Физика и её влияние на развитие техники

Давайте мысленно перенесёмся на много тысяч лет назад. Наши далёкие предки не знали ни формул, ни законов. Они просто наблюдали за окружающим миром. И вот однажды кто-то заметил, что острый камень может разрезать шкуру животного или расколоть кость. Это было первое, ещё донаучное, но очень важное открытие! Люди стали сознательно искать и использовать такие камни. Позже, научившись выплавлять бронзу — прочный сплав меди и олова — человечество сделало огромный шаг вперёд. Из бронзы делали не только украшения и зеркала, но и прочные ножи, мечи, наконечники для копий и прочную посуду. Так, наблюдая и экспериментируя, люди накапливали знания.

Но чтобы перейти от примитивных орудий к могучим машинам, понадобились не просто наблюдения, а глубокое понимание законов природы. И здесь на сцену вышли великие умы. Одним из первых был древнегреческий учёный Архимед, живший в III веке до нашей эры, то есть более 2200 лет назад. Легенды окружают его имя. Одна из них рассказывает, как он, принимая ванну, обратил внимание на то, что его тело выталкивается водой. В этот момент его осенило, и он сформулировал знаменитый закон Архимеда, позволяющий понять, почему одни предметы тонут, а другие плавают. Он воскликнул: «Эврика!», что значит «Нашёл!», и голый выбежал на улицу, чтобы поделиться своим открытием.

Архимед был не просто теоретиком. Он был гениальным инженером: строил мощные катапульты и краны для защиты родного города, придумал Архимедов винт для подъёма воды, который используется до сих пор. Его идеи оставались непревзойдёнными почти восемнадцать веков.

Позже, во втором веке уже нашей эры, другой грек, Клавдий Птолемей, создал свою знаменитую геоцентрическую систему мира. Хотя мы теперь знаем, что в центре — Солнце, а не Земля, работа Птолемея была колоссальным научным подвигом. Он сумел создать сложную математическую модель, которая с удивительной точностью позволяла предсказывать движение планет, а также солнечные и лунные затмения на сотни лет вперёд. Это были первые в мире долгосрочные научные прогнозы!

А в эпоху Возрождения, в XV веке, творил человек-легенда, «универсальный гений» — Леонардо да Винчи. Он был живописцем, скульптором, архитектором, но для нас важно, что он был великим инженером и одним из первых настоящих экспериментаторов. В его дневниках мы находим чертежи вертолёта («воздушного винта»), парашюта, танка, подводной лодки и многих других устройств, которые были воплощены в жизнь лишь через 400—500 лет.

Но истинный переворот в мышлении совершил итальянский учёный Галилео Галилей, живший на рубеже XVI—XVII вв. Он провозгласил, что книга природы написана на языке математики, и чтобы её прочесть, нужны не только размышления, но и эксперименты. Галилей скрупулёзно измерял время, за которое шары скатываются по наклонной плоскости, и вывел законы равноускоренного движения.  Он изучал, как качается лампа в соборе, и открыл законы колебаний. Он бросал шары с Пизанской башни (хотя историки спорят, был ли этот красивый опыт на самом деле), чтобы установить законы падения тел. А когда он направил на небо самодельный телескоп, мир изменился навсегда. Он увидел, что Луна покрыта горами и кратерами, а Солнце имеет пятна. Это доказало, что небесные тела не являются идеальными и неизменными, как считали раньше.

Галилей открыл четыре крупнейших спутника Юпитера, которые мы теперь называем Галилеевыми. Его работы развеяли множество древних мифов и поставили науку на твёрдый экспериментальный фундамент.

Его идеи подхватил и развил английский учёный Исаак Ньютон. Образ яблока, упавшего ему на голову, — конечно, красивая сказка. Но суть верна: Ньютон задумался о природе силы, которая заставляет и яблоко падать на землю, и Луну оставаться на орбите. Результатом его титанического труда стали три закона механики и закон всемирного тяготения. Эти законы, изложенные в его великой книге «Математические начала натуральной философии» в тысяча шестьсот восемьдесят седьмом году, объяснили практически всё механическое движение во Вселенной: от падения камня до полёта кометы. Ньютон создал классическую механику — здание, в котором человечество жило и совершенствовало технику более двухсот лет.

Если Ньютон покорил мир механических сил, то шотландец Джеймс Максвелл в XIX веке покорил мир невидимых сил — электричества и магнетизма. Он объединил разрозненные открытия Фарадея, Ампера, Эрстеда в единую элегантную теорию электромагнитного поля. Его уравнения не только объяснили все известные явления, но и сделали гениальное предсказание: он теоретически доказал существование электромагнитных волн. Максвелл рассчитал, что они должны распространяться со скоростью света. В то время это была чистая теория, почти фантастика.

Но уже в 1888 году немецкий физик Генрих Герц экспериментально получил эти волны в своей лаборатории. А вскоре после этого Александр Попов и итальянец Гульельмо Маркони создали на их основе первый радиоприёмник. Так теория, рождённая в кабинете учёного, подарила человечеству радио, а затем телевидение, мобильную связь и интернет.

И вот здесь мы подходим к ответу на наш третий вопрос. Почему же за последние 300, а особенно за последние 100 лет, прогресс стал таким быстрым? Раньше между открытием и его применением проходили века, а теперь — десятилетия, а то и годы.

