Введение[править | править код]
Появление квантовой механики привело к огромной революции не только в физике, но и в смежных дисциплинах — в химии это объяснило структуру молекул и позволило предсказывать свойства новых соединений (см. квантовая химия). Квантовая теория помогла развитию и техники полупроводников, без которой совершенно немыслима современная электроника, а также способствовала созданию квантовых генераторов излучения — лазеров, прочно вошедших в повседневную жизнь человека.
Важнейшее последствие открытий в квантовой физике, теории относительности и ядерной физике — овладение ядерной энергией. Это наиболее известное широкой публике достижение физики.
Большой взрыв и расширение Вселенной
Наиболее впечатляющим достижением физики середины XX века, которое должно иметь огромные последствия для мировоззрения и философии — открытие расширения Вселенной, а впоследствии открытия существования «начала Вселенной» — Большого взрыва.
Сейчас крупные фундаментальные открытия происходят и ожидаются в астрофизике и в космологии. В космологии обнаружили существование тёмной материи и тёмной энергии — невидимой современными инструментами материи и энергии, которая, однако, участвует в гравитационном взаимодействии. Тёмная материя и энергия составляет подавляющую долю в массе вещества Вселенной и определяет её эволюцию и дальнейшую судьбу. Недавно открытое впечатляющее проявление тёмной энергии — ускорение расширения Вселенной. Важнейшее открытие астрофизики — обнаружение планетных систем у далёких звёзд (см. Экзопланеты). Это поможет ответить на важнейший вопрос — одиноко ли человечество во Вселенной, а также позволит выяснить, ограничено ли время жизни цивилизации, см. Уравнение Дрейка.
«Стандартная Модель» в физике элементарных частиц даёт нам законы поведения микромира практически при всех доступных человечеству энергиях. Однако она является не «окончательной теорией», а лишь низкоэнергетическим проявлением неких более глубоких, пока не известных нам законов. Поэтому поиск не предсказываемых Стандартной Моделью эффектов, которые были бы окном в мир «новой физики», является важным направлением современной физики элементарных частиц. Такие эффекты ищутся как на ускорителях, так и в неускорительных экспериментах.
В настоящее время физики интересуются не только «фундаментальными» эффектами (в частности, происходящими при высоких энергиях), но и «сложными», т. е. эффектами, которые описываются давно известными фундаментальными законами, но происходят в очень сложных для понимания (неравновесных и нелинейных) системах многих частиц. Построенная современной физикой картина окружающего мира не только позволяет предсказывать его изменения, но и подчеркивает принципиальную ограниченность таких предсказаний. Так, развитие теории устойчивости и нелинейной динамики привело к открытию спонтанного возникновения хаоса в детерминированных системах.
Квантовые чувства, квантовое сознание
Квантовая механика указывает нам в направлении невидимых богатств. Возможно, самый интересный квантовый эффект — это запутанность. Но запутанность весьма деликатный процесс, который сложно наблюдать, поэтому наше исследование этой центральной функции квантового пространства только начинается. Будут открыты новые источники для наблюдений, новые состояния материи. Измерение запутанности, использование запутанности — все это станет крупными ветвями физики.
Квантовые вычисления требуют тщательного управления запутанностью, а диагностика квантовых вычислений будет полагаться на методы измерения запутанности. Квантовые компьютеры, поддерживающие тысячи кубитов, станут реальными и полезными.
Искусственный интеллект предложит новые и странные возможности для жизни и разума. Личность, способная точно записывать свое состояние, может целенаправленно ввести циклы, чтобы пережить приятные эпизоды жизни снова, к примеру. Квантовый разум позволит переживать суперпозицию «взаимно противоречивых» состояний либо исследовать различные сценарии параллельно. Основываясь на обратимых вычислениях, такой разум сможет мысленно возвращаться в прошлое и перемножать прошлое и настоящее.
Кто знает, возможно, квантовое сознание поможет нам понять квантовую механику.
