Николай Горькавый – Драконоборцы. 100 научных сказок (страница 49)
Двадцатый век принёс расцвет физики твёрдых тел.
Ключевым моментом стал 1912 год, когда в Мюнхене на заседании Баварской академии наук был заслушан доклад о рассеянии рентгеновских лучей на кристаллах. Первая, теоретическая, часть доклада была сделана Максом фон Лауэ из Цюриха, а во второй части его ассистенты Фридрих Вальтер и Пауль Книппинг продемонстрировали результаты эксперимента, подтверждающего теорию. Авторы доклада доказали, что рентгеновские лучи имеют волновую природу, а кристаллы обладают периодической атомной структурой. Через три года фон Лауэ получил за открытие нового, очень плодотворного метода исследования кристаллов Нобелевскую премию.
– Всё-таки мне не очень понятно, что такое физика твёрдого тела, – покачала головой Галатея. – Кремниевые ножи, кристаллы, рентгеновские лучи… как это всё объединяется?
– Физика твёрдого тела пытается установить связь между физическими свойствами твёрдых тел, которые нас окружают, и их атомным строением, то есть связать макромир и микромир. Если мы хорошо изучим эти связи, то сможем создавать материалы с нужными нам свойствами – например сверхчистые кристаллы кремния и германия для полупроводников. Именно на примере кристаллов удобно изучать связь между крошечными атомами и нашим макромиром, потому что многократная повторяемость атомной структуры кристалла позволяет получить наглядное макроскопическое отображение этой структуры, например при облучении её рентгеновскими лучами.
Такова двойственная природа физики твёрдого тела. Поэтому в неё вносят важный вклад как квантовые механики, которые рассчитывают квантовое поведение атомов и электронов в твёрдых телах, так и экспериментаторы, которые изучают макроскопическое поведение, например сверхпроводящих образцов. Именно сверхпроводимость является одним из самых перспективных направлений физики твёрдого тела. Если бы были получены высокотемпературные сверхпроводники, работающие в условиях комнатных температур, то это стало бы новой технологической революцией. Экспериментаторы ищут такие сверхпроводники, но практически наугад, потому что хорошей квантово-механической теории высокотемпературных сверхпроводников ещё не создано.
В жилах нашей цивилизации течёт электрическая кровь, поэтому проводники, которые передают электрическую энергию на большие расстояния, и полупроводники, лежащие в основе всей электроники, играют колоссальную роль в экономике планеты. Сейчас специалисты работают над созданием триода на основе графена.
Не менее важным достижением физики твёрдого тела стало создание лазеров. Но об этом мы поговорим в следующей истории.
Сэр Андрей Константинович Гейм (р. 1958) – советский, нидерландский и британский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года за исследование графена. Родился в г. Сочи. Член Лондонского королевского общества, рыцарь-бакалавр по указу королевы Елизаветы II.
Сэр Константин Сергеевич Новосёлов (р. 1974) – российский и британский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года за исследование графена. Родился в г. Нижний Тагил. Член Лондонского королевского общества, рыцарь-бакалавр по указу королевы Елизаветы II. Его работы процитированы более ста тысяч раз.
Графен – первый известный истинно двумерный кристалл. Обладает высокой проводимостью, теплопроводностью и прочностью. Позже были открыты двумерные кристаллы кремния (силицен), фосфора (фосфорен), германия (германен).
Макс фон Лауэ (1879–1960) – немецкий физик. Лауреат Нобелевской премии за 1914 год «за открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах».
Сказка о лазерах и киберах
На очень разных и далёких друг от друга континентах – в Северной Америке и в Австралии – примерно в одно и тоже время родилось двое мальчиков, которым было суждено встретиться в Европе спустя полвека и при весьма необычных обстоятельствах. В то время в Европе шла кровопролитная Первая мировая война, но отзвуки её не доносились до тихих уголков Америки и Австралии. Американца звали Чарльз Таунс, его юность прошла в спокойной благополучной обстановке. До двадцати лет он рос и учился в городке Гринвилл в Южной Каролине, где живописные горы, заросшие густым лесом, переходят в равнину с озерами, фермами и провинциальными городами.
Австралийца звали Александр. Он родился в семье российских революционеров Прохоровых, бежавших в Австралию из сибирской ссылки. Он был младшим в семье – у него были три старшие сестры, которые тоже родились на севере Австралии, в небольшом городке Атертон, где обосновалась русская колония.
