«Благодаря открытию квантов энергии»


Представляем новый цикл публикаций о том, насколько мы продвинулись в изучении мира за последние сто лет
02 июля 2018

Мир стремительно меняется, и наука – одна из областей нашей жизни, где это видно особенно отчетливо. Или – нет? В наши дни научное сообщество рассуждает о возможностях генной инженерии в области борьбы с раком, исследует гравитационное «эхо» Большого взрыва, строит квантовый компьютер. А над чем ломали головы ученые сто лет назад (по историческим меркам срок-то не такой уж большой)? Предлагаем вспомнить некоторые эпизоды научной жизни 1918 года и оценить, насколько человечество продвинулось в деле познания и освоения окружающего мира с тех пор.

Начнем с физики. Физика к 1918 году продвинулась довольно далеко. Уже вышел ряд работ Эйнштейна по теории относительности (в т.ч. была опубликована знаменитая формула E=mc2). Эксперименты Резерфорда и Гейгера по рассеянию альфа-частиц в тонких пластинках показали наличие внутри атома компактной структуры — атомного ядра. Их новая теория объясняла, в частности, существование изотопов. Было немало и других открытий.

Но кому же досталась главная научная награда – Нобелевская премия 1918 года?

Время было непростое: завершалась Первая мировая война, с карт мира исчезали целые государства, причем не последние в списке мировых держав.

Но Нобелевский комитет нашел возможность присудить премии за 1918 год. Правда,  «задним числом» - в следующем, 1919 году (а вручили ее и вовсе летом 1920 года) и только по двум номинациям – по физике и по химии.

Нас сегодня интересует первая номинация.

В том году на получение ставшей уже престижной премии претендовало почти тридцать ученых. В этом списке хватает имен, знакомых нам по школьным учебникам: Нильс Бор (получил премию позже, в 1922 году), Альберт Эйнштейн (удостоен премии в 1921 году), Хендрик Лоренц (уже награжденный премией в 1902 году), Жан Перрен (нобелевский лауреат 1926 года) и другие.

Но победителем стал немецкий ученый Макс Карл Эрнст Людвиг Планк. К тому времени Планка включали в список номинантов десятый год подряд. И вот, наконец, он из номинанта стал лауреатом. А ведь тоже могло быть иначе. Помимо мощных конкурентов в списке претендентов против него могли сыграть и политические мотивы. Нобелевский комитет регулярно обвиняли и обвиняют в некоторой политической ангажированности, и не зря. А Планк в этом плане был довольно уязвим.

Немецкий ученый, воспитанный в духе прусского патриотизма, с воодушевлением воспринял начало Первой мировой войны. В своих публичных выступлениях он приветствовал войну, направленную, как он думал, на защиту жизненно важных ценностей немецкой нации, и призывал молодёжь вступать добровольцами в армию. Правда, вскоре его пыл несколько утих, и он стал прилагать массу усилий для сохранения международного научного сотрудничества. А в 1916 году на фронте погибает его старший сын, что еще сильнее подтолкнуло ученого к пересмотру своей позиции.

Но то политика, а в тот раз, к счастью, решающее слово сыграла наука. Научные достижения Планка хорошо известны. Еще в 1900 году он выдвинул идею о том, что энергия излучается не непрерывно, а в виде порций – квантов. Впоследствии эта идея выросла в целую научную дисциплину – квантовую механику, причем развивалась она так быстро и порой непредсказуемо, что в поздние годы жизни Планк признавал: сам он не успевает за последствиями своих открытий.

Идеей квантового излучения его вклад в физику далеко не исчерпан: он сформулировал второе начало термодинамики в виде принципа возрастания энтропии, получил и обосновал закон распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела (формула Планка), впервые вывел уравнения динамики релятивистской частицы и заложил основы релятивистской термодинамики. И еще много чего.

Но Нобеля ему дали как первому среди отцов-основателей квантовой теории, значение которой для ученых того времени было уже неоспоримым. Официальная формулировка гласила: «В знак признания его заслуг в развитии физики благодаря открытию квантов энергии».