По материалам achieversdaily.com
Разработка новых материалов с наноструктурами
Исследования в этой области открывают значительный потенциал для создания материалов с уникальными свойствами, которые могут быть использованы в различных сферах науки и технологий. Наноструктурированные материалы могут быть более прочными, легче и устойчивыми к повреждениям.
Одним из успешных примеров разработки новых материалов с наноструктурами являются графеновые материалы. Графен – это двумерный углеродный материал, состоящий из атомов, соединенных в шестиугольные кристаллические решетки. Благодаря своей уникальной структуре графен обладает высокой прочностью, низкой плотностью и отличной электрической проводимостью. Это открывает широкие возможности для применения графена в различных областях, таких как электроника, энергетика, медицина и другие.
Другим интересным направлением в разработке материалов с наноструктурами является создание метаматериалов. Метаматериалы – это искусственные материалы, созданные на основе микро- и наноструктур с определенными электромагнитными свойствами, недоступными для естественных материалов. Метаматериалы могут иметь непривычные оптические, механические и электромагнитные свойства, что открывает новые возможности для создания устройств с улучшенными функциональными характеристиками.
Результаты исследований в области разработки новых материалов с наноструктурами открывают большие перспективы для применения этих материалов в широком спектре областей, включая электронику, энергетику, медицину, строительство и многие другие. С каждым годом открытие новых материалов с необычными свойствами помогает совершенствовать существующие технологии и создавать новые инновационные продукты.
Торн и Вебер
Раз гравитационные волны реальны и переносят энергию — значит их можно попытаться зарегистрировать. Впрочем, первые же оценки Эйнштейна показали, что гравитационное излучение от лабораторных генераторов или от известных тогда астрофизических объектов настолько слабое, что зарегистрировать его попросту нереально, ни сейчас, ни в ближайшем будущем. Однако космические катастрофы, такие как взрывы сверхновых, слияние нейтронных звезд или даже черных дыр, произошедшие в нашей галактике или ее ближайших окрестностях, вполне способны породить куда более сильные гравитационные волны.
Тут надо оговориться, что предсказание того, как и с какой частотой будут происходить космические катаклизмы, способные порождать мощные гравитационные волны, — это удел астрофизиков-теоретиков. Даже в конце XX века оставались неопределенности на пару порядков, что же говорить про 60–70-е годы. Тогда это была настолько новая область, что каждое предложение казалось радикальным шагом и вызывало горячие споры. В своем недавнем интервью Кип Торн — один из лауреатов Нобеля-2017, крупнейший физик-теоретик, работавший во всех аспектах теории гравитации с 60-х годов, — рассказывает, например, о своей встрече в 1971 году с Яковом Зельдовичем, на которой тот убеждал Торна, что пара вращающихся черных дыр излучает мощные гравитационные волны. Этот образ чисто гравитационной катастрофы, которая, оставаясь невидимой, способна прогрохотать на всю вселенную, так захватил Торна, что он тут же занялся их обсчетом. В ходе этих исследований Торна и других теоретиков сложилась примерная картина того, что же должны будут ловить будущие детекторы.
Конечно, гравитационные волны, излучившиеся в таком катастрофическом событии, достигнут Земли сильно ослабленными (см. простейшие оценки в статье). Их амплитуда — относительная деформация плоского пространства-времени — составит от силы 10–16 даже для события в нашей галактике. Деформации тел, вызванные прохождением гравитационной волны, будут такого же порядка. Но хотя это мизерная величина, пытаться зарегистрировать такие относительные искажения — задача не столь безнадежная, как может показаться на первый взгляд.
