Текст книги "100 великих научных открытий"

Автор книги: Дмитрий Самин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 46 страниц)

ЛАЗЕР

Слово «лазер» образовано из начальных букв длинной фразы на английском языке, означающей в дословном переводе: «усиление света с помощью вынужденного излучения».

«Ученые давно обращали внимание на явление самопроизвольного испускания света атомами, – пишет в книге „Мир физики“ М.М. Колтун, – происходящее благодаря тому, что возбужденный каким-либо способом электрон вновь возвращается с верхних электронных оболочек атома на нижние. Недаром явление химической, биологической и световой люминесценции, вызванное такими переходами, издавна привлекало исследователей своей красотой и необычностью Но свет люминесценции слишком слаб и рассеян, Луны ему не достичь…

Каждый атом при люминесценции испускает свой свет в разное время, не согласованное с атомами-соседями. В результате возникает хаотичное вспышечное излучение. У атомов нет своего дирижера!

В 1917 году Альберт Эйнштейн в одной из статей теоретически показал, что согласовать вспышки излучения отдельных атомов между собой позволило бы внешнее электромагнитное излучение. Оно может заставить электроны разных атомов одновременно взлететь на одинаково высокие возбужденные уровни. Этому же излучению нетрудно сыграть роль и спускового крючка при „световом выстреле“: направленное на кристалл, оно может вызвать одновременное возвращение на исходные орбиты сразу нескольких десятков тысяч возбужденных электронов, что будет сопровождаться могучей ослепительно яркой вспышкой света, света практически одной длины волны, или, как говорят физики, монохроматического света.

Работа Эйнштейна была почти забыта физиками: исследования по изучению строения атома занимали тогда всех значительно больше.

В 1939 году молодой советский ученый, ныне профессор и действительный член Академии педагогических наук В.А. Фабрикант вернулся к введенному Эйнштейном в физику понятию вынужденного излучения. Исследования Валентина Александровича Фабриканта заложили прочный фундамент для создания лазера. Еще несколько лет интенсивных исследований в спокойной мирной обстановке, и лазер был бы создан». Но это произошло только в пятидесятые годы благодаря творческой работе советских ученых Прохорова, Басова и американца Чарльза Харда Таунса (1915).

Александр Михайлович Прохоров (1916–2001) родился в Атортоне (Австралия) в семье рабочего революционера, бежавшего в 1911 году в Австралию из сибирской ссылки. После Великой Октябрьской социалистической революции семья Прохорова возвратилась на родину в 1923 году и через некоторое время поселилась в Ленинграде.

В 1934 году здесь Александр окончил среднюю школу с золотой медалью. После школы Прохоров поступил на физический факультет Ленинградского государственного университета (ЛГУ), который оканчивает в 1939 году с отличием. Далее он поступает в аспирантуру Физического института имени П.Н. Лебедева АН СССР. Здесь молодой ученый занялся исследованием процессов распространения радиоволн вдоль земной поверхности. Им был предложен оригинальный способ изучения ионосферы с помощью радиоинтерференционного метода.

С самого начала Отечественной войны Прохоров в рядах действующей армии. Воевал в пехоте, в разведке, отмечен боевыми наградами, был дважды ранен. Демобилизовавшись в 1944 году, после второго тяжелого ранения, он возвратился к прерванной войной научной работе в ФИАНе. Прохоров занялся актуальными в то время исследованиями по теории нелинейных колебаний, методам стабилизации частоты радиогенераторов. Эти работы и легли в основу его кандидатской диссертации. За создание теории стабилизации частоты лампового генератора в 1948 году ему была присуждена премия имени академика Л.И. Мандельштама.

В 1948 году Александр Михайлович начинает исследование природы и характера электромагнитного излучения, испускаемого в циклических ускорителях заряженных частиц. В очень короткий срок ему удается провести большую серию успешных экспериментов по изучению когерентных свойств магнито-тормозного излучения релятивистских электронов, движущихся в однородном магнитном поле в синхротроне – синхротронного излучения.

В результате проведенных исследований Прохоров доказал, что синхротронное излучение может быть использовано в качестве источника когерентного излучения в сантиметровом диапазоне длин волн, определил основные характеристики и уровень мощности источника, предложил метод определения размеров электронных сгустков.

Эта классическая работа открыла целое направление исследований. Ее результаты были оформлены в виде докторской диссертации, успешно защищенной Александром Михайловичем в 1951 году. В 1950 году Прохоров начинает работы в совершенно новом направлении физики – радиоспектроскопии, постепенно отходя от работ в области физики ускорителей.

