5.5. Великие открытия в естествознании конца XIX - начала XX вв.

К концу XIX в. «здание» естественных наук (в первую очередь их фундамент — физика) и научные представления о мире считались практически достроенными. Теории электромагнитного и гравитационного полей как двух основных физических взаимодействий стали классическими. Д.И.Менделеевым открыт периодический закон химических элементов — естественно-научной основы современного учения о веществе. Ученые полагали, что им уже известно всё основное, что можно узнать об энергии и электромагнетизме, о строении вещества и законах движения твёрдых тел. Оставались, как думали многие, лишь отдельные неясности, так сказать, «строительные недоделки». Но на рубеже XIX и XX вв. стали обнаруживаться новые, неизвестные ранее физические и химические явления, объяснить которые традиционная наука не могла. В 1887 г. Г. Герц открывает фотоэффект — явление, которое, как было показано впоследствии А. Эйнштейном, порождается освобождением электронов из вещества под действием электромагнитного излучения. В 1895 г. немецкий физик и инженер В. Рентген (1845-1923) создал необычное по тем временам техническое устройство — рентгеновскую катодную трубку и открыл изучение совершенно нового вида, о существовании которого в природе до этого никто не догадывался.

В 1896 г. А. Беккерель (1825-1908) открывает излучение солей урана и доказывает, что оно — не рентгеновское. В 1897 г. немецкий физик Ф. Браун (1850-1918) изобрел осциллоскоп — электронно-лучевую трубку с холодным катодом, в которой переменное напряжение перемещало пучок электронов, оставлявший свет на люминесцирующим экране. Этот прибор позволил наблюдать быстротекущие электрические явления. Впоследствии трубка Брауна легла в основу телевизионной техники. Решающие эксперименты по установлению природы катодных лучей провел английский физик Д. Томсон, открывший существование электрона и определивший его основные характеристики (1897). Продолжая исследования Беккереля, супруги П. Кюри (1859-1906) и М. Склодовская-Кюри (1867-1934) открыли явление радиоактивности. В 1898 г. они же открывают новые химические элементы — полоний и радий. В 1899 г. М. Резерфорд показал, что альфа-лучи состоят из ядер гелия, а бета-лучи представляют собой поток электронов. Работы М. Резерфорда оказались очень важными для объяснения химических превраще­ний, в связи с чем ему, физику, была присуждена Нобелевская премия 1908 г. по химии. Открытия рентгеновских лучей и естественной радиоактивности положили начало развитию представлений о сложной структуре атома, считавшегося до этого сплошным и неделимым.

В 1900 г. Планк ввел представление о кванте действия, сыгравшее важную роль в развитии современной физики, но признанное научным сообществом лишь 18 лет спустя (когда автору гипотезы была присуждена Нобелевская премия). В 1902-1903 гг. М. Резерфод и Ф. Родди разработали основы теории самопроизвольного радиоактивного распада атомов и установили закон превращения радиоактивных элементов. Следующий после М. Планка шаг на пути развития теории квантов сделал величайший физик нашего времени Альберт Эйнштейн (1879-1955). В 1905 г. он показал, что свет является потоком фотонов — световых квантов, передача энергии которых электронам атомов и порождает фотоэффект. Заслуги А. Эйнштейна в открытии закона фотоэффекта были особо отмечены при присуждении ему Нобелевской премии по физике (1921 г.). Созданная в начале XX в. Эйнштейном теория относительности дала новое объяснение фундаментальным пространственно-временны свойствам и и закономерностям физических процессов, что привело к революционным изменениям в теоретической физике и общей картине мира. В 1905 г. он опубликовал специальную теорию относительности (СТО). В основу СТО положены два универсальных допущения: все законы физики одинаково применимы для любых двух наблюдателей независимо от того, как они движутся относительно друг друга. Свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью независимо от движения его источника. Из этих допущений следовали выводы, революционизировавшие все области физики и изменившие традиционные представления о пространстве и времени. Согласно СТО ни один материальный объект не может двигаться быстрее света. Движение и покой всегда определяются относительно некоего наблюдателя, и само время, даже понятие одновременности, — относительны. Два события, кажущиеся одновременными одному наблюдателю, могут быть разновременны для другого наблюдателя. Создание СТО положило начало быстрому развитию новой релятивистской физики во всех ее разделах кроме теории тяготения. Релятивистские эффекты, как правило, становятся значительными лишь при скоростях, близких к скорости света. Но СТО позволила объяснить многие особенности изучаемых атомной физикой процессов, до этого остававшиеся непонятными.