Старт всей экспериментальной программе по поиску гравитационных волн дал Джозеф Вебер. С упоением изучая ОТО и воодушевленный консенсусом по поводу реальности гравитационных волн, он в своей статье 1960 года предложил первый детектор гравитационных волн — резонансный. Детектор представлял собой цельный металлический цилиндр с прикрепленными на него датчиками, который — наподобие ксилофона — должен зазвенеть на своей резонансной частоте, когда короткий всплеск гравитационных волн «ударит» по нему своей волной деформации. К 1966 году Вебер построил несколько таких детекторов по одинаковой технологии, которые работали на большом удалении друг от друга. Стартовали сеансы наблюдений, и в 1969 году Вебер сделал сенсационное заявление о нескольких случаях одновременного срабатывания детекторов, что, по его мнению, однозначно указывало на регистрацию гравитационных волн, пришедших, предположительно, из центра нашей галактики.
Сразу несколько групп экспериментаторов по всему миру, включая группу Владимира Брагинского в МГУ, бросились проверять это заявление — и, несмотря на всё улучшающуюся технологию, ничего подобного не нашли. Заявление Вебера также входило в противоречие с теоретическими ожиданиями, включая оценки того же Торна. К середине 70-х годов вышли десятки статей, сообщавших не только об отрицательных результатах поисков, но и обсуждающие возможные ошибки в работе Вебера. Научное сообщество, в целом, признало, что Вебер видел какие-то шумы или артефакты, и… с удвоенными усилиями приступило к дальнейшему совершенствованию технологий.
И вот в этом и состоит главная научная заслуга работ Вебера. Сейчас, из 2017 года, мы можем констатировать, что резонансный метод регистрации гравитационных волн оказался тупиковым: несмотря на все технические ухищрения и полувековую историю разработок, его чувствительность на порядки хуже, чем у LIGO. Однако та бурная деятельность, которую развил Вебер, включая его громкие заявления об открытии, сыграла в развитии этой области важнейшую роль: она зацепила, взбудоражила экспериментаторов. Вебер сам, словно гравитационная волна небывалой мощности, заставил «звенеть» научное сообщество — и за считаные годы гравитационные волны превратились из полуабстрактного математического вопроса в предмет активного экспериментального изучения.
Слайд 4 История физики, ее предмет и задачи
Всякое научное исследование проходит три этапа. Первый этап — фактологический — заключается
в сборе, проверке и систематизации фактов; второй — аналитический — представляет собой изучение взаимосвязи между фактами и выяснение причин, влияющих на них; третий — синтетический — состоит в обобщении результатов и выявлении основных законов данной науки. История физики изучает процесс развития физических знаний в связи с историей человечества; являясь разделом самой физики, она в то же время тесно соприкасается с общественными науками. Исследования по истории физики находятся пока преимущественно на первом этапе своего развития, т.е. ограничиваются фактологической стороной. Имеются лишь отдельные попытки анализа причин, влиявших на исторические факты, но и эти попытки немногочисленны.
Нобелевская премия по физике за 2017 г. за открытие гравитационных волн
Ее получили американские физики Райнер Вайсс (Rainer Weiss), Кип Торн (Kip Thorne) и Барри Бэриш (Barry Barish), под руководством которых в США был реализован проект LIGO.
Нобелевские лауреаты 2017 года: Райнер Вайс, Кип Торн и Барри Бэриш («Физика»)
Его главными элементами являются две обсерватории в штатах Вашингтон и Луизиана, удаленные друг от друга на 3002 км. Поскольку скорость распространения гравитационных волн равна скорости света, данное расстояние «гравитация» преодолевает ровно за 10 миллисекунд, что облегчает расчеты. Обсерватории представляют собой интерферометры Майкельсона, совмещенные с двумя мощными лазерами. Их использование позволяет установить направление на источник гравитационных флуктуаций и определить их силу.
Схема гигантского интерферометра проекта LIGO, с помощью которого нобелевским лауреатам 2017 г. удалось зарегистрировать гравитационные волны
Еще 14 сентября 2015 г. до Земли дошла гравитационная волна от столкновения двух массивных черных дыр, которые находились на расстоянии 1,3 млрд. световых лет от Солнечной системы. Ее то и удалось зарегистрировать с помощью обсерваторий LIGO, подтвердив тем самым экспериментально само наличие гравитационных волн. Необходимо отметить, что их существование предсказал еще Альберт Эйнштейн в далеком 1915 г. в рамках Общей Теории Относительности.