В спектроскопии тогда осваивался новый диапазон длин волн – сантиметровых и миллиметровых. В этот диапазон попадали вращательные и некоторые колебательные спектры молекул. Это открывало совершенно новые возможности в исследовании фундаментальных вопросов строения молекул. Богатый экспериментальный и теоретический опыт Прохорова в области теорий колебаний, радиотехники и радиофизики как нельзя лучше подходил для освоения этой новой области.

При поддержке академика Д.В. Скобельцына в минимально возможные сроки вместе с группой молодых сотрудников лаборатории колебаний Прохоров создал отечественную школу радиоспектроскопии, быстро завоевавшую передовые позиции в мировой науке. Одним из этих молодых сотрудников был выпускник Московского инженерно-физического института Николай Геннадьевич Басов.

Басов родился 14 декабря 1922 года городе Усмани Воронежской губернии (ныне Липецкой обл.) в семье Геннадия Федоровича Басова, впоследствии профессора Воронежского университета.

Окончание школы Басовым совпало с началом Великой Отечественной войны. В 1941 году Николая призвали в армию. Он был направлен в Куйбышевскую военно-медицинскую академию. Через год его перевели в Киевское военно-медицинское училище. После окончания училища в 1943 году Басова направили в батальон химической защиты. С начала 1945 года и до демобилизации, в конце того же года он находился в рядах действующей армии.

В 1946 году Басов поступает в Московский механический институт. По окончании института в 1950 году он поступил в его аспирантуру на кафедру теоретической физики.

С 1949 года Николай Геннадиевич работает в Физическом институте АН СССР. Его первая должность – инженер лаборатории колебаний, возглавляемой академиком М.А. Леонтовичем. Затем он становится младшим научным сотрудником той же лаборатории. В те годы группа молодых физиков под руководством Прохорова начала исследования на новом научном направлении – молекулярной спектроскопии. Тогда же началось плодотворное содружество Басова и Прохорова, приведшее к основополагающим работам в области квантовой электроники.

В 1952 году Прохоров и Басов выступили с первыми результатами теоретического анализа эффектов усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами, в дальнейшем ими была исследована физика этих процессов.

Разработав целый ряд радиоспектроскопов нового типа, лаборатория Прохорова начала получать очень богатую спектроскопическую информацию по определению структур, дипольных моментов и силовых постоянных молекул, моментов ядер и т. д.

Анализируя предельную точность микроволновых молекулярных стандартов частоты, которая определяется в первую очередь шириной молекулярной линии поглощения, Прохоров и Басов предложили использовать эффект резкого сужения линии в молекулярных пучках.

«Однако переход к молекулярным пучкам, – пишут И.Г.Бебих и В.С.Семенова, – решая проблему ширины линии, создавал новую трудность – резко снижалась интенсивность линии поглощения из-за низкой общей плотности молекул в пучке. Сигнал поглощения есть результат индуцированных переходов между двумя энергетическими состояниями молекул с поглощением кванта при переходе с нижнего уровня на верхний (индуцированное, вынужденное поглощение) и с испусканием кванта при переходе с верхнего уровня вниз (индуцированное, вынужденное излучение). Следовательно, он пропорционален разности заселенностей нижнего и верхнего энергетических уровней изучаемого квантового перехода молекул. Для двух уровней, отстоящих на энергетическом расстоянии, равном кванту СВЧ-излучения, эта разность населенностей составляет лишь малую часть от общей плотности частиц в силу термического заселения уровней в равновесном состоянии при обычных температурах согласно распределению Больцмана. Тогда-то и была предложена идея о том, что, изменяя искусственно населенности уровней в молекулярном пучке, т. е. создавая неравновесные условия (или как бы свою „температуру“, определяющую населенность этих уровней), можно существенно изменить интенсивность линии поглощения. Если резко снизить число молекул на верхнем рабочем уровне, отсортировывая из пучка такие частицы, например, с помощью неоднородного электрического поля, то интенсивность линии поглощения возрастает. В пучке как бы создана сверхнизкая температура. Если же таким способом убрать молекулы с нижнего рабочего уровня, то в системе будет наблюдаться усиление за счет индуцированного излучения. Если усиление превышает потери, то система самовозбуждается на частоте, которая определяется по-прежнему частотой данного квантового перехода молекулы. В молекулярном же пучке будет осуществлена инверсия населенностей, т. е. создана как бы отрицательная температура». Так возникла идея молекулярного генератора, изложенная в хорошо известном цикле классических совместных работ A.M. Прохорова и Н.Г. Басова 1952–1955 годов.