Попытки применения релятивистского подхода к классической теории гравитации позволили Эйнштейну открыть в 1907 г. фундаментальный принцип эквивалентности массы и энергии, и на его основе предсказать два неизвестных ранее физических эффекта: гравитационное «красное смещение» (зависимость хода часов от поля тяготения) и искривление светового луча в гравитационном поле. Сам он тогда считал, что обнаружить эти явления в эксперименте невозможно, однако, оба они были позже зафиксированы в наблюдениях, что стало блестящим подтверждением релятивистской общей картины мира. Из этого принципа «выросла» общая теория относительности (ОТО), созданная Эйнштейном в 1907-1916 гг. в результате взаимодействия с рядом выдающихся исследователей — физиков и математиков.

Еще до работ Дж. Максвелла и в его теории электромагнитного поля были предприняты попытки связать гравитацию с электродинамикой. В последнем десятилетии XIX в. появился ряд электромагнитных теорий (Ч.А. Лоренц, В. Вин и др.)» которые, однако, не только не решили эту проблему, но и породили новые трудности в понимании некоторых наблюдаемых явлений. В частности, они не могли объяснить несоответствие аномального смещения перигелия Меркурия данным, полученным на основе классической ньютоновской теории. Это и некоторые другие логические затруднения и расхождения классической теории с эмпирическими данными казались незначительными. Но именно они подтолкнули Эйнштейна, приступившего к исследованию проблем тяготения в 1907 г., к созданию ОТО. В 1911 г. Резерфорд (1871-1937) обосновал планетарную модель строения атома. Опираясь на нее, ученик Резерфорда Нильс Бор ( 1885-1962) в 1913 г. разрабатывает квантовую теорию атома, закладывая тем самым основы современной атомной физики (Нобелевская премия по физике 1922 г.). В ноябре 1915 г. Эйнштейн на основе ОТО успешно объясняет и вычисляет аномальное смещение перигелия Меркурия. Так развитие абстрактной математики и общей электромагнитной картины мира привело к квантово-релятивистской революции в физике первой трети XX в., когда в качестве фундамента естественно-научных знаний окончательно утверждаются более общие, чем классическая теория Ньютона, релятивистская теория гра­витационного поля, специальная и общая теории относительности. В результате перед потрясенными людьми возникает совершенно непривычная для них физическая картина мира, раскрывающая новые его стороны и свойства. Пытаясь понять обнаруженное и дать ему научное объяснение, буквально перевернули привычные физические представления, ставшие теперь частным случаем новых более общих теоретических знаний. Квантовая теория — наиболее общая физическая теория, объединяющая квантовую механику, квантовую статистику и квантовую теорию поля, позволяющая описать структуру атомов и объяснить ряд фундаментальных физических и химических свойств вещества. На ее основе создана новая теоретическая модель физической структуры мира, даны новые, более глубокие трактовки структуры атома, природы химических связей, объяснения периодической системы элементов, явления сверхпроводимости, сверхтекучести, взаимодействия и взаимопревращения элементарных частиц и др. Таким образом, развитие квантовой теории вывело человечество на новый уровень познания законов природы. За короткое время общая картина строения вещества изменилась ещё глубже, чем изменилась картина мира в результате краха астрономической теории Птолемея и замены её гелиоцентрической системой Коперника. Так на рубеже XIX и XX вв. в результате великих открытий, сделанных физиками и математиками в конце XIX — начале XX вв., происходит переворот в научных знаниях о строении мира, получивший в истории название новейшей революции в естествознании. ([43], с.161)

В результате разработчики новой техники получили в свое распоряжение совершенно новые знания о глубинных, ранее неизвестных свойствах вещества, о новых законах природы. Эти знания дали возможность создать такую технику, о которой раньше не мечтали самые дерзкие умы. Практически вместе с великими открытиями в физике и вскоре после них в 1920-1955 гг. происходит «рывок» в развитии технических наук, инженерных методов разработки новых видов техники и технологий промышленного производства. Вот очень краткий перечень областей фундаментальной науки, породивших новые направления инженерной деятельности. В 20-е годы значительно обновляются физические представления о строении металлов и их сплавов. Появляется новый раздел физики — физика диэлектриков. На базе этих знаний вскоре создаются новые инженерные способы получения сплавов, выпускаются материалы с особыми диэлектрическими свойствами. В 30-е годы быстро развиваются основанные на теории атомного ядра и электрона физические и химические знания о природе полупроводниковых материалов. На их основе в 50-е годы начинает свой путь твердотельная полупроводниковая техника, без которой немыслим современный технический мир.

