10 открытий русских физиков, которые перевернули мир: Оптоволокно, лазерная хирургия и МРТ
Физика это не то, что заканчивается после школьного выпускного — это мир вокруг нас. Фото: Aree_S/Shutterstock/Fotodom
Всероссийский день физика по традиции отмечают 17 сентября, в день рождения Константина Циолковского. Физика это не то, что заканчивается после школьного выпускного — это мир вокруг нас. Именно благодаря физике вы читаете эту статью со смартфона, смотрите 4K через оптоволокно, делаете селфи без вспышки, а хирурги удаляют опухоль без скальпеля. За последние полтора века российские и советские физики сделали открытия, без которых современная цивилизация не могла бы существовать в том виде, к которому мы привыкли. Накануне Дня физики мы попросили доктора физико-математических наук Алексея Кавокина, директора Международного центра теоретической физики имени А.А.Абрикосова МФТИ составить ТОП-10 открытий российских ученых.
Доктор физико-математических наук Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики имени А.А.Абрикосова МФТИ
Фото: wikimedia.org.
1. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ ФРИДМАНА (1922)
Александр Фридман взял уравнения общей теории относительности Эйнштейна и решил их для всей Вселенной. И получил шокирующий результат: любое статичное состояние нестабильно — мир обязан либо расширяться, либо сжиматься. Эйнштейн, увидев расчеты, сначала отмахнулся — не может быть. Он даже написал заметку в журнал, где обвинил Фридмана в математической ошибке. Но вскоре публично признал: советский физик был прав.
Именно с работы Фридмана началась современная космология. Его формулы легли в основу теории Большого взрыва. Сегодня все, что мы знаем о Вселенной — ее возраст (13,8 миллиардов лет), расширение, реликтовое излучение, темную энергию — опирается на уравнения Фридмана. Фридман доказал: у Вселенной есть начало и, возможно, будет конец. Мы живем в нестабильном, дышащем, движущемся мире. И осознали это благодаря скромному советскому ученому, который умер в 37 лет от тифа, так и не дождавшись экспериментального подтверждения своей теории.
2. УРАВНЕНИЕ ФОКА (1926) — РУССКИЙ ФИЗИК ПЕРЕПИСАЛ КВАНТОВУЮ МЕХАНИКУ
Ленинградец Владимир Фок - один из отцов-основателей квантовой механики. Именно он обобщил знаменитое уравнение Шрёдингера для частиц, движущихся с околосветовыми скоростями. Вместе с Полем Дираком он показал, что квантовый мир подчиняется теории относительности. Сегодня уравнение Клейна–Гордона–Фока — одна из фундаментальных опор квантовой физики.
Благодаря теоретическим работам Фока появилась современная квантовая электродинамика и пришло понимание, как удерживаются вместе атомные ядра. Фок стоял в одном ряду с Дираком и Гейзенбергом, но его имя в массовой культуре незаслуженно забыто. Кстати, в Петергофе, в здании Научно-исследовательского института физики СПбГУ, находится музей Фока, в котором выставлен его письменный стол, рукописи и даже охотничье ружье.
3. КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА (МАНДЕЛЬШТАМ–ЛАНДСБЕРГ, 1928) — КАК МЫ НАУЧИЛИСЬ «ВИДЕТЬ» МОЛЕКУЛЫ
Леонид Мандельштам и Григорий Ландсберг открыли, что при прохождении света через вещество часть фотонов меняет частоту, «обмениваясь» энергией с колебаниями атомов в молекулах. Это позволяет по спектру рассеянного света определять химический состав вещества, не касаясь его.
Сегодня комбинационное рассеяние (его часто называют рамановским, поскольку индийский физик Раман сделал это открытие практически одновременно с советскими учеными) — основа криминалистики, фармацевтики и медицинской диагностики. С его помощью ищут наркотики в багаже, распознают раковые клетки, определяют состав марсианского грунта прямо с борта марсохода и контролируют качество полупроводников на установках нанолитографии.
4. ЭКСИТОНЫ ФРЕНКЕЛЯ И ВАНЬЕ-МОТТА (1931) — ИСКУССТВЕННЫЕ АТОМЫ ВОДОРОДА
Советский физик-теоретик Яков Френкель занимался физикой кристаллов - пространственно упорядоченных решеток атомов. В 1931 году он показал, что возбужденное состояние одного из атомов может передаваться его соседям и свободно распространяться по всему кристаллу. Френкель назвал такое кристаллическое возбуждение - “экситон”. Это квазичастица, по своей структуре очень похожая на атом водорода (в отличие от элементарных частиц, квазичастицы не могут покидать пределы кристалла).