Отсюда начала свое развитие квантовая электроника – одна из самых плодотворных и наиболее быстро развившихся областей современной науки и техники.

По существу, главный, принципиальный шаг в создании квантовых генераторов состоял в том, чтобы приготовить неравновесную излучающую квантовую систему с инверсией населенностей (с отрицательной температурой) и поместить ее в колебательную систему с положительной обратной связью – объемный резонатор. Его могли и должны были сделать ученые, объединившие в себе опыт изучения квантовомеханических систем и радиофизическую культуру. Дальнейшее распространение этих принципов на оптический и другие диапазоны было неизбежно.

Принципиальным было предложение Прохорова и Басова о новом методе получения инверсии населенностей в трехуровневых (и более сложных) системах с помощью насыщения одного из переходов под действием мощного вспомогательного излучения. Это так называемый «метод трех уровней», получивший позднее также название метода оптической накачки.

Именно он позволил в 1958 году Фабри-Перо сформировать реальную научную основу для освоения других диапазонов. Этим успешно воспользовался в 1960 году Т. Мэйман при создании первого лазера на рубине.

Еще в период работы над молекулярными генераторами Басов пришел к идее о возможности распространения принципов и методов квантовой радиофизики на оптический диапазон частот. Начиная с 1957 года он занимается поиском путей создания оптических квантовых генераторов – лазеров.

В 1959 году Басовым совместно с Б.М. Вулом и Ю.М. Поповым подготовлена работа «Квантово-механические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний». В ней предлагалось использовать для создания лазера инверсную заселенность в полупроводниках, получаемую в импульсном электрическом поле. Это предложение наряду с предложениями ученых США об использовании кристаллов рубина (Ч. Таунс, А. Шавдов) и газовых смесей (А. Джаван) ознаменовало начало планомерного освоения квантовой электроникой оптического диапазона частот.

В 1964 году Басов, Прохоров и Таунс (США) стали лауреатами Нобелевской премии, которой они были удостоены за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров.

МОГУЩЕСТВЕННАЯ МАТЕМАТИКА

ТЕОРЕМА ПИФАГОРА

Трудно найти человека, у которого имя Пифагора не ассоциировалось бы с теоремой Пифагора. Даже те, кто в своей жизни далек от математики, продолжают сохранять воспоминания о «пифагоровых штанах» – квадрате на гипотенузе, равновеликом двум квадратам на катетах. Причина такой популярности теоремы Пифагора ясна: это простота – красота – значимость. В самом деле, теорема Пифагора проста, но не очевидна. Противоречие двух начал и придает ей особую притягательную силу, делает ее красивой. Но, кроме того, теорема Пифагора имеет огромное значение. Она применяется в геометрии буквально на каждом шагу. Существует около пятисот различных доказательств этой теоремы, что свидетельствует о гигантском числе ее конкретных реализаций.

Исторические исследования датируют появление на свет Пифагора приблизительно 580 годом до нашей эры. Счастливый отец Мнесарх окружает мальчика заботами. Возможности дать сыну хорошее воспитание и образование у него были.

Будущий великий математик и философ уже в детстве обнаружил большие способности к наукам. У своего первого учителя Гермодамаса Пифагор получает знания основ музыки и живописи. Для упражнения памяти Гермодамас заставлял его учить песни из «Одиссеи» и «Илиады». Первый учитель прививал юному Пифагору любовь к природе и ее тайнам.

Прошло несколько лет, и по совету своего учителя Пифагор решает продолжить образование в Египте. При помощи учителя Пифагору удается покинуть остров Самос. Но пока до Египта далеко. Он живет на острове Лесбос у своего родственника Зоила. Там происходит знакомство Пифагора с философом Ферекидом – другом Фалеса Милетского. У Ферекида Пифагор учится астрологии, предсказанию затмений, тайнам чисел, медицине и другим обязательным для того времени наукам.

Затем в Милете он слушает лекции Фалеса и его более молодого коллеги и ученика Анаксимандра, выдающегося географа и астронома. Много важных знаний приобрел Пифагор за время своего пребывания в Милетской школе.

Перед Египтом он на некоторое время останавливается в Финикии, где, по преданию, учится у знаменитых сидонских жрецов.

