Развити фзики

                      Современная экспериментальная физика  

Ещё в нач. 20 в. такие эпохальные открытия, как открытие Резерфордом атомного ядра, можно было делать с помощью сравнительно простой аппаратуры. Но в дальнейшем эксперимент стал очень быстро усложняться и экспериментальные установки начали приобретать промышленный характер. Неизмеримо возросла роль измерительной и вычислительной техники. Современные экспериментальные исследования в области ядра и элементарных частиц, радиоастрономии, квантовой электроники и физики твёрдого тела требуют небывалых масштабов и затрат средств, которые зачастую доступны лишь крупным государствам или даже группам государств с развитой экономикой.

Огромную роль в развитии ядерной физики и физики элементарных частиц сыграли разработка методов наблюдения и регистрации отдельных актов превращений элементарных частиц (вызванных их столкновениями друг с другом и с атомными ядрами) и создание ускорителей заряженных частиц, положившее начало развитию физики высоких энергий. Открытие В. И. Векслером (1944) и независимо Э. М. Макмилланом (1945) принципа автофазировки повысило предел достижимых энергий частиц в тысячи раз. Ускорители со встречными пучками значительно увеличили эффективную энергию столкновения частиц. Были созданы высокоэффективные счётчики заряженных частиц, действие которых основано на различных принципах: газоразрядные, сцинтилляционные, черенковские и др. фотоумножители позволяют регистрировать единичные фотоны. Наиболее полную и точную информацию о событиях микромира получают с помощью пузырьковой и искровой камер и толстослойных фотоэмульсий, в которых можно непосредственно наблюдать следы (треки) пролетевших заряженных частиц. Построены детекторы, позволяющие регистрировать редчайшие события - столкновения нейтрино с атомными ядрами.

Подлинная революция  в экспериментальном исследовании взаимодействий элементарных частиц связана  с применением ЭВМ для обработки информации, получаемой от регистрирующих устройств. Для фиксации маловероятных процессов приходится анализировать десятки тысяч фотографий треков. Вручную это заняло бы столь много времени, что получение нужной информации стало бы практически невозможным. Поэтому изображения треков с помощью специальных устройств преобразуются в серию электрических импульсов и дальнейший анализ треков производится с помощью ЭВМ. Это чрезвычайно сокращает время между экспериментом и получением обработанной информации. В искровых камерах регистрация и анализ треков частиц осуществляются автоматически с использованием ЭВМ непосредственно в экспериментальной установке.

Значение ускорителей  заряженных частиц определяется следующими обстоятельствами. Чем больше энергия (импульс) частицы, тем меньше (согласно принципу неопределённости) размеры объектов или их деталей, которые можно различить при столкновениях частицы с объектом. К 1977 эти минимальные размеры составляют 10^-15 см. Изучая рассеяние электронов высокой энергии на нуклонах, удалось обнаружить элементы внутренней структуры нуклонов - распределение электрического заряда и магнитного момента внутри этих частиц (т. н. формфакторы). Рассеяние электронов сверхвысоких энергий на нуклонах указывает на существование внутри нуклонов нескольких отдельных образований сверхмалых размеров, названных партонами. Возможно, партоны представляют собой гипотетические кварки.

Другая причина  интереса к частицам высоких энергий - рождение при их столкновениях  с мишенью новых частиц всё  большей массы. Всего известно 34 стабильных и квазистабильных (т. е. не распадающихся за счёт сильных взаимодействий) частиц (с античастицами) и более двухсот резонансов, причём подавляющее их число открыто на ускорителях. Исследование рассеяния частиц сверхвысоких энергий должно способствовать выяснению природы сильных и слабых взаимодействий.

Изучены самые  различные типы ядерных реакций. На ускорителе Объединённого института ядерных исследований в г. Дубне впервые осуществлено столкновение релятивистских ядер. Успешно идёт синтез трансурановых элементов. Получены ядра антидейтерия, антитрития и антигелия. На ускорителе в Серпухове открыта новая закономерность сильных взаимодействий - рост полного сечения взаимодействия адронов очень высоких энергий при их столкновении с увеличением энергии столкновения (т. н. серпуховский эффект).