До 1951 года теоретические концепции ждали своего подтверждения. Наконец, в ленинградском Физико-техническом институте было совершено долгожданное открытие. Евгений Гросс, изучая спектры поглощения кристаллов закиси меди, охлажденных до температуры жидкого гелия, обнаружил характерную водородоподобную серию из восьми четких линий. Сомнений быть не могло - вот он, искусственный атом водорода - экситон! Впоследствии, экситоны были найдены в большинстве полупроводниковых кристаллов. Их способность поглощать и излучать свет дала толчок развитию поляритоники или физики жидкого света. В наши дни исследуется возможность создания сверхбыстрых вычислительных устройств - квантовых компьютеров - на основе квантованных капель жидкого света. Поляритоника - одна из наиболее быстро развивающихся областей физики ХХI века.
5. ЭФФЕКТ ВАВИЛОВА–ЧЕРЕНКОВА (1934) — УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ
Павел Черенков облучал жидкости гамма-лучами и заметил странное голубоватое свечение. Позже физики-теоретики Илья Франк и Игорь Тамм объяснили этот феномен: заряженные частицы движутся в среде быстрее фазовой скорости света в этой самой среде. В вакууме это было бы невозможно — там скорость света является абсолютным пределом. А вот в воде или стекле свет замедляется почти в полтора раза, и высокоэнергетические частицы могут его обогнать. Получается оптический аналог звукового барьера: подобно тому как сверхзвуковой самолет обгоняет собственные звуковые волны в воздухе и создает акустический удар, летящая частица обгоняет свет и порождает световой конус.
Сегодня черенковские детекторы стоят на всех ключевых ускорителях частиц, в подземных нейтринных обсерваториях и на космических спутниках. Именно они улавливают призрачные космические частицы и помогают ученым изучать рождение Вселенной. В мирной атомной энергетике этот эффект выполняет важную индикаторную роль: красивое голубое свечение под водой на АЭС позволяет визуально контролировать активность отработанного ядерного топлива и безопасность его хранения.
Сергей Вавилов, который руководил этими новаторскими работами, скончался за семь лет до присуждения Нобелевской премии 1958 года. Но его ученики и коллеги с честью продолжили дело. Сегодня без черенковских детекторов невозможно представить физику высоких энергий — это высокоточные «глаза» науки, способные регистрировать то, что не под силу ни одному классическому микроскопу.
6. СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ ЛАНДАУ (1941) — КВАНТОВАЯ МАГИЯ ПРОТИВ СИЛЫ ТРЕНИЯ
Гений теоретической физики Лев Ландау объяснил природу сверхтекучести, удивительного явления, обнаруженного Петром Капицей. При температуре около −271 °C жидкий гелий начинает течь абсолютно без трения. Если налить такой гелий в стакан, он поползет по стенкам вверх, перельется через край и вытечет наружу. А если налить такую жидкость в фаянсовую кружку, то она вытечет наружу через микроскопические капилляры в дне и стенках кружки.
Теория Ландау породила целую науку — физику квантовых жидкостей. Сегодня на ее основе разрабатывают квантовые гироскопы, позволяющие космическим аппаратам не сбиваться с курса. Но главное - благодаря работам Ландау человечество поняло, что законы квантовой физики управляют микро- и макромиром. К квантовым жидкостям относится и поляритонная свето-жидкость, изучению которой я посвятил значительную часть своей научной жизни.
7. ТОКАМАК ТАММА И САХАРОВА (1950) — ЭНЕРГИЯ БУДУЩЕГО
В 1950 году советские физики Игорь Тамм и Андрей Сахаров предложили оригинальную концепцию удержания сверхгорячей электронной плазмы с помощью мощного магнитного поля и электрического тока. Так родился Токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). Эта схема гораздо эффективнее обеспечивала разгон электронов и нагрев плазмы, чем американские аппараты того времени - стеллараторы.
В 1968 году на советской установке Т-3 в присутствии британского физика Пикока была получена электронная плазма температурой 1 кэВ. Этот эксперимент заставил весь мир признать правоту наших ученых и переключиться на советскую модель.