Главная причина — физика превратилась в мощный двигатель, который напрямую влияет на все сферы жизни. Она перестала быть уделом одиночек и стала системной, хорошо финансируемой отраслью знаний. Открытия стали цепляться одно за другое, как снежный ком.

Термодинамика подарила нам двигатель внутреннего сгорания и автомобиль. Электродинамика — электрическое освещение, трамваи, метро. Квантовая физика — транзистор, а значит, и всю современную микроэлектронику: от крошечного слухового аппарата до суперкомпьютера. Ядерная физика дала и страшное оружие, и мощные источники энергии — АЭС. И конечно, величайшая мечта человечества — полёт в космос — стала реальностью только благодаря тому, что физики рассчитали необходимые скорости, изучили свойства материалов в невесомости и создали теорию реактивного движения.

Физика и техника — это не просто улица с односторонним движением, где наука даёт идеи, а инженеры их воплощают. Всё гораздо интереснее! Техника, в свою очередь, дарит физике новые, невиданные глаза и руки. Например, чтобы изучать элементарные частицы, физикам понадобился огромный и сложнейший прибор — Большой адронный коллайдер, настоящее инженерное чудо, созданное совместными усилиями тысяч инженеров и техников со всего мира. 

Другой пример — лазеры. Без лазеров, изобретённых Николаем Геннадиевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым (за что они получили Нобелевскую премию), была бы невозможна современная хирургия, связь и даже считывание штрих-кодов в магазине. Электронные микроскопы позволяют увидеть отдельные атомы, а радиотелескопы — заглянуть в самые далёкие уголки Вселенной.

Блестящим примером этого союза стала космонавтика. Люди смотрели на звёзды тысячелетиями, но лишь в XX веке, когда созрели необходимые знания в области физики, химии, материаловедения, мечта стала реальностью. Основателем практической космонавтики в нашей стране был гениальный конструктор Сергей Павлович Королёв. Под его руководством 4 октября 1957 года в космос отправился первый в мире искусственный спутник Земли, который просто подавал в эфир сигналы «бип-бип». Но эти сигналы возвестили о начале новой, космической эры человечества.

12 апреля 1961 года сбылась самая дерзновенная мечта человека — он впервые увидел нашу планету из космоса.

А в тысяча девятьсот шестьдесят пятом (1965) году Алексей Архипович Леонов первым в истории шагнул в безвоздушное пространство. Эти подвиги были бы невозможны без фундаментальной работы физиков, изучавших газодинамику, прочность материалов, космическую радиацию.

Эти триумфы были бы невозможны без фундаментальных работ таких советских физиков, как Пётр Леонидович Капица, изучавший сверхнизкие температуры, Лев Давидович Ландау, создавший теорию сверхтекучести, или Игорь Васильевич Курчатов, «отец» советской атомной бомбы и мирного атома.

Физика не просто создаёт новую технику. Она даёт новые инструменты познания всем другим наукам, становясь своеобразным универсальным языком. В биологии с помощью рентгеноструктурного анализа, основанного на физических принципах, была расшифрована структура молекулы ДНК — носительницы наследственной информации. В археологии и геологии радиоуглеродный метод, основанный на знании ядерной физики о распаде изотопов, позволяет с точностью до нескольких десятилетий определить возраст древней кости, деревянного изделия или горной породы. В медицине физические методы диагностики творят чудеса: ультразвуковое исследование (УЗИ), компьютерная томография, магнитно-резонансная томография (МРТ) позволяют врачам заглянуть внутрь человеческого тела, не делая ни единого разреза, и поставить точный диагноз. А в географии физика объясняет причины ураганов, океанических течений, смены погоды и даже землетрясений. Именно на стыке наук рождаются новые увлекательные дисциплины: биофизика, геофизика, астрофизика, физическая химия, медицинская физика.

Казалось бы, человечество достигло невероятных высот. Но чем больше мы узнаём, тем больше загадок появляется. Знаменитый российский физик, нобелевский лауреат Виталий Лазаревич Гинзбург, выделил тридцать фундаментальных проблем, которые стоят перед физикой сегодня. Их решение определит лицо двадцать первого века. И решать эти задачи, возможно, предстоит как раз вам, нынешним школьникам. Вот лишь три из них. Первая — это осуществление управляемого термоядерного синтеза. Проще говоря, нужно создать на Земле маленькое, безопасное и контролируемое Солнце, которое даст человечеству практически неисчерпаемый источник экологически чистой энергии. Вторая — открытие высокотемпературной сверхпроводимости. Нужно найти материалы, которые проводят электрический ток без малейших потерь не при минус двести семьдесят градусов, а при обычной, комнатной температуре. Это сэкономит гигантское количество энергии и перевернёт всю электротехнику. Третья — создание металлического водорода. В недрах планет-гигантов, под чудовищным давлением, водород становится металлом с удивительными свойствами, возможно, являясь сверхпроводником и супертопливом. Его создание в лаборатории станет сенсацией.

И, самое главное, физика — это незаконченная книга. Это увлекательный роман, в котором самые интересные гласы ещё не написаны. Огромные проблемы ждут своих решений, и эти решения изменят мир. И кто знает, может быть, именно вы, сегодняшние семиклассники, через 20 лет будете принимать нобелевские премии за открытия, о которых мы сегодня можем только мечтать. Помните, что физика — это живая, пульсирующая история познания мира, в которой каждый из вас может оставить свой след.