Открытие гравиволн — действительно фундаментально, поскольку способно стать отправной точкой для развития систем связи на основе гравитационного взаимодействия, а в далеком будущем – и создания транспортных средств для путешествий (в т.ч. межзвездных) через «изнанку пространства», которые многократно описаны фантастами.
Становление отдельной науки
Развитие физики как науки началось с работ Галилео Галилея. Ученый понял, что для понимания законов движения требуется научиться описывать этот процесс с точки зрения математики. При этом просто наблюдать за движущимися телами недостаточно. Чтобы определить изменение их характеристик, требуется проводить опыты и эксперименты.
Галилею удалось показать, что влияние других тел определяет не скорость, как считал Аристотель, а ускорение объекта. Это стало первой формулировкой закона инерции. Также Галилею удалось открыть принцип относительности в механике. Он смог доказать, что ускорение свободного падения тел не зависит от их массы и плотности. К тому же ученый сумел при помощи механики обосновать теорию Коперника.
Весомые результаты были получены Галилеем и в других сферах физики. Так, он первым использовал подзорную трубу для проведения астрономических наблюдений. Это позволило ученому сделать ряд важнейших открытий. После создания Галилеем первого термометра удалось проводить количественные исследования тепловых явлений.
В первой половине семнадцатого века исследователи начали весьма успешно изучать газы. Ученик Галилея Торричелли открыл атмосферное давление и сконструировал первый барометр. При этом Бойль и Мариотт занимались исследованиями упругости газов и придумали первый газовый закон, который был назван в их честь.
В тот же период Декарт и Снеллиус независимо друг друга смогли сформулировать важную теорию в области физики – закон преломления света. К тому же моменту относится изобретение микроскопа. Важный вклад в понимание электромагнитных явлений в области физики сделал Гильберт. В начале семнадцатого века этот ученый доказал, что Земля представляет собой крупнейший магнит. К тому же ему первому удалось разграничить электрические и магнитные явления.
Механика Ньютона достигла больших успехов при объяснении движения небесных тел. На основе наблюдений Кеплера и Браге ученый смог сформулировать закон всемирного тяготения. При помощи этой теории удалось точно рассчитать движение Луны, комет и планет Солнечной системы. Также открытие Ньютона легло в основу объяснения приливов и отливов в океане.
В тот же период Гюйгенс и Лейбниц создали важную теорию в сфере физики – закон сохранения количества движения. Кроме того, Гюйгенс сформулировал теорию физического маятника и сконструировал часы с этим элементом, а Гук – открыл закон упругости. Еще одним важным достижением Ньютона стал теоретический вывод формулы для описания скорости звука.
Вторая половина семнадцатого века ознаменовалась стремительным развитием геометрической оптики. Эту часть физики использовали для создания телескопов и других оптических приборов. Гримальди открыл дифракцию цвета, а Ньютон провел фундаментальные исследования дисперсии. Они легли в основу оптической спектроскопии. В 1675 году Ремер сумел впервые определить скорость света.
Известные ученые-физики XVIII века
Восемнадцатый век ознаменовался продолжением развития классической механики – прежде всего, небесной. Незначительная аномалия в перемещении Урана дала ученым возможность предсказать наличие новой планеты – Нептуна. Механика Ньютона получила широкое распространение. На ее основе сформулировали единую механическую картину мира. Согласно этой теории, все качественное многообразие мира представляет собой следствие отличий в движении атомов, из которых состоят тела.
В трудах Эйлера описывалась динамика абсолютно твердого тела. Одновременно развивалась механика газов, жидкостей и деформируемых тел. В первой половине восемнадцатого века появились работы Бернулли, Эйлера, Лагранжа, в который закладывалась база гидродинамики идеальной жидкости.
