Қазіргі заман физикасы. ХХ ғ. физикалық ашылулар тарихы
Физика бөлінбейтін жалпы ғылым. Соңғы он жылдық ішінде көптеген тармақтар мен мамандықтар жоғары дамып кеткенмен, олардың барлығын байланыстыратын жіп бар. Бұл жіп — теориялық физикада қаланған негізгі түсініктер мен заңдар болып табылады.
Осыған дейін біз тек өткен кезеңдерде физика қалай дамығанын қарастырған болатынбыз. Енді қазіргі заманда физика қалай дамып жатыр екен? Соңғы он жылдық ішінде көптеген ашылулар жасалды. Физика өзінің жетістіктері және жеңілулері, жеңістері, қайғы-мұңы да бар ғылым болды және солай болып қалады. Ең бастысы оның дамуы еш уақытта тоқтамақ емес.
Өткен ХХғ.-ды ұлы физикалық ашылулар ғасыры деп атауға болады. Дәл осы кезде бүкіл әлемді дүр сілкіндірген кванттар теориясы мен салыстырмалылық теориясы пайда болды. Нейтрон, позитрон және кварк ашылды. Біз енді асқын өткізгіштік пен асқын аққыштық сияқты таңғаларлық құбылыстар туралы білеміз. Жоғары энергиялар, жоғары қысымдар, жоғары және төменгі температуралар физикасы, астрофизика және т.с.с көптеген жаңа бағыттар пайда болды.
ХХ ғ. физикасы өте жылдам дамыды, сондықтанда оған қатысты ақпарат көлемі де шапшаң өсті. Қазіргі заманның ұлы орыс физигі, академик В.Л.
Гинзбургтың пікірі бойынша, бұл қазіргі заман физикасының жетістіктерін мамандардың және жай физикаға қызығатын адамдардың қабылдауына қиындық тудырады. Ғылым бағыттарының әртүрлілігінің ішінен «аса маңызды және қызықтыларын» бөліп көрсету өте қиын. Бұрынғыдай «барлығы бір нәрсе туралы және бір нәрсе барлығы туралы деген уақытпен жарықтандырылған формула өте қызықты, бірақ қазіргі кезеңде олай болуы мүмкін емес» деп жоғары дәрежелі маман В.Л. Гинзбург санайды. Сонымен қатар, ол ғалым қазіргі заманға қатысты кейбір мәселелерді физик-мамандар дайындаған кезде ашып көрсету керек деп санайды. Бұның бірнеше себебі бар: біріншісі, бұл мәселенің бүкіл адамзат тағдырына қатыстылығы; екіншіден: ғылымның негізін күшейту үшін таңдалған бағыттың маңыздылығы; үшіншіден: әлемдегі адамның орны туралы сұрақтың маңыздылығы; төртіншіден: физиканың техникамен екі жақты байланыстылығы.
Қазіргі заманғы физиканың «аса маңызды және қызықты» мәселелерін зерттеу объектісінің масштабына байланысты 3 облысқа бөлуге болады: макрофизика, микрофизика және мегафизика. Олардың әрқайсысы тек өз мәселелерін шешіп қана қоймайды, олардың өз заңдары, математикалық аппараты, зерттеу әдістемесі және құралдары болады. Ғылымның даму тарихы көрсеткендей, объектінің масштабы ғана бірінші кезекте берілген облысқа сәйкес физикалық заңдардың мінездемесін анықтайды.
Ең жақсы мысал болып мұнда нақты физикалық заңдар детерминация басым болатын әлемнен мүмкіндіктер әлеміне өтетін макрофизикадан микрофизикаға өту процесі табылады. Макрофизикадан микрофизикаға өту процесі кезінде мегаәлемнің микро және макроәлемнің қасиеттеріне қарағанда қасиеттері бізге толық мәлім болмағандық себебінен заңдардың мұндай өзгерісі бізге анық көрінбейді. Дегенмен, бұл уақытша ғана. Бұған мегаәлемнің бірқатар спецификалық объектілерінің (пульсарлар, квазарлар, галактика ядросы т.б) ашылулары қол асты болады. Олардың қасиеттері тек мегаәлемге тән спецификалық заңдармен сипатталады. Бұл объектілердің қасиеттеріндегі кейбір «қызықты» жәйттар мегаәлемнің жаңа теорияларынан анық түсініктеме табады деп үміттенеміз.