Учеба Пифагора в Египте способствует тому, что он сделался одним из самых образованных людей своего времени. Здесь же Пифагор попадает в персидский плен.

Согласно старинным легендам, в плену в Вавилоне Пифагор встречался с персидскими магами, приобщился к восточной астрологии и мистике, познакомился с учением халдейских мудрецов. Халдеи познакомили Пифагора со знаниями, накопленными восточными народами в течение многих веков: астрономией и астрологией, медициной и арифметикой.

Двенадцать лет пробыл в вавилонском плену Пифагор, пока его не освободил персидский царь Дарий Гистасп, прослышавший о знаменитом греке. Пифагору уже шестьдесят, он решает вернуться на родину, чтобы приобщить к накопленным знаниям свой народ.

С тех пор как Пифагор покинул Грецию, там произошли большие изменения. Лучшие умы, спасаясь от персидского ига, перебрались в Южную Италию, которую тогда называли Великой Грецией, и основали там города-колонии Сиракузы, Агригент, Кротон. Здесь и задумывает Пифагор создать собственную философскую школу.

Довольно быстро он завоевывает большую популярность среди жителей. Пифагор умело использует знания, полученные в странствиях по свету. Со временем ученый прекращает выступления в храмах и на улицах. Уже в своем доме Пифагор учил медицине, принципам политической деятельности, астрономии, математике, музыке, этике и многому другому. Из его школы вышли выдающиеся политические и государственные деятели, историки, математики и астрономы. Это был не только учитель, но и исследователь. Исследователями становились и его ученики. Пифагор развил теорию музыки и акустики, создав знаменитую «пифагорейскую гамму» и проведя основополагающие эксперименты по изучению музыкальных тонов: найденные соотношения он выразил на языке математики. В Школе Пифагора впервые высказана догадка о шарообразности Земли. Мысль о том, что движение небесных тел подчиняется определенным математическим соотношениям, идеи «гармонии мира» и «музыки сфер», впоследствии приведшие к революции в астрономии, впервые появились именно в Школе Пифагора.

Многое сделал ученый и в геометрии. Прокл так оценивал вклад греческого ученого в геометрию: «Пифагор преобразовал геометрию, придав ей форму свободной науки, рассматривая ее принципы чисто абстрактным образом и исследуя теоремы с нематериальной, интеллектуальной точки зрения. Именно он нашел теорию иррациональных количеств и конструкцию космических тел».

В школе Пифагора геометрия впервые оформляется в самостоятельную научную дисциплину. Именно Пифагор и его ученики первыми стали изучать геометрию систематически – как теоретическое учение о свойствах абстрактных геометрических фигур, а не как сборник прикладных рецептов по землемерию.

Важнейшей научной заслугой Пифагора считается систематическое введение доказательства в математику, и, прежде всего, в геометрию. Строго говоря, только с этого момента математика и начинает существовать как наука, а не как собрание древнеегипетских и древневавилонских практических рецептов. С рождением же математики зарождается и наука вообще, ибо «ни одно человеческое исследование не может называться истинной наукой, если оно не прошло через математические доказательства» (Леонардо да Винчи).

Так вот, заслуга Пифагора и состояла в том, что он, по-видимому, первым пришел к следующей мысли: в геометрии, во-первых, должны рассматриваться абстрактные идеальные объекты, и, во-вторых, свойства этих идеальных объектов должны устанавливаться не с помощью измерений на конечном числе объектов, а с помощью рассуждений, справедливых для бесконечного числа объектов. Эта цепочка рассуждений, которая с помощью законов логики сводит неочевидные утверждения к известным или очевидным истинам, и есть математическое доказательство.

Открытие теоремы Пифагором окружено ореолом красивых легенд. Прокл, комментируя последнее предложение 1 книги «Начал» Евклида, пишет: «Если послушать тех, кто любит повторять древние легенды, то придется сказать, что эта теорема восходит к Пифагору; рассказывают, что он в честь этого открытия принес в жертву быка». Впрочем, более щедрые сказители одного быка превратили в одну гекатомбу, а это уже целая сотня. И хотя еще Цицерон заметил, что всякое пролитие крови было чуждо уставу пифагорейского ордена, легенда эта прочно срослась с теоремой Пифагора и через две тысячи лет продолжала вызывать горячие отклики.

Михаил Ломоносов по этому поводу писал: «Пифагор за изобретение одного геометрического правила Зевесу принес на жертву сто волов. Но ежели бы за найденные в нынешние времена от остроумных математиков правила по суеверной его ревности поступать, то едва бы в целом свете столько рогатого скота сыскалось».

