Чтение онлайн

Современная физика, ставящая своей целью объяснить все многообразие явлений в рамках одной теории, уже нашла взаимосвязь между нарушениями комбинированной четности и эволюцией Вселенной. Астрофизические исследования показывают, что во Вселенной практически нет антивещества. Встречающиеся единичные античастицы, по всей вероятности, имеют вторичное происхождение. Предполагается, однако, что на очень ранних стадиях возникновения Вселенной, когда только образовались частицы, число нуклонов и антинуклонов было почти одинаковым. Из этого «почти» и возник мир, в котором мы живем. Частицы и античастицы аннигилировали, в результате чего возникло излучение — фотоны. Если бы число античастиц и частиц было одинаковым, то во Вселенной сегодня не было бы вещества, а только одни фотоны. К счастью, мир «с самого начала» был слегка асимметричен. В свете подобных представлений приходится признать нарушение комбинированной четности.

Начало таким теоретическим рассуждениям было положено сенсационным открытием Фитча и Кронина в 1964 г. Нобелевский комитет по физике проявил в последние годы замечательную последовательность в своих решениях. В 1978 г. были награждены Арно Аллан Пензиас и Роберт Вудро Вильсон — за открытие реликтового фонового электромагнитного излучения, которое возникло еще в момент рождения Вселенной. В 1979 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Вайнбергу, Глэшоу и Саламу за создание объединенной теории слабых и электромагнитных взаимодействий, а в 1980 г. Нобелевскую премию получили Вэл Логсдон Фитч и Джеймс Уотсон Кронин за открытие нарушения комбинированной пространственно-зарядовой симметрии. Эти три открытия, сделанные в различных областях науки, — новые зернышки в мозаике, воссоздающей все более законченную картину мира.

В середине прошлого столетия исследования в области электричества, магнетизма и оптики достигли больших высот, что позволило объединить все существующие представления в одну теорию, получившую название электродинамики. Это сделал известный английский физик Джеймс Клерк Максвелл. Экспериментальную проверку новой теории осуществил немецкий ученый Генрих Рудольф Герц.

В 1887 г. он построил опытную установку, с помощью которой доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве, подтвердив тем самым предсказания теории Максвелла. В своих опытах Герц пользовался сконструированным им генератором электромагнитных колебаний (вибратором Герца); эти колебания улавливались другим прибором — резонатором. Герц провел обширные исследования свойств электромагнитных волн и подтвердил их сходство со светом. Однако у Герца не возникло мысли, что посредством этих волн можно передавать информацию, подобно тому как это делается с помощью электрических сигналов в телеграфном кабеле. Тем не менее несколько лет спустя эта идея получила распространение в мире ученых. Русский физик Александр Степанович Попов опубликовал в 1895 г. результаты своих исследований относительно возможности передачи сообщений с помощью электромагнитных волн [6] . В том же году 20-летний итальянец Гульельмо Mapкони (человек, не имеющий специальной теоретической подготовки и получивший лишь домашнее образование), вдохновленный работами Герца, начал свои эксперименты.

Занимаясь техническим усовершенствованием своей установки, Маркони постепенно пришел к выводу, что для радиопередатчика необходимы заземление и антенна. Увеличивая антенну, он непрерывно увеличивал и дальность передачи: от 2,5 км в 1895 г. она возросла в 1897 г. до 18 км. В это время Маркони перебрался в Англию и подал заявку на патент; в 1897 г. он получил патент на применение электромагнитных волн для беспроволочной связи (А.С. Попов свое открытие не патентовал). Получив финансовую поддержку правительства, Маркони осуществил в 1902 г. связь через Атлантический океан — на расстояние в 3400 км. Это был успех не только итальянского изобретателя. Профессор физики Страсбургского университета Карл Фердинанд Браун изобрел в 1898 г. колебательный контур значительной емкости и с малым затуханием. Вскоре после этого он изготовил кристаллический детектор, который быстро нашел применение в первых радиоприемниках. Браун изобрел несколько типов антенн и предложил много других технических усовершенствований, которые способствовали развитию радиосвязи.

В начале нашего века существование радио стало фактом. В 1909 г. Нобелевский комитет по физике принял решение о награждении Маркони и Брауна. Это было признанием больших технических достижений, которые стали возможны благодаря теоретическим открытиям, сделанным в предшествующие несколько десятилетий. К сожалению, работы А.С. Попова — истинного изобретателя радио — остались малоизвестными на Западе. Он умер в 1906 г., так и не попав в поле зрения Нобелевского комитета.

В то время, когда Маркони и Браун были удостоены Нобелевской премии, в Кембридже работал Оуэн Уилланс Ричардсон. В знаменитой Кавендишской лаборатории он исследовал явление термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми телами). Ранее Дж. Дж. Томсон установил, что металлы при сильном нагревании испускают электрически заряженные частицы. В 1901 г. Ричардсон вывел термодинамическую формулу зависимости плотности термоэлектронной эмиссии от температуры поверхности катода. Эти исследования довольно скоро перестали быть чисто теоретическими и нашли широкое применение при конструировании электронных ламп для радиотехники. Между прочим, первая электронная лампа, была создана самим Ричардсоном в 1901 г. — в известном смысле это можно рассматривать как дату рождения современной электроники.