Біздің физиканы бұлай үш бөлімге бөлу оның бірлігін еш бұзбайды. Бір бөлімнен екінші бөлімге жәймен өту, нәтижелер корреляциясы жалпы физикаға ортақ негізгі заңдардың (мысалы, симметрия және сақталу заңдары) болуы, оның бөлімдерінің жалпы және бір-біріне өтіп отырытындығын дәлелдейді.
ХХ ғ.-дың екінші жартысында ашылған қызықты және маңызды физикалық жаңалықтарды толық сипаттап беру мүмкін емес. Міне сондықтан біз, В.Л. Гинзбургтың соңынан, шамамен 20 негізгі физикалық мәселелерді
атап көрсетеміз. Бұл бізге тарихи тұрғыдан негізгі сұрақтар ғана емес, сонымен қатар физиканың техникамен және т.б ғылымдармен байланысын тұжырымдауға мүмкіндік береді.
Басқармалы теориялық синтез. ХХ ғ.дың 40-50 жж. негізі қаланған бұл заңдар басқармалы теориядық синтездің іске асырылуы энергетикалық және жер шарының көптеген экологиялық қиындықтарын толығымен шешетіндіктен, оның жалпы адамзаттық маңызы бар. Әрбір мәдениетті адам бұл мәселелермен және оның мүмкін шешімдерімен аз да болса таныс болуы керек. Ал мұғалімдерге келетін болсақ, олардың бұл мәселелер туралы білімі әр оқушының сұрағына толық жауап беру үшін жоғары болуы тиіс.
49 сурет. — Токомак
ХХ ғ.-дың ортасында сутегі, дейтерий, тритий атомдық ядроларының бірігуі кезінде үлкен энергия бөлінетіндігі толығымен анық болды. Бұны іске асыру үшін сутегі қоспасын 10,7 К-нан жоғары температураға көтеру керек, кері жағдайда ядролар ядролық күштер пайда болатын арақашықтыққа жете алмайды. Міне осы себепті осындай реакцияларды термоядролық деп атайды. Сутегі бомбасында мұндай температуралар жарылғыш рөлін ойнайтын атом бомбасының жарылысы кезінде пайда болады.
Бағынышты термоядролық синтезбен ғылым өткен ғасырдың 50 жж.-нан бастап айналысады. Кеңес Одағы кезінде бұл зерттеулер И.В.Курчатовтың басшылығымен жүргізілді. 1950 ж. ССРО-да И.Е. Тамм, АҚШ-та Л. Спитцер жоғары температуралы плазманы магниттік өріспен ұстап тұру идеясын ұсынды. Бірінші, токамактың (49 сурет), ал екінші стелларатордың конструкциясын ұсынды. Екі құрылғы да қазіргі таңда кең қолданыста.
Жоғары температуралы асқын өткізгіштік. Сұйықтар мен қатты денелердегі когерентті эффекттер-асқынөткізгіштік, асқынаққыштық-жасаған болжамдарды негіздеп, және ғылым жоғары жетістіктерін көрсеткен физиканың ең қызықты облыстарының қатарына жатады. Осы кезден бастап асқынөткізгіштіктің теориялық және экспериментальды физикасы жоғары жылдамдықпен дамып келеді.
Тарихи тұрғыдан бұл физика бөлімінің дамуын бірнеше кезеңдерге бөліп көрсетуге болады. Бірінші кезең, асқынөткізгіштік эффектісі ашылғаннан бастап, 50-60 жылға созылды және асқынөткізгіштік өтулерінің аса жоғары Т(с) температуралы асқынөткізгіштіктерді зертеуге бағытталған эксперименттермен сипатталды. Зерттеулер нәтижесінде Тс шамамен 20К болатын асқынөткізгіштер ашылды.