Развитие радиофизики  получило новое направление после  создания радиолокационных станций во время Второй мировой войны 1939-45. Радиолокаторы нашли широкое применение в авиации и морском транспорте, в космонавтике. Была осуществлена локация небесных тел: Луны, Венеры и др. планет, а также Солнца. Сооружены гигантские радиотелескопы, улавливающие излучения космических тел со спектральной плотностью потока энергии 10^-26 эрг/см²*сек*гц. Информация о космических объектах неизмеримо возросла. Были открыты радиозвёзды и радиогалактики с мощным излучением в диапазоне радиоволн, а в 1963 - наиболее удалённые от нас квазизвёздные объекты- квазары. Светимость квазаров в сотни раз превышает светимость ярчайших галактик. Разрешающая способность современных радиотелескопов, использующих передвижные антенны, управляемые ЭВМ, достигает угловой секунды (для излучения с длиной волны в несколько см). При разносе антенн на большие расстояния (порядка 10 тыс. км) получается ещё более высокое разрешение (в сотые доли угловой секунды).

Исследование  радиоизлучения небесных тел помогло  установить источники первичных  космических лучей (протонов, более тяжёлых атомных ядер, электронов). Этими источниками оказались вспышки сверхновых звёзд. Было открыто реликтовое излучение - тепловое излучение, соответствующее температуре 2,7 К. В 1967 открыты пульсары - быстро вращающиеся нейтронные звёзды. Пульсары создают направленное излучение в радиодиапазоне, видимом и рентгеновском диапазонах, интенсивность которого периодически меняется из-за вращения звёзд.

Большую роль в  изучении околоземного космического пространства и далёкого космоса сыграли запуски космических станций: были открыты радиационные пояса Земли, обнаружены космические источники рентгеновского излучения и всплески у-излучения (эти виды излучения поглощаются атмосферой Земли и не доходят до её поверхности).

Современные радиофизические методы позволяют осуществлять космическую связь на расстояния в десятки и сотни млн. км. Необходимость передачи большого объёма информации стимулировала разработку принципиально новых, оптических линий связи с применением волоконных светопроводов.

Высочайшей точности достигли измерения амплитуды колебаний  макроскопических тел. С помощью радиотехнических и оптических датчиков можно регистрировать механические колебания с амплитудой порядка 10^-15 см (имеется возможность повысить этот предел до 10^-16 -10^-19 см).

Для исследования структуры кристаллов и органических молекул применяются высокоточные автоматические рентгеновские и нейтронные дифрактометры, в сотни тыс. раз сократившие время расшифровки структур. В структурных исследованиях применяются также электронные микроскопы большой разрешающей силы. Нейтронография позволяет изучать и магнитную структуру твёрдых тел.

Для исследования структуры и распределения электронной  плотности в веществе успешно  применяются электронный парамагнитный резонанс (открыт Е. К. Завойским в 1944), ядерный магнитный резонанс (открыт Э. Пёрселлом и Ф. Б лохом в 1946), Мёссбауэра эффект (открыт Р. Л. Мёссбауэром в 1958). Совершенствуется исследование структуры атомов и молекул органических и неорганических веществ по их спектрам излучения и поглощения в широком диапазоне частот (в т. ч. с применением лазерного излучения;).

В гидроакустике открыто и исследовано явление сверхдальнего распространения звука в морях и океанах - на расстояния в тысячи км (амер. учёные М. Ивинг, Дж. Ворцель, 1944, и независимо сов. физики Л. М. Бреховских, Л. Д. Розенберг и др., 1946).

В последнее  десятилетие развиваются акустические методы исследования твёрдых тел, основанные на применении ультразвуковых и гиперзвуковых волн, а также поверхностных акустических волн.

Быстрое развитие физики полупроводников совершило переворот в радиотехнике и электронике. Полупроводниковые приборы вытеснили электровакуумные лампы. Резко уменьшились и стали надёжнее радиотехнические устройства и вычислительные машины, существенно уменьшилась потребляемая ими мощность. Появились интегральные схемы, сочетающие на одном небольшом (в десятки мм²) кристалле тысячи и более электронных элементов. Процесс последовательной микроминиатюризации радиоэлектронных приборов и устройств привёл к созданию на нескольких кристаллах т. н. микропроцессеров, выполняющих операционные функции ЭВМ. Небольшие вычислительные машины изготавливаются на одном кристалле.