Тогда же Франклин сформулировал закон сохранения электрического заряда. При этом Кавендиш и Кулон независимо друг от друга смогли открыть закон электростатики. В соответствии с ним удалось определять силу взаимодействия неподвижных электрических зарядов.
В оптике продолжали совершенствовать структуру объектива телескопа. Труды Бугера и Ламберта легли в основу создания новой науки – фотометрии. Также исследователям того времени удалось открыть инфракрасные и ультрафиолетовые лучи.
Важные изменения в области физики произошли и в сфере исследований тепловых явлений. Ученые стали различать температуру и количество теплоты. Это случилось после того, как Блэк открыл скрытую теплоту плавления и привел экспериментальные доказательства сохранения теплоты в калориметрических опытах.
Влияние физики на технический прогресс
Быстрый прогресс в изучении природы, открытие новых явлений и законов природы способствовали развитию общества. Начиная с конца XVIII в., развитие физики вызывает бурное развитие техники. В это время появляются и совершенствуются паровые машины. В связи с широким их использованием в производстве и на транспорте этот период времени называют «эпохой пара». Одновременно углубленно изучаются тепловые процессы, в физике выделяется новый раздел — термодинамика. Множество новых открытий происходит и в области электричества и магнетизма, что способствует разработке так называемой классической электродинамики, которая объясняла свойства электромагнитных полей, электромагнитную природу света. В конце XIX и в начале XX в. появляются и совершенствуются электрические машины. Благодаря широкому использованию электрической энергии это время называют «эпохой электричества». В физике выделяются новые разделы — электродинамика, электротехника, радиотехника и др.
В начале XX в. физики получили многочисленные экспериментальные результаты, которые нельзя было согласовать с положениями классической механики и электродинамики. В физике начинается новый этап развития — создание квантовой и релятивистской теорий. Люди научились добывать и широко применять ядерную энергию, осваивать космическое пространство, конструировать новые автоматизированные устройства и механизмы. XX в. называют «атомным веком», «космической эрой». В физике интенсивно проводятся исследования атомного ядра, плазмы, управляемых термоядерных реакций, полупроводников и тому подобное. Интенсивно развивается астрономия благодаря применению физических исследований.
Начало XXI в. сопровождается огромным прорывом в области информационных технологий, спутниковой связи, нанотехнологий. Но основой любой области техники и технологий есть законы физики. Астрономия тесно связана с другими фундаментальными и естественными науками.
В астрономических исследованиях применяют все фундаментальные законы физики, широко используют методы физики, математики, химии и других смежных наук. Особенностью астрономии по сравнению с другими естественными науками является то, что она — преимущественно наблюдательный наука. Ее еще можно назвать и потребителем физических достижений и компьютерных технологий. В то же время астрономия — прогрессивная наука, которая обогащает физику и химию результатам исследований вещества при таких физических условиях (температура, давление, магнитное поле и т.п.), которые невозможно воспроизвести в земных лабораториях.
Разработка нового поколения суперкомпьютеров
Новейшие достижения в области физики приводят к необходимости разработки нового поколения суперкомпьютеров. Эти компьютеры представляют собой мощные и высокопроизводительные системы для решения сложных научных задач.
Одним из самых важных открытий в этой области является разработка квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры используют особенности квантовой механики для обработки информации. Они способны решать задачи, которые недоступны для классических компьютеров.
Еще одной важной тенденцией в разработке суперкомпьютеров является создание компьютеров с параллельной архитектурой. Это позволяет увеличить производительность системы путем одновременного выполнения нескольких вычислительных задач
Также исследователи работают над разработкой компьютеров на основе новых материалов, таких как графен. Графен – это одноатомный слой углерода с уникальными свойствами, которые могут быть использованы для создания электронных компонентов с высокой производительностью.