Асқынөткізгіштік эффектісін теориялық сипаттау, онымен Л.Д. Ландау және В.Л. Гинзбург (1916ж.) Гейц Лондон (1907-1970 жж.), Фриц Лондон (1900-1954 жж.) және т.б. айналысқанымен эксперименттік сипаттаудан біршама артта қалып отырды. Бұл ғалымдар әрқайсысы асқынөткізгіштің әр қасиетін сипаттайтын микроскопиялық теория 1957 ж. ашылды. Оның авторлары 1972 ж. Нобель сыйлығымен марапатталған американдық физиктер Джон Бардин (1908-1991жж.), Леон Купер (1930 ж.) және Джон Роберт Шриффер (1931 ж.) болды.
Бұл теорияның (авторлардың фамилияларының бас әрпінен құралып, БКШ деген атау енгізілген) ашылуынан бастап, асқынөткізгіштіктің дамуында жаңа кезең басталды. Ол асқынөткізгіштікке қатысты көптеген эффектілерді түсіндірумен қатар жаңа құбылыстарды болжаумен сипатталады. Осылай, 1962ж. ағылшын ғалымы Брайан Дэвид Джозефсон (1940 ж.) БКШ теориясына жүгіне отырып, әлсіз асқынөткізгішті системаларды жүзеге асатын, тунельдердің өзгеше түрін болжады. Джозефсон болжаған құбылыс (кейіннен эксперимент түрінде дәлелденген) 1974 ж. оны Нобель сыйлығымен марапаттауға негіз болды. Ал эффектінің өздері қазір оның есімімен аталады.
БКШ теориясынан,қиын жасалатын жағдайлар қажет болсада, Тс~300К болатын таң салмақты асқынөткізгіштердің болу мүмкіндігіне еш қарсылық болмайтындығын көруге болады. 1986-1987 жж. мұндай материалдар алынды. Бұл жерде 1987 ж. Нобель сыйлықтарының лауреаттары И.Г. Бернорц (Германия) және К.А. Мюллер (Швейцария) болды.
Асқынөткізгіштердің ғылымда үлкен орын алатын төмен темпратуралар физикасына жатады. Бұл бағыт адам жетістіктері табиғат мүмкіндіктерінен асып түсетін жалғыз физикадағы бағыт. Зертханаларда әлемде кездеспейтін төмен температура мәндері алынды. Осыдан табиғатта байқалмаған физикалық құбылыстарды зерттеу мүмкіндіктері пайда болғанын көруге болады. Бұл кезеңнің тарихы қазіргі таңда жасалуда.
Экзотикалық заттар. Аса ауыр элементтер. Экзотикалық ядролар. ХХІ ғасырдың басында бірқатар бізге мүмкін емес болып көрінетін экзотикалық заттар ашылып, қолданыс табады деген болжам бар.
Сұйық кристалдар австриялық ботаник Ф. Рейнцер және неміс физигі О. Леманмен 1889 ж. ашылған. Олар сұйықкристалл күйдегі заттар кәдімгі сұйықтар сияқты аққыштық қасиетке ие және сонымен қатар, олардың оптикалық қасиеттері қатты заттардікіне өте ұқсас екендігін анықтады. Қазір сұйық кристалдарға қызығушылық ақпаратты дайындап, көрсету системасында үлкен қолданыста болуымен негізделеді.
Аса қызықты сұйық кристалл болып қазір асааққыш 3Не саналады. Оны ашқаны үшін американ ғалымдары Д.М. Ли, Д.Д. Омероффу және Р.С. Ричардсон 1996 ж. Нобель сыйлығымен марапатталды. Аса аққыштық түсінігін, 4Не сұйығында бұл қасиетті байқап 1937 ж. П.Л. Капица физикаға енгізген.