В 1923 году семья Прохоровых вернулась в Россию. Началась нелёгкая пора привыкания после тропической Австралии к новому суровому климату и непростым условиям жизни в послереволюционной России.
Александр закончил Ленинградский университет в 1939 году. Чарльз опередил его: в тот год он уже защитил диссертацию в Калифорнийском технологическом. Дальнейшая их судьба была драматически различной. Началась война с фашистской Германией, и в октябре 1941 года Александр Прохоров, сильный, высокий парень – рост метр девяносто – ушёл на фронт и стал разведчиком. Он получил два тяжёлых ранения и довоевал до февраля 1944 года, когда война покатилась к победному концу. Прохорова комиссовали по инвалидности, и он вернулся в аспирантуру московского Физического института, где учился до войны. Он оказался одним из немногих, кто ушёл на фронт в 1941-м и сумел вернуться живым в 1944-м. Его отец умер в декабре 1941 года от голода в блокадном Ленинграде, а мать скончалась в марте 1944-го в эвакуации в Казахстане.
Диссертацию Александр Прохоров защитил только в 1946 году, отстав от Таунса на семь лет. Его диссертация была написана от руки.
Чарльз Таунс не сидел в окопах под обстрелом и не ползал в тылу врага с гранатой в руке. Все военные годы он благополучно проработал в лаборатории «Белл телефон», где разрабатывал радарные системы для бомбометания. В 1950 году он стал профессором Колумбийского университета.
Прохоров отличался исключительной трудоспособностью и талантом – и вскоре догнал профессора Таунса по достижениям. Главным результатом, к которому Таунс и Прохоров пришли практически одновременно, стало создание лазеров – оптических квантовых генераторов, ставших впоследствии знаменитыми и общераспространёнными. Докладчики используют лазеры как указку, снайперы – в качестве прицела; лазеры режут металл, записывают компьютерную информацию, подсвечивают дискотеки и обещают помощь в межзвёздных путешествиях.
История лазеров началась с Альберта Эйнштейна. Главными его достижениями считаются создание специальной теории относительности в 1905 году и общей теории относительности в 1916-м. Но в 1905 году Эйнштейн стал ещё и одним из основателей современной квантовой теории. При этом Эйнштейна многие считают консерватором, который не принимал квантовую теорию.
– Как же так? – удивилась Галатея.
– Как всегда, реальность оказывается сложнее общепринятого мнения. Макс Планк в 1900 году предположил, что нагретое «чёрное тело» излучает свет порциями – квантами. Но он не думал, что луч света, летящий в пространстве, тоже обладает этими квантовыми свойствами. Этот шаг сделал именно Эйнштейн – и как раз в 1905 году. Он написал в статье, отправленной в печать 17 марта 1905 года: «Я и в самом деле думаю, что опыты, касающиеся излучения чёрного тела, фотолюминесценции, возникновения катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами и других групп явлений, связанных с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно. Согласно этому сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во всё возрастающем объёме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком».
– А нельзя ли как-нибудь пояснить понятнее? – жалобно спросила Галатея.
– Конечно, – улыбнулась Дзинтара. – Представьте, что вы выливаете на ровный пол ведро воды. Она быстро растекается – и чем дальше от точки выливания, тем тоньше становится слой воды. Если же вы высыпете мешок гороха, то горошины тоже разбегутся в разные стороны, но совсем по-другому: каждая горошина будет двигаться неизменной, увеличатся лишь расстояния между горошинами. Вот так же различается взгляд на свет свечи волновой и квантовой теории: согласно первой, свет распространяется во все стороны равномерно и слабеет, а согласно квантовой теории света, которую предложил Эйнштейн, свет похож на поток отдельных горошин, которые ничуть не меняются при длительном путешествии. Это настолько противоречило тогдашним представлениям, что даже Планк настороженно отнёсся к эйнштейновским световым квантам.
– А чем полезна эта эйнштейновская теория световых горошин? – спросил Андрей.
– На основании этой теории Эйнштейн в статье 1905 года объяснил появление катодных лучей – то есть потоков электронов – при облучении некоторых материалов ультрафиолетом. Именно за объяснение этого явления, названного «фотоэффектом», Эйнштейн и получил спустя семнадцать лет Нобелевскую премию по физике.