Другим перспективным направлением является разработка квантовых сверхпроводников для создания суперкомпьютеров. В этом случае сверхпроводники будут использоваться для обработки информации на квантовом уровне и обеспечивать высокую скорость выполнения вычислений.
Разработка нового поколения суперкомпьютеров имеет огромное значение для многих областей, включая физику, химию, биологию и инженерные науки. Эти компьютеры позволяют проводить сложные вычисления и моделирование, что способствует развитию науки и новых технологий.
Предсказание климата
Несмотря на то что погода на нашей планете изменчива и хаотична, ее можно предсказывать — и вполне надежно. Сюкуро Манабе считается пионером компьютерного моделирования климатических изменений. Он начал изучать феномен глобального потепления задолго до того, как это стало мейнстримом, — еще в 1960-х годах. Манабе одним из первых продемонстрировал, как повышенный уровень углекислого газа в атмосфере приводит к повышению температуры на поверхности Земли. Также он был первым ученым, исследовавшим взаимодействие между радиационным балансом и вертикальным переносом воздушных масс. Его работы лежат в основе современных климатических моделей.
О том, что может произойти с нашей планетой из-за потепления климата, мы рассказывали в материале «Пять теорий скорого апокалипсиса», основанном на исследованиях ученых и компьютерном моделировании. Даже краткий перечень может вогнать в уныние: глобальное потепление грозит затоплением прибрежных городов и целых стран из-за поднимающегося уровня океана, вымиранием 40% насекомых и многих видов животных, для которых они служат пищей, опустыниванием больших территорий, экстремальными природными явлениями, переселением животных и насекомых с юга и приходом сопутствующих смертельных болезней (таких как малярия, лихорадка денге, вирус Западного Нила и пр.) и другими опасными последствиями. Также климатологи видят большую угрозу на дне Мирового океана. Если вода потеплеет на несколько градусов, гигантские запасы природного газа поднимутся к поверхности, спровоцировав резкое прогревание атмосферы Земли. В истории планеты такое случалось несколько раз и приводило к окончанию ледниковых эпох или наступлению термических максимумов с катастрофическими последствиями для биосферы.
Свежий нобелевский лауреат Клаус Хассельман доказал, что повышение температуры в атмосфере вызвано антропоморфным фактором, а именно — выбросами углекислого газа человеком. Разработанные им методы предсказаний позволили объединить погоду и климат с учетом случайных процессов, таких как деятельность человека и стихийные природные явления. Ученый не раз подчеркивал необходимость широты знаний в физике и говорил о том, что выход за пределы своей специализации сулит новые открытия. Это подтверждает и биография лауреата. В своих исследованиях Хассельман начал с изучения океанических волн, прошел через физику элементарных частиц и квантовую теорию поля и лишь затем пришел в область моделирования климата.
Первые подтверждения существования параллельных вселенных
Параллельные вселенные долгое время были объектом спекуляций и гипотез в научных кругах. Идея заключается в том, что существует бесконечное количество вселенных, каждая из которых является отдельным и независимым миром, существующим параллельно с нашей.
Долгие годы физики исследовали различные модели и теории, но до сих пор не было экспериментальных данных, подтверждающих подобные предположения. Однако, в 2023 году был проведен ряд экспериментов, которые указывают на возможность существования параллельных вселенных.
Исследования основывались на теории струн и квантовой гравитации. Ученые предполагали, что если параллельные вселенные существуют, то они могут взаимодействовать через основные силы природы. Команде ученых удалось наблюдать свидетельства такого взаимодействия.
Первым экспериментом было наблюдение эффекта «разливания» цвета из одной вселенной в другую. Ученые использовали специальную аппаратуру, которая позволяет регистрировать изменения в полях частиц. Результаты показывают, что при определенных условиях, частицы могут перемещаться между вселенными, что говорит о взаимодействии.
Другим экспериментом было наблюдение эффекта «зеркального отражения». Ученые использовали мощные телескопы и обнаружили, что некоторые объекты в космосе отражаются симметрично относительно оси, что указывает на существование параллельных вселенных.