Металды сутегі (қатты молекула сутегі) ол әлі ашылмады, тіпті шамамен
2 млн. атмосфера (және төменгі температураларда) қысымда да. Ол Тс~100200К болатын жоғары температуралы асқынөткізгіш болады деген үлкен болжамдар бар. Оны алуда ең басты қиындық пластиналық деформациясыз ~1,7 М бар жоғары статикалық қысымға шыдайтын (мұндай қысымда тіпті алмаз аға бастайды) материалдың жоқтығымен байланысты. Мәселенің шешімі соққы толқынды қолданумен табылуы мүмкін.
Металды сутегіден өзге экзотикалық заттар қатарына, алып фуллеренмолекулалардан тұратын фуллериттерді жатқызуға болады (мысалы, С60 кристалының көмірқышқыл молекуласы), С60 фуллерендер көмірқышқылдың спецификалық формасы болады және жоғары температураларда (Т~30К) асқынөткізгіштікке ие. Оларды зерттеу шапшаң дамып келеді.
Жалпы айтқанда, аса ауыр элементтерді алу мәселесі макрофизикаға емес, атом ядросының физика бөліміне жатады. Бірақ, В.Л. Гинзбургтың пікірінше, «ядро физика оның қазіргі түсініктемесі бойынша микрофизикаға қарағанда макрофизикаға қатысты». Ауыр ядролардағы нуклондар саны өте маңызды, сондықтан ядроны сұйық тамшысымен жақындастырады. Бірақ бастысы — классификация емес. Берілген мәселенің мәні әлі белгісіз экзотикалық ядроларды іздеп, зерттеу. Бұл облыстағы басты жетістіктер, 1951 ж. химия бойынша Нобель сыйлығының лауреаты, сегіз трануранды элементтерді ашқан, американдық физик және химик Глен Сиборг (1912-1999) есімімен байланысты.
Қазіргі күні Z=111-ге дейінгі атомдық номерлі элементтер синтезделген. Ең ауырлары, секунд қана «өмір сүреді». Демек, Z>108-110-нан бастап зат оны зерттеу мүмкін болмайтын жылдамдықпен бөлінеді. Сонымен қатар, Z>105-тен бастап ұзақ өмір сүретін изотоптардың пайда болуы аяқталады деп саналады. 1909 ж. басында массалық саны 289,30 с «өмір сүретін» 114-ші элемент синтезделді деген алдын-ала хабарлама жасалған.
Жоғарыда сипатталған заттардың өзгеше экзотикалық қасиеттері ғылымның негізін қатайтып, техниканың одан әрі дамуына ықпал етеді.
Беттер физикасы. Екіөлшемді электронды сұйық. Ұзақ уақыт жазықтықтағы процестер мен құбылыстар зерттелуде және соңғы онжылдықта бірнеше маңызды жетістіктерге қол жеткізілді. Беттегі және оның маңайындағы атомдардың, элементтердің, кристалды ақаулардың күйлері жаңа фазалардың олардың арасындағы қалыңдығы 10-7-10-8 см пленкада өтулердің пайда болуына әкеледі. Қазіргі уақытта физиктер беттің тазалығын және күйлерін алып және бақылауды үйренеді.
Физиканың беттер мәселесіне тағы бір тақырып-екі өлшемді электронды сұйықты зерттеу немесе жалпы айтқанда, төмен өлшемді системалар физикасы жақын келеді. Бұл жерде, электрондардың қозғалысы тік бағытта шектелген, өте жұқа қабат (қалыңдығы шамамен 10-6 см) жасау туралы айтылады. Мұндай системалар төменгі (шектелген) өлшемге ие және екіөлшемді система деп аталады. Ұзын жіңішке жіп сынды бірөлшемді системалар болуы да мүмкін; оларды зерттеу аса үлкен жетістіктер болмасада, өте қарқынды дамып келеді.
