут.
Второе десятилетие принесло открытие, которое тоже перевернуло умы всех ученых. В 1916 году была завершена работа Альберта Эйнштейна над общей теорией относительности. Она получила и другое название - теория гравитации. Согласно открытию, гравитация - это не следствие взаимодействия полей и тел в пространстве, а следствие искривления четырехмерного пространства времени. Открытие сразу же объяснило суть многих непонятных доселе вещей. Так, большинство парадоксальных эффектов, возникающих при околосветовых скоростях, просто таки противоречили здравому смыслу.
Однако именно теория относительности предсказала их появление и объяснила суть. Самый известный из них - эффект замедления времени при котором часы наблюдателя идут медленнее, чем движущиеся относительно него. Также стало известно, что длина движущегося объекта вдоль оси движения сжимается. Сегодня теория относительности применяется не только к движущимся с постоянной скоростью относительно друг друга объектам, но и ко всем системам отсчета вообще. Вычисления были такие сложные, что работа заняла 11 лет. Первым подтверждением теории стало описание кривой орбиты Меркурия, произведенное с ее помощью. Открытие объяснило искривление лучей от звезд при прохождении их рядом с другими звездами, красное смещение галактик и звезд, наблюдаемых в телескопы. Очень важным подтверждением теории стали черные дыры. Ведь согласно расчетам при сжатии звезды наподобие Солнца до 3 метров в диаметре свет просто не сможет покинуть ее пределы - такова будет сила притяжения. В последнее время учеными найдено немало таких звезд.
После открытия, сделанного в 1911 году Резерфордом и Бором, о строении атома по аналогии с Солнечной системой, физики всего мира пришли в восторг. Вскоре на основании этой модели с помощью выкладок Планка и Эйнштейна о природе света удалось рассчитать спектр атома водорода. Но при расчете следующего элемента, гелия возникли трудности - расчеты показывали совсем не те результаты, что эксперименты

. В итоге к 20-м годам теория Бора померкла и стала ставиться под сомнения. Однако выход был найден - молодой немецкий физик Гейзенберг сумел убрать из теории Бора некоторые предположения, оставив лишь самое нужное. Он установил, что нельзя одновременно измерить местонахождение электронов и их скорость. Этот принцип получил название «неопределенности Гейзенберга», электроны же предстали непостоянными частицами. Но и тут странности с элементарными частицами не закончились. К тому времени физики уже свыклись с мыслью о том, что свет может проявлять свойства как частицы, так и волны. Дуальность казалась парадоксальной. Но в 1923 году француз де Бройль высказал предположение, что свойствами волны могут обладать и обычные частицы, продемонстрировав волновые свойства электрона.
Эксперименты де Бройля подтвердились сразу в нескольких странах. В 1926 году Шредингер описал материальные волны де Бройля, а англичанин Ширак создал общую теорию, предположения Гейзенберга и Шредингера вошли в нее как частные случаи. В те годы об элементарных частицах ученые вообще не подозревали, но та теория квантовой механики прекрасно описала их движение в микромире. За последующие годы основа теории не претерпела явных изменений. Сегодня в любых естественных науках, выходящих на атомарный уровень, применяется квантовая механика. Это инженерные науки, медицина, биология, минералогия и химия. Теория позволила рассчитать молекулярные орбитали, что в свою очередь позволило возникнуть транзисторам, лазерам, сверхпроводимости. Именно квантовой механике мы обязаны появлению компьютеров. Также на основе ее была разработана физика твердого тела. Именно поэтому ежегодно появляются новые материалы, а ученые научились четко видеть структуру вещества.
Десятилетие тридцатых можно без ошибки назвать радиоактивным. Хотя еще в 1920-м году Резерфорд высказал странную на то время гипотезу. Он пытался объяснить, почему положительно заряженные протоны не отталкиваются. Ученый предположил, что помимо них в ядре присутствуют и некие нейтральные частицы, равные по массе протонам. По аналогии с уже известными электронами и протонами Резерфорд предложил именовать их нейтронами. Однако ученый мир тогда не воспринял идеи физика всерьез. Лишь через 10 лет немцы Беккер и Боте обнаружили необычное излучение при облучении бора или бериллия альфа-частицами. В отличии от последних, неизвестные частицы, вылетающие из реактора, обладали намного большей проникающей способностью. Да и параметры были у них иные.
Через два года, в 1932 году супруги Кюри решили направить это излучение на более тяжелые атомы. Оказалось, что под воздействием этих неведомых лучей те становятся радиоактивными. Этот эффект получил название искусственной радиоактивности. В том же году Джеймс Чедвик сумел подтвердить эти результаты, а также выяснить, что ядра из атомов выбиваются новыми незаряженными частицами с массой чуть больше чем у протона. Именно нейтральность таких частиц и позволяла им проникать в ядро, дестабилизируя его. Так Чедвик открыл нейтрон, подтвердив мысли Резерфорда. Это открытие принесло человечеству не только пользу, но и вред. К концу десятилетия физики смогли доказать, что ядра могут делиться под воздействием нейтронов и при этом выделяется еще большее число нейтральных частиц. С одной стороны использование такого эффекта привело к трагедии Хиросимы и Нагасаки, десятилетиям холодной войны с ядерным оружием. А с другой - появлению атомной энергетики и использованию радиоизотопов в разнообразных научных сферах для широкого применения.
С развитием квантовых теорий ученые не только могли понимать, что происходит внутри вещества, но и попытаться повлиять на эти процессы. Случай с нейтроном упомянут выше, а вот в 1947 году сотрудники американской компании Бардин, Браттейн и Шокли смогли научиться управлять большими токами, протекающими через полупроводники с помощью малых токов. За это они получат впоследствии Нобелевскую премию. Так на свет появился транзистор, в нем два p-n перехода направлены друг навстречу другу. По переходу ток может идти только в одном направлении, при смене на переходе полярности ток течь перестает. В случае же с двумя переходами, направленных друг к другу, появились уникальные возможности по работе с электричеством. Транзистор дал огромный толчок развитию всей науки. Из электроники ушли лампы, что резко уменьшило вес и объем используемой аппаратуры. Появились логические микросхемы, что дало нам в 1971 году микропроцессор, а позже и современный компьютер