Сегодня токамак — главный кандидат на создание управляемого термоядерного синтеза. Крупнейший международный проект ITER (ИТЭР) строится именно по этой схеме. Термин “токамак”, придуманный советскими учеными, вошел в английский язык и другие языки современной науки, наряду со “спутником”, “экситоном” и другими нашими словечками.
8. ЛАЗЕР БАСОВА И ПРОХОРОВА (1954) — ОПТОВОЛОКНО В ВАШЕЙ КВАРТИРЕ
В 1954 году советские физики Николай Басов и Александр Прохоров создали мазер — предшественник лазера, а уже в 1955 году предложили принципиально новую трехэнергетическую схему создания квантового излучения. Схема оказалась настолько надежной и технологичной, что легла в основу большинства лазеров планеты.
Каждый раз, когда вы смотрите кино онлайн или говорите по видеосвязи, сигнал идет по магистральным оптоволоконным кабелям. Без открытия наших ученых вместо терабайтов данных эти кабели несли бы хаотичный световой шум. Из их фундаментальных работ выросла вся современная лазерная индустрия: от лазерных принтеров и медицинских скальпелей до лазерной коррекции зрения. (Wi-Fi и мобильная связь работают на радиоволнах, а вот транзитный интернет на огромные расстояния — целиком на лазерных технологиях).
За этот прорыв Басов и Прохоров получили Нобелевскую премию 1964 года. Без их квантового излучателя интернет в том виде, в котором мы его знаем, просто не существовал бы.
9. СВЕРХПРОВОДНИКИ ВТОРОГО РОДА АБРИКОСОВА (1957) — МРТ И ПОЕЗДА НА МАГНИТНОЙ ПОДУШКЕ
Алексей Абрикосов создал теорию, объясняющую загадку сверхпроводников второго рода. В отличие от сверхпроводников первого рода, открытых в 1911 году датским физиком Хуйке Камерлинг-Оннесом, они пропускают магнитное поле внутрь себя в виде квантованных вихрей. Такие вихри теперь называют вихрями Абрикосова. Они помогают сверхпроводникам второго рода выдерживать колоссальные магнитные нагрузки без потери сверхпроводимости.
Именно такие сверхпроводники сегодня используют в магнитно-резонансных томографах (МРТ), помогая обследовать миллионы пациентов по всему миру. Они служат основой для мощнейших магнитов в ускорителях элементарных частиц в ЦЕРНе и у нас в Дубне. Благодаря сверхпроводникам поезда на магнитной подушке способны лететь над рельсами без трения со скоростью более 600 км/ч.
Квантовые вихри, подобные вихрям Абрикосова, находят и в сверхтекучем гелии, и в атомных конденсатах, и в поляритонной свето-жидкости. Это одно из тех универсальных явлений физики, которое определяет свойства материи. Я горжусь тем, что руковожу центром теоретической физики имени Алексея Алексеевича Абрикосова в МФТИ.
10. КВАНТОВЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ АЛФЁРОВА (1970-е) — СОТОВАЯ СВЯЗЬ И СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ
Жорес Алфёров научился создавать лазеры на основе полупроводниковых гетероструктур, то есть «сэндвичей» из слоев разных полупроводниковых кристаллов. Толщина среднего слоя в каждом сэндвиче может быть меньше дебройлевской длины волны электрона - часто это слои толщиной всего в несколько атомов, так называемые квантовые ямы. Длина волны света, излучаемого лазером Алфёрова определяется шириной квантовой ямы. Это позволяет создавать источники лазерного света, излучающие именно на той длине волны, которая нужна для того или иного приложения.
Благодаря этому открытию у нас есть высокоскоростной мобильный интернет и современная сотовая связь. Лазеры, созданные по принципу Алфёрова, работают в каждом оптоволоконном кабеле планеты, а гетероструктурные элементы — в каждом спутниковом приемнике. Солнечные батареи на гетероструктурах обладают рекордным КПД — свыше 40%. Именно они питают космические станции. Это изобретение кормит всю современную оптоэлектронику. А развитие идей Алфёрова привело к появлению квантовых дисплеев (QLED) в телевизорах, сделавших картинку невероятно яркой и чистой.
Алфёров воспитал целое поколение ученых мирового уровня - выходцев из Физико-Технического института имени Иоффе и Академического университета, который сейчас носит имя Алфёрова.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