Развитие естествознания в ХХ веке

На повестке дня современной физики -- создание квантового компьютера (КК). Здесь существует несколько интенсивно разрабатываемых  в настоящее время направлений: твердотельный КК на полупроводниковых  структурах, жидкие компьютеры, КК на «квантовых нитях», на высокотемпературных полупроводниках  и т. д. Фактически все разделы  физики конца XX века представлены в  попытках решения этой задачи.

Пока можно  говорить лишь о достижении некоторых  предварительных результатов. Квантовые  компьютеры еще только проектируются. Но когда они покинут пределы  лабораторий, мир во многом станет иным. Ожидаемый технологический прорыв должен превзойти достижения полупроводниковой  революции, в результате которой  вакуумные электронные лампы  уступили место кремниевым кристаллам.

Но произойдет это, по-видимому, уже на третьем  этапе НТР, контуры которого лишь вырисовываются. По прогнозам ученых, этот новый этап НТР наступит не ранее конца первого десятилетия XXI века.

3. Панорама современного  естествознания

В XX веке естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами. Его развитие стимулировалось потребностями  практики. Развивающаяся быстрыми темпами  промышленность требовала новых  технологий, в основе которых лежало естественнонаучное знание. Мощным стимулятором для развития науки и техники  были мировые войны, а также экономическое  и военное противостояние двух военно-политических блоков, во главе которых стояли СССР и США. Развитые промышленные страны начинают выделять большие средства на развитие системы образования, подготовку и воспроизводство научных кадров. Расширяется сеть научно-исследовательских учреждений, финансируемых как государством, так и частными компаниями.

Наука перестает  быть частным делом, какой она  была в XVIII-XIX веках, когда ее развивали  любознательные самоучки: адвокаты, священники, медики, ремесленники и т. д. Наука  становится профессией огромного числа  людей. Современные исследования показывают, что развитие науки может быть выражено экспоненциальным законом. Объем  научной деятельности удваивается  каждые 10-15 лет. Это проявляется в  ускорении роста количества научных  открытий и научной информации, а  также числа людей, занятых на науке.

По данным ЮНЕСКО, до начала 70-х годов XX века число  научных работников ежегодно увеличивалось  на 7 %, в то время как численность  всего населения росла всего  лишь на 1,7 % в год. В результате получается, что нашими современниками являются более 90 % ученых от их общего числа  за всю историю науки.

В конце XIX века во всем мире было около 50 тыс. человек, занятых в сфере науки и  только около 15 тыс. человек из них  непосредственно занимались научно-исследовательской  деятельностью. 50 лет спустя научными исследованиями занимались уже примерно 400 тыс. человек, а общее число  научных работников приблизилось к 2 млн.

В этот период ежегодный  рост расходов на науку составлял  от 10 до 25 % в год. Такие темпы значительно  превышали темпы роста расходов на другие цели, в том числе военных  расходов. Если в конце XIX века научные  открытия совершались в маленькой  лаборатории профессора или мастерской изобретателя, то в 20-30 годы XX века начинается эпоха промышленной науки, крупных  научно-исследовательских центров, расходующих десятки и сотни  тысяч долларов. С конца XIX века наука  начинает себя окупать. Капитал, вложенный  в научные разработки, начинает приносить  прибыль.

В XX веке наука  изменяет не только сферу производства, но и быт. Радио, телевидение, магнитофоны, компьютеры становятся обиходными вещами: так же как одежда из синтетических  тканей, стиральные порошки, лекарства  и т. д.

Все это характеризует  как бы внешнюю сторону развития науки нашего времени. Теперь рассмотрим, какие важнейшие научные открытия были сделаны за последние 70-80 лет.

Физика: учение об атомах

В физике можно  выделить три основных направления: исследование микромира (микрофизика), макромира (макрофизика) и мегамира (астрофизика).

Прогресс физики после ряда выдающихся открытий конца XIX -- начала XX века (рентгеновские лучи, электрон, радиоактивность и др.) был задержан первой мировой войной, и все же исследования атомов продолжались. Основное в этих исследованиях:

Разработка модели атома.