G того времени радиотехника и радиосвязь стали бурно развиваться, и через 20 лет после изобретения радио появилось телевидение. Кинескоп, который, создает телевизионное изображение, является отдаленным потомком электронно-лучевой трубки, созданной Брауном в 1897 г. Впечатляющие успехи радио и телевидения вновь привлекли внимание Нобелевского комитета по физике, и по решению его членов в 1928 г. Нобелевская премия была присуждена Ричардсону.

На протяжении нескольких, десятилетий электронные лампы считались вершиной достижений инженерной мысли. Все более сложные их модификации, которые связывались во все более сложные системы, и привели в конце концов в 1946. г. к появлению первого компьютера. Два года спустя открытие, сделанное, в американской научно-исследовательской фирме «Белл телефон лабораторией, коренным образом изменило положение. Джон Бардин и Уолтер Браттейн открыли транзисторный эффект и изготовили первый полупроводниковый прибор — транзистор. Одновременно теорией этого процесса занимался сотрудник, той же лаборатории Уильям Брэдфорд Шокли.

Даже самые первые, еще очень несовершенные транзисторы были во всех отношениях значительно удобнее электронных ламп и быстро начали их вытеснять. Теория транзисторного эффекта сама по себе имела большое, значение для теоретической физики. По этим причинам Нобелевский комитет принял решение присудить Нобелевскую премию по физике за 1956 г. трем названным ученым — за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта. За прошедшие три десятилетия полупроводниковая техника принципиально усовершенствовалась и привела к возникновению современной микроэлектроники. Без сомнения, изобретение транзистора явилось одним из крупнейших открытий нашего века, которое сделало возможной автоматизацию многих процессов и внесло коренные изменения в жизнь людей. Это во многом было предопределено изобретением радио и развитием радиотехники. Исследования радиоволн привели также к интересным открытиям, имеющим серьезные последствия.

В первое время после изобретения радио выдвигались самые различные гипотезы о распространении радиоволн. В 1902 г. английский физик Оливер Хевисайд предположил, что в верхней части атмосферы имеется ионизированный слой, отражающий радиоволны. Это дает возможность принимать в Европе радиосигналы, например, из далекой Новой Зеландии. Радиоволны, последовательно отражаясь от атмосферы и земной поверхности, обходят вокруг всего земного шара. Однако это относится только к радиоволнам определенного диапазона. Ультракороткие радиоволны не отражаются от ионизированного слоя атмосферы, и поэтому телевизионный сигнал можно принимать лишь в зоне прямой видимости.

В 1924 г. было убедительно доказано существование ионосферы и определено расстояние до нее от поверхности Земли. Это сделал английский физик Эдуард Виктор Эплтон из Кавендишской лаборатории, основываясь на исключительно простой идее. Исходя из того, что излучаемый радиосигнал и сигнал, отраженный от высоких слоев атмосферы, проходят различное расстояние, он предположил, что между ними должна происходить интерференция — наложение волн, в результате чего волны взаимно усиливают или гасят друг друга. Это явление хорошо знакомо радиослушателям: иногда радиопередачи хорошо принимаются с больших расстояний, а порой мы слабо слышим даже близкие радиостанции.

Измерив силу сигнала, Э. Эплтон путем простых математических расчетов установил, что ионосфера находится на высоте около 90 км. К 1927 г. он изучил различные ионосферные слои. Обобщив многочисленные данные, Эплтон разработал магнитно-ионную теорию высоких слоев атмосферы. Согласно этой теории, ионы образуются под действием солнечного света и космических лучей и сильно влияют на магнитное поле Земли. Именно этими факторами определяются структура ионосферы и качество радиосвязи.

Исследования Э. Эплтона имели важное значение для радиосвязи, а также для физики земной атмосферы и околоземного пространства. За свой вклад он получил в 1947 г. Нобелевскую премию по физике.

Оказалось, что беспрепятственное прохождение ультракоротких волн через земную атмосферу имеет исключительно большое значение для современной астрофизики. Сегодня исследование небесных тел с помощью радиотелескопов — это, по существу, еще одно «окно» во Вселенную. Как и многие другие открытия, радиоастрономия родилась также случайно.

В 1929 г. фирма «Белл телефон лабораторис» поручила молодому инженеру Карлу Янскому исследовать помехи на трансатлантическом канале радиосвязи. В его распоряжение был предоставлен чувствительный радиоприемник, который затем дополнили большой антенной для определения направления шумов. После длительного наблюдения выяснилась в общих чертах картина радиопомех. Большинство из них, как оказалось, вызываются грозами. Однако на эти помехи накладывался еще какой-то загадочный радиошум, идущий с неба.