После открытия Рентгена происходит стремительное развитие технической аппаратуры спектрального и рентгеноструктурного анализа вещества. На базе новых физических теорий появляется техника магнитной и ультразвуковой дефектоскопии. В 1925-1926 гг. создается квантовая механика, а в 1934 г. — протонно-нейтринная модель ядра атома. Исследования строения атомного ядра и поведения элементарных частиц великими учеными Бором, Эйнштейном, Планком и другими физиками и математиками привели к формированию квантовой теории — наиболее общей физической теории, объединяющей квантовую механику, квантовую статистику и квантовую теорию поля, позволяющей описать структуру атомов и объяснить ряд фундаментальных физических и химических свойств вещества. Так ученые открывают дорогу к созданию технических средств получения внутриядерной энергии, к разработке квантовых генераторов — лазеров, к развитию квантовой электродинамики и магнитной гидродинамики и разнообразных областей новейшей наукоемкой техники и технологии. Быстро формируется квантовая электроника — новый раздел науки и техники, в котором исследуются, конструируются и применяются квантовые усилители сверхвысоких частот, лазеры, лазерные гироскопы, квантовые магнитометры, преобразователи частоты электромагнитных излучений и другие электронные устройства, основанные на принципе вынужденных излучений или на нелинейном взаимодействии излучения с веществом.

Открытия, сделанные в естествознании на рубеже ХТХ-ХХ вв., положили начало развитию современных научных представлений о природе. Большое значение для формирования новой общей картины мира имели совершенные в XX в. астрономические открытия. Особенно важны два экспериментально установленных и теоретически объясненных в XX в. положения. В 1922 г. советский ученый А.А. Фридман (1888—- 1925) нашел решение уравнений ОТО для замкнутой нестационарно расширяющейся Вселенной — той части мира, которая доступна наблюдению и исследованию человеком. В 1965 г. американские астрономы А. Пензианс и Р. Вильсон с помощью радиотелескопа, технического устройства для приема излучений космических объектов в диапазоне радиочастот, открыли реликтовое радиоизлучение. Реликтовым (или фоновым) оно названо потому, что образовалось на раннем этапе существования Вселенной, и с тех пор уже не связано с веществом. Его исследования позволяют получить важную информацию о прошлом состоянии, эволюции и строении Вселенной. В 1963 г. астрономы открыли квазары — объекты, находящиеся за пределами Галактики, в состав которой входит наша Солнечная система. В 1967 г. были открыты новые космические тела — источники импульсных радиоизлучений, названные пульсарами.

Итак, великие научные открытия в естествознании в конце XIX -первой половине XX вв. легли в основу более глубокого понимания и объяснения фундаментальных свойств физических полей и твердого вещества. Они положили начало истории новых обширных областей науки: электродинамики, атомистики, квантовой теории и других разделов физики. Их появление и развитие, создание СТО и ОТО привели к формированию современной физической картины мира, более общей, чем построенная на основе классической механики Ньютона. Кроме того, эти теоретические представления о строении вещества и открытые физические законы стали основой для принципиально новых технических решений и конструкций. Физика ядра, или атомная физика — возникший в начале XX в. раздел физики, изучающий строение атомов, — позволила практически овладеть атомной энергией; квантовая электроника стала научным основанием создания лазеров, квантовых часов, квантовых усилителей и ряда других. Развитие электродинамики и теории электромагнитного поля положило начало формированию современной электроники как относительно самостоятельной области науки, исследующей принципы и инженерные способы создания разнообразных приборов, действие которых основано на практическом использовании физических свойств электронов. Научной базой для создания новейших технических средств, использующих знания о глубинных свойствах материи, становится квантовая теория. В результате в XX в. возникают и ускоренно развиваются целые «кусты» или циклы технических наук: электротехника, электроника, радиоэлектроника и электросвязь.