Эти подтверждения дают надежду на дальнейшее исследование параллельных вселенных и их свойств. Ученые считают, что такие открытия могут привести к новым технологиям и пониманию нашего места во Вселенной.
Однако, параллельные вселенные оставляют множество вопросов без ответа. Какова природа этих вселенных? Как они связаны между собой? Какова роль человека во всей этой мультивселенной системе?
Ответы на эти вопросы лишь начинают формироваться. Продолжающиеся исследования и новые эксперименты помогут нам расширить понимание о Вселенной и нашем месте в ней.
Скрытые закономерности
Другая половина Нобелевской примени присуждена за открытие в начале 1980-х годов «скрытых закономерностей в неупорядоченных сложных материалах», что сокрыты за кажущимися случайными движениями и завихрениями в газах или жидкостях. Его работа являются важным вкладом в теорию сложных систем, а также примечательно тем, что ее аспекты можно применить к нейробиологии, машинному обучению и формированию полета скворцов.
Итальянский физик-теоретик Джорджо Паризи. Система, которая была им рассмотрена около 1980 года, называется спиновым стеклом, хотя разработанные методы и сформулированные принципы оказались применимыми к значительно более широкому спектру объектов.
Доктор Паризи – итальянский физик-теоретик, родившийся в 1948 году в Риме, чьи исследования были сосредоточены на квантовой теории поля и сложных системах. Он получил степень доктора философии в Римском университете Сапиенца в 1970 году. Является профессором Римского университета Сапиенца.
Итак, какие системы ученые называют сложными? Те, что состоят из множества частей, взаимодействующих друг с как самостоятельные элементы. Их одновременное взаимодействие, будучи разнонаправленным, придает сложной системе ее отличительную черту, а именно появление новых свойств, которые отсутствуют на уровне отдельных элементов и не сводятся к характеристикам элементов, составляющих систему.
Уже исходя из одного определения, можно понять, насколько сложная эта тема. И описать ее с помощью математики невероятно трудно, ведь необходимо учесть все возможные варианты взаимодействия элементов друг с другом. А элементы, как известно, часто ведут непредсказуемо, так что в любой системе огромную роль играет Его Величество Случай.
Церемония вручения Нобелевской премии по физике, 2021 год.
Но около 40 лет назад Джорджо Паризи доказал, что совершенно случайные на первый взгляд факторы связаны между собой и даже подчиняются определенным правилам. Если попробовать объяснить совсем простыми словами, то работа итальянского физика позволяет свести воедино все неизвестные переменные. Их объединение, например, в «общий фактор неопределенности» значительно повышает точность не только расчетов, но и предсказаний.
Что вновь возвращает нас к предыдущим лауреатам и их работе по климатическому моделированию: работа Паризи позволяет климатологам строить значительно более точные модели происходящих климатических изменений, как в результате антропогенной деятельности, так и множество других факторов.
Развитие физического познания охватывает все новые области действительности. И физика сложных систем – как раз одно из них.
В заключении же хочу сказать, что работа итальянского физика демонстрирует нам, что «понять лес, созерцая дерево – не сложно. На самом деле это невозможно». Порядок, отмечает Паризи, существует только на соответствующем масштабе и хаос «на нижнем уровне» ему не помеха. Безусловно, можно искать закономерности и в климате и погоде – но лишь на уровне статистики и учтя при этом множества прочих факторов – сложные системы требуют неординарных решений.
История исследований[]
Можно сказать, что у истоков биофизики как науки стояла работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» (1945), где рассматривалось несколько важнейших проблем, таких как термодинамические основы жизни, общие структурные особенности живых организмов, соответствие биологических явлений законам квантовой механики и др.
Уже на начальных этапах своего развития биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики и использовала в исследовании биологических объектов точные экспериментальные методы (спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические). Основной итог этого периода развития биофизики — это экспериментальные доказательства приложимости основных законов физики к биологическим объектам.