ЭВМ стали неотъемлемой частью физических исследований и применяются как для обработки экспериментальных данных, так и в теоретических расчётах, особенно тех, которые ранее были неосуществимыми из-за огромной трудоёмкости.

Большое значение как для самой науки, так и  для практических применений имеет  исследование вещества при экстремальных  условиях: при очень низких или  очень высоких температурах, сверхвысоком давлении или глубоком вакууме, сверхсильных магнитных полях и т. д.

Высокий и сверхвысокий вакуум создаётся в электронных  приборах и ускорителях для того, чтобы избежать столкновений ускоряемых частиц с молекулами газа. Исследование свойств поверхностей и тонких слоев вещества в сверхвысоком вакууме открыло новый раздел физики твёрдого тела. Эти исследования очень важны, в частности, в связи с освоением космического пространства.

Создание дендримеров  и изучение их свойств, которое началось в середине 80-х годов и активно продолжается в настоящее время, можно назвать одним из наиболее заметных событий в химии и физике полимеров на рубеже 20 – 21 веков. Синтез дендримеров с карбосилановым ядром и мезогенными фрагментами, присоединенными к нему гибкими алифатическими спейсерами, выполненный под руководством А.М. Музафарова и В.П. Шибаева, открыл принципиально новый тип разветвленных полимерных систем, способных образовывать термотропные жидкие кристаллы. В разбавленном растворе молекулы дендримеров ведут себя подобно сплошным частицам, чья средняя плотность не зависит от номера генерации. Возрастание числа поколений инициирует процесс самоорганизации мезогенных концевых фрагментов молекул, которые стремятся выстроиться в радиальном направлении.

Открытие низкотемпературных сверхтекучих фаз Не-3 отмечено Нобелевской премией по физике за 1996 г.

Физикам впервые  удалось в течение относительно длительного времени удерживать атомы антивещества в специальной  ловушке. Статья исследователей опубликована в журнале Nature, а коротко о работе пишет портал ScienceNOW. Антиматерия - это "двойник" обычной материи с той разницей, что все частицы антивещества имеют противоположный знак заряда.

При взаимодействии частиц вещества и антивещества происходит их взаимное уничтожение. В окружающей нас Вселенной практически нет антиматерии, и этот факт не согласуется с существующими гипотезами, которые описывают фундаментальные физические взаимодействия - Большой взрыв должен был породить равное количество материи и антиматерии.

Некоторые античастицы ученые наблюдают относительно часто - например, позитроны (положительно заряженные электроны), присутствующие в космическом излучении. Однако долгое время физикам не удавалось "собрать" из субатомных античастиц атомы антиматерии. Впервые это было сделано в 2002 году сотрудникам CERN (Европейский центр ядерных исследований), которые из антипротона и позитрона получили атомы антиводорода. Изучая эти антиатомы, физики рассчитывают прояснить вопрос о недостатке антивещества во Вселенной, но до сих пор ученым не удавалось удерживать антиводород от аннигиляции с "обычной" материей достаточное для изучения время. 
 
 
 
 

                                            Заключение 

Роль физики трудно переоценить, так как она необходима в любой области деятельности человека.

По поводу значения физики в современном мире В.Гейзенберг выразился следующим образом: "... современная физика представляет собой только одну, хотя и весьма характерную сторону общего исторического процесса, имеющего тенденцию к объединению и расширению нашего современного мира... в двух решающих пунктах, она, по-видимому, помогает направить развитие по мирным рельсам. Во-первых, она показывает, что применение оружия в этом процессе имело бы чудовищные последствия, и, во-вторых, своей доступностью для многих исторически сложившихся способов мышления она пробуждает надежду, что в окончательном состоянии различные культурные традиции, новые и старые, будут сосуществовать, что весьма разнородные человеческие устремления могут быть соединены для того, чтобы новое равновесие между мыслями и действием, между содержательностью и активностью".