Доказательство  изменяемости атома.

Доказательство  существования разновидностей атома  у химических элементов.

Эти исследования опирались практически на совершенно новое представление о структуре  материи, которое начало складываться в начале XX века. Сформулированное в XIX в. представление об атомах было подытожено Д.И. Менделеевым, который в статье «Вещество», опубликованной в 1892 г. в  «Энциклопедическом словаре Брокгауза  и Ефрона», перечислил основные сведения об атомах:

Химические атомы  каждого элемента неизменны, и существует столько сортов атомов, сколько известно химических элементов (в то время -- примерно 70).

Атомы данного  элемента одинаковы.

Атомы имеют  вес, причем различие атомов основано на различии их веса.

Взаимный переход  атомов данного элемента в атомы  другого элемента невозможен.

Доказательство  существования электрона разрушило  эти представления об атоме. Важнейшим  направлением исследований физики становится выяснение структуры атомов. Электронные  модели атома стали появляться одна за другой. Их возникновение в хронологической  последовательности таково:

Модель У. Кельвина (1902 г.) -- электроны распределяются определенным способом внутри положительно заряженной сферы.

Модель Ф. Ленарда (1903 г.) -- атом состоит из «дуплетов» отрицательных и положительных  зарядов (так называемых динамит).

Модель Г. Нагаоки (1904 г.) -- атом «устроен» наподобие  планеты Сатурн (вокруг положительно заряженного тела располагаются  кольца, состоящие из отрицательно заряженных электронов).

Модель Дж. Томсона (1904 г.) -- внутри положительно заряженной сферы вращающиеся электроны  размещаются в одной плоскости  по концентрическим оболочкам, вмещающим  различные, но конечные числа электронов.

Эти модели были результатами теоретических (во многом -- чисто математических) построений и носили формальный характер. Исключение составляла модель Дж. Томсона. Он предпринял первую в своем роде попытку объяснения периодического изменения свойств  химических элементов, связав феномен  периодичности с числом электронов в концентрических кольцах.

Однако оставалось неопределенным точное количество электронов в атомах. Томсон полагал, что масса  носителя единичного положительного заряда значительно превосходит массу  единичного отрицательного заряда, и  это также оказалось соответствующим  истине.

Электрон довольно скоро исчерпал свои возможности  в качестве единственного «строительного материала» атомов, но эти перечисленные  модели, безусловно, сыграли роль в  подготовке будущей планетарной  модели атома. Почти каждая из них  в той или иной форме содержала  элементы действительности.

Появление резерфордовской  модели стало возможным благодаря  подключению исследований радиоактивности, причем не столько само явление, сколько  изучение действия частиц, испускаемых  в ходе радиоактивного распада, на вещества. Именно анализ рассеивания частиц различными материалами позволил Э. Резерфорду в 1911 году высказать идею о существовании  в атоме массивного заряженного  тела -- ядра (сам термин «ядро» был  введен Резерфордом в 1912 году).

Применив к  резерфордовской модели квантовую  теорию, Н. Бор (1913 г.) устранил противоречие этой модели классической электродинамики. Поэтом именно ядерная модель Резерфорда в интерпретации Бора стала основным понятием новой атомистики.

На протяжении почти двух десятилетий господствовала протонно-электронная модель ядра. Неверная по своей сути, она, тем  не менее, ни чуть не мешала широкому распространению  и использованию классической атомной  модели целиком. Но только после открытия Дж. Чедвиком в 1932 г. нейтрона возникли современные представления о  протоно-нейтронной модели ядра.

Итак, следствием фундаментальных физических открытий конца XIX века оказалась разработка структуры атома в целом. «Бесструктурный» атом уступил место новому атому  как сложной системе частиц.