Россия
Первый Институт физики и биофизики был создан в Москве в 1927 году. Но просуществовал он недолго: в 1931 году его руководитель, академик Лазарев П.П., был арестован и Институт закрыли.
Современные направления исследований
В настоящее время интенсивно развиваются биофизика сложных систем и молекулярная биофизика.
Современные области исследований биофизики: влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций, фотобиологические процессы, математическое моделирование, физика белковых и мембранных структур, нанобиология и др.
Крупные исследователи в биофизике
- Дьёрдь фон Бекеши: исследователь человеческого уха, лауреат нобелевской премии 1961 года.
- Герд Бинниг: разработал сканирующий туннельный и сканирующий атомно-силовой микроскопы. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1986 год.
- Луиджи Гальвани: открыл биоэлектричество.
- Герман Гельмгольц: первый замерил скорость нервных импульсов.
- Бернард Кац: исследовал роль норадреналина в синаптической передаче. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1970 года.
- Ирвинг Ленгмюр: разработал концепцию одномолекулярного органического покрытия. Лауреат Нобелевской премии по химии 1932 года.
- Эрвин Неэр и Берт Закман: разработали метода локальной фиксации потенциала. Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 1991 года.
- Макс Перуц и Джон Кендрю: исследователи с помощью рентгеноструктурного анализа. Лауреаты Нобелевской премии по химии 1962 года.
- Эрнст Руска: создатель электронного микроскопа. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1986 год.
- Морис Уилкинс: открыл трехмерную молекулярную структуру ДНК. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года.
Возникновение естественных наук
Но, в конце концов, благодаря человеческой деятельности накопилось столько знаний, что это привело к зарождению первых наук. Первыми физиками были греческие мыслители, которые попытались объяснить наблюдаемые явления природы. Самым выдающимся из древних мыслителей был Аристотель (384-322 гг. до н.э.), который ввел слово «фюзис», что в переводе с греческого означает природа. Еще в античные времена начали развиваться методы научного познания природы (наблюдение, предположение (гипотеза), моделирование, мыслительный эксперимент и т.д.). Из трудов ученых-философов античного периода начали свое развитие все естественно-математические науки — физика, астрономия, химия, география, биология, математика.
Развитие математики, географии, физики, химии, а также других наук, если не прямо, то косвенно было связан с успехами и запросами астрономии в исследовании небесных тел.
Во II в. н. е. александрийский астроном Птолемей предложил геоцентрическую ( «гео» — земля) «систему мира». Вокруг Земли, по Птолемею, движутся (в порядке удаленности от Земли) Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, звезды. Но уже в то время видимые наблюдения за движением Луны, Солнца, планет указывали на то, что это движение гораздо сложнее. Поэтому каждая из планет, по мнению Птолемея, движется не просто вокруг Земли, а вокруг некоторой точки, которая, в свою очередь, движется по кругу, вокруг Земли. Система мироздания Птолемея была (под покровительством церкви) доминирующей в науке в течении четырнадцати веков. Первыми, кто стал предлагать новые взгляды на мироздание, были большие итальянские ученые Николай Кузанский и Леонардо да Винчи, которые утверждали, что Земля движется, что она не является центром Вселенной и не занимает в ней чрезвычайного места.
Смелым ученым, «сдвинувшим Землю, остановившим Солнце», был поляк Николай Коперник (1473-1543 гг.). Гелиоцентрическая ( «гелио» — Солнце) «система мира» Коперника не признавалась церковью. По приговору инквизиции в 1600 г. был сожжен в Риме выдающийся итальянский философ, последователь Коперника Джордано Бруно (1548-1600 гг.), который, развивая учение Коперника, утверждал, что во Вселенной нет и не может быть центра, что Солнце — это только центр Солнечной системы. Он также высказывал гениальную догадку о том, что звезды — такие же «солнца», как наше, причем вокруг них движутся планеты, на многих из которых существует жизнь.