А.В.Волошинов в своей книге о Пифагоре отмечает: «И хотя сегодня теорема Пифагора обнаружена в различных частных задачах и чертежах: и в египетском треугольнике в папирусе времен фараона Аменемхета I (около 2000 года до нашей эры), и в вавилонских клинописных табличках эпохи царя Хаммурапи (XVIII веке до нашей эры), и в древнейшем китайском трактате „Чжоу-би суань цзинь“ („Математический трактат о гномоне“), время создания которого точно не известно, но где утверждается, что в XII веке до нашей эры китайцы знали свойства египетского треугольника, а к VI веку до нашей эры – и общий вид теоремы, и в древнеиндийском геометрическо-теологическом трактате VII–V веках до нашей эры „Сульва сутра“ („Правила веревки“), – несмотря на все это, имя Пифагора столь прочно сплавилось с теоремой Пифагора, что сейчас просто невозможно представить, что это словосочетание распадется. То же относится и к легенде о заклании быков Пифагором. Да и вряд ли нужно препарировать историко-математическим скальпелем красивые древние предания.

Сегодня принято считать, что Пифагор дал первое доказательство носящей его имя теоремы. Увы, от этого доказательства также не сохранилось никаких следов. Поэтому нам ничего не остается, как рассмотреть некоторые классические доказательства теоремы Пифагора, известные из древних трактатов. Сделать это полезно еще и потому, что в современных школьных учебниках дается алгебраическое доказательство теоремы. При этом бесследно исчезает первозданная геометрическая аура теоремы, теряется та нить Ариадны, которая вела древних мудрецов к истине, а путь этот почти всегда оказывался кратчайшим и всегда красивым».

Теорема Пифагора гласит: «Квадрат, построенный на гипотенузе прямоугольного треугольника, равновелик сумме квадратов, построенных на его катетах». Простейшее доказательство теоремы получается в простейшем случае равнобедренного прямоугольного треугольника. Вероятно, с него и начиналась теорема. В самом деле, достаточно просто посмотреть на мозаику равнобедренных прямоугольных треугольников, чтобы убедиться в справедливости теоремы.

Во II веке до нашей эры в Китае была изобретена бумага и одновременно начинается создание древних книг. Так возникла «Математика в девяти книгах» – главное из сохранившихся математико-астрономических сочинений. В IX книге «Математики» помещен чертеж, доказывающий теорему Пифагора. Ключ к этому доказательству подобрать нетрудно. В самом деле, на древнекитайском чертеже четыре равных прямоугольных треугольника с катетами и гипотенузой. С уложены так, что их внешний контур образует квадрат со стороной А+В, а внутренний – квадрат со стороной С, построенный на гипотенузе. Если квадрат со стороной с вырезать и оставшиеся 4 затушеванных треугольника уложить в два прямоугольника, то ясно, что образовавшаяся пустота, с одной стороны, равна С в квадрате, а с другой – А+В, т. е. С=А+В. Теорема доказана.

Математики Древней Индии заметили, что для доказательства теоремы Пифагора достаточно использовать внутреннюю часть древнекитайского чертежа. В написанном на пальмовых листьях трактате «Сид-дханта широмани» («Венец знания») крупнейшего индийского математика XII века в Бхаскары помещен чертеж с характерным для индийских доказательств словом «смотри!». Прямоугольные треугольники уложены здесь гипотенузой наружу и квадрат С перекладывается в «кресло невесты» квадрат А плюс квадрат В. Частные случаи теоремы Пифагора встречаются в древнеиндийском трактате «Сульва сутра» (VII–V веках до нашей эры).

Доказательство Евклида приведено в предложении 1 книги «Начал». Здесь для доказательства на гипотенузе и катетах прямоугольного треугольника строятся соответствующие квадраты.

«Багдадский математик и астроном X века ан-Найризий (латинизированное имя – Аннариций), – пишет Волошинов, – в арабском комментарии к „Началам“ Евклида дал следующее доказательство теоремы Пифагора. Квадрат на гипотенузе разбит у Аннариция на пять частей, из которых составляются квадраты на катетах. Конечно, равенство всех соответствующих частей требует доказательства, но мы его за очевидностью оставляем читателю. Любопытно, что доказательство Аннариция является простейшим среди огромного числа доказательств теоремы Пифагора методом разбиения: в нем фигурирует всего 5 частей (или 7 треугольников). Это наименьшее число возможных разбиений».