После того как  нейтрон был признан и нашел  свое место как протон, лишенный своего положительного заряда, было обнаружено, что он представляет собой центральную  фигуру в структуре ядра. Очень  скоро после этого К. Андерсон открыл другую элементарную частицу -- положительный электрон. Позитрон обеспечил  необходимую симметрию между  положительным и отрицательным  во взаимоотношениях частиц. Оказалось, что взаимоотношения нейтрона и  протона отнюдь не являются простыми. И если раньше полагалось, что ядро состоит из протонов и электронов, то теперь было обнаружено, что значительно  правильнее будет сказать, что оно  состоит из протонов и нейтронов, связанных вместе мощными силами, которые Юкава приписал в 1935 году гипотетической промежуточной частице -- мезону. Здесь мы видим пример элементарной частицы, которая сначала была предсказана  теоретически, а затем, в 1936 году, фактически наблюдалась К. Андерсоном и Неддермейером.

Действие нейтронов  на различные ядра было изучено за короткий промежуток времени в 6 лет, с 1932 по 1938 год. То были годы, когда наука  вообще и физика в особенности  все больше чувствовала на себе влияние  событий, приводящих ко второй мировой  войне.

Решающее открытие принадлежало Жолио Кюри, который  нашел, что почти все атомы, подвергнутые бомбардировке нейтронами, сами становятся радиоактивными. Логическое следствие  этого открытия было огромным. Знание атомных превращений могло быть использовано для объяснения того, каким образом возникли элементы.

Этой концепцией воспользовались Гамов и Бете для выявления источника солнечной  энергии. Таким источником является соединение четырех атомов водорода, в результате чего образуется один атом гелия. Было уже совершенно очевидно, что источником большей части  энергии Вселенной служат ядерные  процессы. В 1936 году Ферми подверг  бомбардировке нейтронами тяжелые  элементы и заявил, что получил  ряд элементов с большим весом, чем у любых других элементов, найденных в природе.

Вплоть до 1937 года все имевшие место радиоактивные  изменения заключались в том, что маленькие частицы либо присоединялись к ядру, либо выбрасывались из него. Наиболее крупным из выброшенных осколков была частица, содержащая два протона и два нейтрона. Однако в 1937 году Ган и Штрассман нашли, что некоторые из продуктов, полученных в результате облучения урана нейтронами, имели в общем массу, составляющую чуть ли не половину массы атома урана. Было ясно, что имеет место деление ядра.

Тяжелые ядра могут  содержать значительно большее  число нейтронов по отношению  к числу протонов, чем легкие ядра. Когда атом урана расщепляется, он по необходимости освобождал несколько  нейтронов. Ну а стоило только понять это (что произошло в 1938 году, главным  образом благодаря работам Жолио  Кюри), как возможность массовых превращений атомов стала реальностью. Здесь мы имеем цепную реакцию, или  своего рода явление лавинообразного  нарастания. Если дать этому процессу возможность продолжаться бесконечно, то получится взрыв; если управлять  им, то результатом его явится вырабатывающий энергию ядерный реактор.

То, каким образом  создавалась, испытывалась и была использована атомная бомба, составляет часть  мировой истории, а не просто истории  науки. Военные и политические последствия  создания ядерного оружия и контролируемого  производства атомной энергии огромны. Здесь достаточно отметить, что в  техническом отношении производство атомной энергии представляет собой  новый крупный скачок вперед в  установлении господства человека над  силами природы.

Ядерная энергия  может получаться не только путем  деления ядра атома, но и путем  синтеза или, другими словами, для  получения такой энергии необходимо изготавливать медленно горящие  водородные бомбы. Соответствующие  исследования были начаты в СССР И.В. Курчатовым и продолжены его учениками. В Институте ядерной энергии  им. И.В. Курчатова под руководством Л.А. Арцимовича были разработаны установки  типа токамак. Название «токамак» произошло  от сокращения слов «тороидальная камера с магнитным полем». Создателям этих установок пришлось решать очень  трудные задачи. Прежде всего нужно  разогреть дейтерий-тритиевую плазму до температуры порядка 100 млн градусов и длительно удерживать ее в этом состоянии.

В установке  токамак нагревание плазмы до столь  высокой температуры достигается  за счет протекания через плазму электрического тока очень большой силы -- порядка  сотен тысяч ампер. Вследствие электрического сопротивления плазмы образуется «джоулево» тепло, за счет которого происходит нагрев плазмы.