С.н.с. Института физики полупроводников СО РАН, доцент НГУ и НГТУ Илья Бетеров Насколько весомым выглядит вклад немецкого физика в науку на расстоянии века и как далеко человечество продвинулось в постижении квантовой теории с тех пор – рассказывает с.н.с. Института физики полупроводников СО РАН, доцент НГУ и НГТУ Илья Бетеров:

Вместе с теорией относительности Эйнштейна это открытие фактически создало современную физику. Постоянная Планка [h] задает масштаб микромира так же, как и скорость света [с] определяет масштабы глобальных явлений во Вселенной. Возникнув как решение глубоко частной проблемы – описания спектра излучения абсолютно черного тела, где никак не удавалось добиться согласия теории и эксперимента, теория Планка полностью изменила наше представление о том, как устроен мир. Вместо детерминированного и непрерывного, он оказался дискретным и случайным. Квантовые явления лежат в основе множества современных технологий – от атомной энергетики до лазеров и микроэлектроники, но мы так и не стали понимать их интуитивно. Случайность результатов измерения, квантовые суперпозиции и перепутанные состояния остаются предметом научных дискуссий.

В последние десятилетия в развитии квантовой физики начался новый этап. Появились экспериментальные методы, которые позволяют управлять квантовыми состояниями отдельных квантовых систем – фотонов, атомов, ионов, сверхпроводящих интерферометров. Благодаря развитию нанотехнологий ученые стали создавать искусственные квантовые системы – квантовые ямы, квантовые нити, квантовые точки. Возникла концепция квантовых вычислений, под которыми понимают сложные преобразования состояний многочастичных квантовых систем. Продолжаются попытки найти связь между гравитацией, которая задается геометрией макромира, и квантовыми явлениями в микромире. На этом пути развивается квантовая метрология, целью которой является повышение точности измерений за счет квантовых явлений.

И сегодня квантовая физика – это передний край науки. Эксперименты в современной квантовой физике могут делаться и на небольшом лабораторном столе, и в Большом адронном коллайдере. Их объединяет постоянная Планка и незабываемое ощущение, что находишься на границе неизведанного.

Конечно, как уже говорилось выше, в 1918 году физика жила «не квантом единым». В этом году начала работу Доминьонская астрофизическая обсерватория, расположенная в канадском городе Виктория. В ней разместили второй по величине в мире на тот момент телескоп, апертура которого составляет 72 дюйма (1,8 метра). А первым директором обсерватории стал известный канадский астроном Джон Стэнли Пласкетт. В ней он на протяжении многих лет вел программу определения лучевых скоростей звезд, результаты которой сыграли большую роль в открытии вращения Галактики и определении его параметров.

А еще в этом году присудили последнюю Ломоносовскую премию, которая была учреждена правительством Российской империи 8 марта 1865 г., в канун столетия со дня смерти М.В. Ломоносова «в память о заслугах, оказанных им отечественному просвещению». Иногда ее смешивают с премией им. М.В. Ломоносова, присуждаемой МГУ, но это совсем другая награда. Премия в 1000 рублей (немалая по тем временам сумма) вручалась «за особенно важные изобретения и открытия, сделанные в России в области промышленности и технических наук, и за лучшие сочинения». Лауреатов премии определяла Академия наук, при этом на Ломоносовскую премию распространялось общее академическое правило, не допускавшее действительных членов Академии к соисканию награды (для объективности).

Последним лауреатом Ломоносовской премии стал в 1918 году физик, ректор Института инженеров путей сообщения А.А. Брандт (за труд «Основания термодинамики»), но денег он уже не получил, поскольку и Академия наук этими средствами не располагала. На том премия свое существование прекратила.

Развитие авиации в военные годы привело к быстрому прогрессу аэродинамики и теории полёта, в чём велика заслуга Н.Е. Жуковского. За два года до этого он возглавил расчётно-испытательное бюро при аэродинамической лаборатории Московского технического училища, в котором разрабатывались методы аэродинамического расчёта и расчёта прочности самолётов. И успел опубликовать первые результаты работы. В частности, в 1918 году вышла его книга «Изследованiе устойчивости конструкцiи аэроплановъ». Эту проблему (с новых позиций) решают и современные авиаконструкторы. И надо сказать, что, хоть они далеко продвинулись с той поры, им еще есть над чем поработать.

Наталья Тимакова