ФИЗИКА

Наиболее важными тенденциями развития основных естественнонаучных идей и экспериментальных методов в 20-е и 30-е гг. явились исследования в области атомной и ядерной физики и применение во всех отраслях учения о природе, в особенности в астрофизике, химии и биологии, понятий и методов, созданных при изучении атома и атомного ядра.

Принцип относительности, сформулированный А. Эйнштейном в 1905 г. и распространенный им в 1916 г. на ускоренные движения в новой теории тяготения — общей теории относительности, получил в 1919 г. подтверждение при астрономических наблюдениях. В начале 20-х гг. А.А.Фридман, развивая идеи общей теории относительности, предположил, что радиус Вселенной с течением времени меняется. В 20-х и 30-х гг. возникла релятивистская (основанная на общей теории относительности) космология. Что же касается специальной теории относительности, то перед ней в конце 20-х гг. открылась новая, чрезвычайно широкая область применения. Появилась релятивистская теория движения и превращения электронов и других элементарных частиц. Возможность применения теории относительности к микромиру открыла квантовая механика — наиболее крупное теоретическое обобщение физики 20-х гг.

Еще в начале столетия ученые-физики стремились построить модель атома, которая объяснила бы периодиче

ское повторение химических свойств элементов, расположенных по возрастающим атомным весам. В конце концов была создана картина электронов, движущихся по различным орбитам вокруг ядра. Ho в этой схеме при ее дальнейшем развитии обнаружились серьезные противоречия. Неизбежное с точки зрения классической электродинамики излучение энергии электронами, движущимися по замкнутым орбитам, должно приводить к потере энергии и в конечном счете к падению электронов на ядро, чему противоречит устойчивость атомов. Чтобы устранить это противоречие, Нильс Бор в 1913 г.

В середине 20-х гг. Луи де Бройль предположил, что движение электрона связано с волновым процессом — «волнами материи» — и что электрон может двигаться лишь по тем орбитам, на которых укладывается целое число волн материи. Вскоре после этого Эрвин Шредин- гер составил волновое уравнение, описывающее колебания некоторой величины — волновой функции. Решая это уравнение, можно определить положение электрона в каждый произвольный момент, если задано его начальное положение и известны силы, действующие на электрон. Таким образом, оказалось, что частицы обладают волновыми свойствами. Как показал Вернер Гейзенберг, из сочетания волновых и корпускулярных свойств вытекает невозможность одновременно с неограниченной степенью точности определить положение и скорость электрона или другой элементарной частицы.

В конце 20-х гг. были предприняты попытки создания теории движения электрона (или другой частицы), учитывающей соотношения теории относительности. Наибольшее значение среди этих попыток приобрела релятивистская квантовая механика Поля Дирака, который изменил волновое уравнение Шредингера, исходя из соотношений теории относительности. Из уравнений Дирака вытекает возможность отрицательных значений

энергии электрона. Каждому положительному значению энергии электрона соответствует отрицательное значение энергии. Ho представление об отрицательной энергии не имеет физического смысла. Поэтому Дирак предположил, что релятивистское волновое уравнение описывает поведение не только электрона, но и другой частицы, отличающейся от электрона своим электрическим зарядом — положительным в отличие от отрицательного заряда электрона; такая частица вела бы себя так же, как электрон с отрицательной энергией.

За фотонами, электронами, протонами и позитронами последовало открытие электрически незаряженных частиц — нейтронов. Это открытие позволило завершить физическую интерпретацию периодической системы элементов. Ядра атомов различных элементов содержат протоны, число которых равно атомному числу элемента, т.е. порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Кроме того, они содержат нейтроны, и поэтому атомный вес элемента отличается от его атомного числа. При этом оказалось, что существуют атомы с одним и тем же числом протонов и различным числом нейтронов в ядрах, иначе говоря, вещества с одним и тем же атомным номером, находящиеся в одной и той же клетке периодической таблицы, но отличающиеся различными атомными весами. Такие вещества получили название изотопов.

Исследования атомного ядра велись с помощью альфа-частиц, каждая из которых состоит, как стало известно в 30-е гг., из двух протонов и двух нейтронов. Бомбардируя атомные ядра альфа-частицами, можно вызывать ядерные реакции, изменять состав бомбардируемого ядра и превращать исследуемый изотоп в другой. В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность, получив при помощи бомбардировки радиоактивный изотоп, излучающий нейтроны и другие частицы в результате постепенного распада атомных ядер.

Применение радиоактивных изотопов в технике, биологии и медицине позволило сделать множество открытий. В самой физике радиоактивные изотопы значительно расширили фронт экспериментальных исследований, благодаря которым удалось открыть новые типы элемен

тарных частиц и новые поля наряду с ранее известными гравитационным и электромагнитным полями.

В этой полосе открытий важное место занимало исследование космических лучей — потока частиц, попадающих на поверхность Земли из мирового пространства.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в лаборатории. Фотография. 30-е годы.

раскрыто (оно не может считаться полностью объясненным и в наше время).

При исследовании ядра и элементарных частиц космическое излучение служит как бы гигантским источником частиц высокой энергии, которые вызывают разнообразные ядерные процессы. Среди этих частиц оказалось много новых, ранее остававшихся неизвестными. Их уже можно было сфотографировать (в частности, на толстослойных фотопластинках, в слое эмульсии которых прослеживается путь частиц), можно было подсчитывать число частиц в космическом излучении на различных уровнях, в различных слоях атмосферы. Впоследствии наряду с исследованием космических лучей было начато изучение частиц, приобретающих высокую энергию в ускорителях.

Среди элементарных частиц, открытых в 30-е гг., были различные виды мезонов — частиц, массы которых в несколько сот раз превышают массу электрона, но оказываются меньшими, чем масса протона и нейтрона. Исследование одного из видов мезонов позволило в середи

не 30-х гг. частично объяснить характер сил, действующих в атомном ядре и связывающих воедино ядерные частицы — протоны и нейтроны: ядерные силы переносятся в областях, близких к величине радиуса ядра, определенными мезонами.

К концу 30-х гг. ядерная физика вплотную подошла к получению энергии за счет деления ядер урана. В г. стало известно, что ядро урана при облучении его нейтронами делится на две примерно равные части с большим входом энергии и дает ядра элементов, стоящих в середине менделеевской таблицы, а также что образуемые при таком делении нейтроны способны вызвать деление соседних ядер урана и, следовательно, обусловить цепной характер процесса. Наконец, в том же 1939 г. Фредерик Жолио-Кюри и другие физики совершенно конкретно описали схему аппарата, в котором происходит цепная реакция деления урана и освобождения ядерной энергии. Все это свидетельствовало о возросшем значении физических открытий, определяя и ответственность ученых за судьбы человечества.