Холлдың толық санды кванттық эффектісі 1980 ж. Клаус фон Клитценгпен Греноблде күшті магнит өрістерінің зертханасында транзисторларды кремнийлы өрістерге өзгерістер еңгізу кезінде пайда болған. Күшті магнит өрісінде және төменгі температурада Холл R кедергісіне байланысты магнит өрісінен оның «баспалдақтар» байқалады, яғни R тек фундаментальды тұрақтылармен анықталатын кванттық мәнге ие болады. Бұл ашылу үшін Клаусфон Клитценгке 1985 ж. Нобель сыйлығы берілді. 1982 ж. екіөлшемді электронды «газда» жаңа эффект ашылды. Американдық ғалымдар Д. Цуи, Х. Штерман және А. Госсард «Белл» фирмасының зертханасында жүргізген зерттеулер барысында таңғаларлық нәтижелер алынған. Олар Холл кедергісінің түбір мәні де болатындығын көрсетті; бұл кезде түбірдің белгілері әрқашан тақ. Бұл эффект Холлдың түбірлі кванттық эффектісі деген атауға ие болды. Бұл құбылысты сипаттайтын теория Р. Лафлиннің, күшті магнит өрісіндегі жұқа екі өлшемді пленкада, магнит ағынының үш квантынан және электроннан тұратын, спецификалық квазисбөлшектер пайда болады деген ойына сүйенеді. Магнит өрісі квантталатындығы бәрімізге жақсы мәлім. Бірақ мұнда қызық құбылыс байқалады — электрон алмаса отырып, магнит өрісінің кванттарымен қызық симбиоз түзеді. Бұған қоса, бұл квазисбөлшектер лафлинді сұйық түзе отырып, конденсацияланады. Бұл күтпеген екіөлшемді системаның өзгешелігі түбірлі Холл эффектісін түсіндіреді. Р. Лафлин, Х. Штерман және Д. Цуи – 1998 ж. Нобель сыйлығының лауреаттары.
Қатты денелер физикасының кейбір сұрақтары 2000 ж. академик Ж.Ш. Альфереовқа Нобель сыйлығын беруге жартылайөткізгіштерге деген қоғамдық қызығушылықты қайта көтеруі себеп болды. Дегенмен, бұл қызығушылықғылыми жұмысшылармен инженерлердің арасында сөнген емес. Қазіргі заманғы өркениетті жартылайөткізгіш элементтерге негізделген радиоэлектронды құрылғыларсыз елестету мүмкін емес. Сондықтан, микро және наноэлектроника сұрақтарын физиканың мәселелерінің арасына енгізуі ақталды, ол оларды мектептер мен жоғары оқу орындарында оқыту міндетті болып саналады.
Гетероструктуралар химиялық құрамы бойынша әртүрлі жартылайөткізгіштердің контактілері ретінде негізделген, жартылайөткізгішті өткізулер. Гетероструктураларды дайындау кезіндегі қиындықтарды 1957 ж., Ж.И. Альферов әріптестерімен бірге Ga As-GaAlAs системасын ұсынғанда жеңуге мүмкіндік туды. Онда асқынинжекция, оптикалық жинақталу және т.б. эффектілерінің болуының арқасында жартылайөткізгішті лазерлер, фотоэлектрлі өзгерткіштер және т.б. радиоэлектронды құралдар жасалады. Олар ғарыш станцияларынан бастап, аудиоаппаратураларға дейін кең қолданыс тапты.
Бұл бағыттың арғы дамуы — зоналық инженерия физикада «кванттық нүктелермен гетероструктуралар» деп аталады. Жұқа пленкада (матрицада) өзге жартылайөткізгіштермен толтырылған, нанометрлік масштабты «нүктелер» түзіледі. Мұндай «нүкте» өзін «бір электронды атом» сияқты ұстайды. Бойында белгілі тәртіппен орналасқан «нүктелері» бар система бар болса, технологиялық технологиядан кең қолданыста болатын радиотехникалы құралдарды жасауда пайдаланылатын гетероструктуралар алуға болады.
Қазіргі уақытта физиканың бұл бағытында жоғары қызығушылық байқалады. Бұл техникалық прогреске себепші болатын, бірнеше шапшаң дамушы облыстарының бірі болып табылады.