Значение генной инженерии
на втором этапе НТР характеризуется
существенным расширением ее
диапазона: от получения новых
микроорганизмов с заранее заданными
свойствами (путем направленного
изменения их наследственного
аппарата) и до клонирования высших
животных (а в возможной перспективе
— и самого человека). Конец
XX столетия ознаменовался небывалыми
успехами в расшифровке генетической
основы человека. В 1990 году «стартовал»
международный проект «Геном
человека», ставящий целью получение
полной генетической карты Homosapiens.
В этом проекте принимают участие
более двадцати наиболее развитых
в научном отношении стран,
включая и Россию.
Важной характеристикой
второго этапа НТР стала невиданная
ранее информатизация общества
на основе персональных компьютеров
(появившихся в конце 70-х годов)
и Всемирной системы общедоступных
электронных сетей, получившей
наименование «Интернет». В результате
человек, во-первых, получил доступ
к объемам информации значительно
большим, чем когда бы то
ни было; а во-вторых, появился
новый способ общения, который
можно назвать горизонтальным. До
его появления общение и распространение
информации было в основном
вертикальным (автор выпускает книгу
— читатели читают, по радио
и телевидению что-то передают
— люди слушают это или смотрят;
обратная связь ранее почти
отсутствовала, хотя потребность
в ней всегда была исключительно
высока). Интернет обеспечивает распространение
информации для практически неограниченного
круга потребителей, причем они
без всякого труда могут коммуникатировать
друг с другом. «Интернет —
это сеть сетей с миллионами
компьютеров по всему миру, связанных
в одно целое. В Интернете
не существует единого центра
управления. Интернет можно описать
как постоянный поток информации
из одного места в другое, от
одного человека к другому.
Когда вы получаете доступ
к Интернету, то подключаетесь
к миллионам пользователей компьютеров...
Это всемирное круглосуточное
место встречи, куда может прийти любой».
Еще одним направлением
второго этапа НТР, заложившим
физические основы принципиально
новых информационных и коммуникационных
технологий, стали исследования
в области физики полупроводниковых
наногетероструктур. Достигнутые успехи
в этих исследованиях, имеющие
огромное значение для развития
оптоэлектроники и электроники
высоких скоростей, были отмечены
в 2000 году Нобелевской премией
по физике, которую разделили
российский ученый, академик Ж.И.
Алферов и американские ученые
Г. Кремер и Дж. Килби.
На повестке дня
современной физики — создание
квантового компьютера (КК). Здесь
существует несколько интенсивно
разрабатываемых в настоящее
время направлений: твердотельный
КК на полупроводниковых структурах,
жидкие компьютеры, КК на «квантовых
нитях», на высокотемпературных
полупроводниках и т. д. Фактически
все разделы физики конца XX
века представлены в попытках решения
этой задачи.
Пока можно говорить
лишь о достижении некоторых
предварительных результатов. Квантовые
компьютеры еще только проектируются.
Но когда они покинут пределы
лабораторий, мир во многом
станет иным. Ожидаемый технологический
прорыв должен превзойти достижения
полупроводниковой революции, в
результате которой вакуумные
электронные лампы уступили место
кремниевым кристаллам.
Еще в конце XIX века большинство
ученых склонялись к точке зрения,
что физическая картина мира в
основном построена и останется
в дальнейшем незыблемой. Предстоит
уточнять лишь детали. Но в первые десятилетия
XX века физические воззрения изменились
коренным образом. Это было следствием
«каскада» научных открытий, сделанных
в течение чрезвычайно короткого
исторического периода, охватывающего
последние годы XIX столетия и первые
десятилетия XX века.
В 1896 году французский
физик Антуан Анри Беккерель
(1852-1908) открыл явление самопроизвольного
излучения урановой соли. Исследуя
это явление, он наблюдал разряд
наэлектризованных тел под действием
указанного излучения и установил,
что активность препаратов урана
оставалась неизменной более
года. Однако природа нового явления
еще не была понята.
В его исследование
включились французские физики,
супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария
Склодовская-Кюри (1867-1934). Прежде всего
их заинтересовал вопрос: нет
ли других веществ, обладающих
свойством, аналогичным урану?
В 1898 году были открыты новые
элементы, также обладающие свойством
испускать «беккерелевы лучи»,
— полоний и радий. Это свойство
супруги Кюри назвали радиоактивностью.
Их напряженный труд принес
щедрые плоды: с 1898 г. одна
за другой стали появляться
статьи о получении новых радиоактивных
веществ. А годом раньше, в 1897
году, в лаборатории Кавендиша
в Кембридже при изучении электрического
разряда в газах (катодных лучей)
английский физик Джозеф Джон
Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную
частицу — электрон. В последующих
опытах по измерению заряда
электрона и получению отношения
этого заряда к массе было
обнаружено совершенно необычное
явление зависимости массы электрона
от его скорости. Уяснив, что электроны
являются составными частями
атомов всех веществ, Дж. Томсон
предложил в 1903 году первую (электромагнитную)
модель атома. Согласно этой
модели, отрицательно заряженные
электроны располагаются определенным
образом (как бы «плавают»)
внутри положительно заряженной
сферы. Сохранение электронами
определенного места в сфере
есть результат равновесия между
положительным равномерно распределенным
ее зарядом и отрицательными
зарядами электронов. Но модель
«атома Томсона» просуществовала
сравнительно недолго.
В 1911 году знаменитый
английский физик Эрнест Резерфорд
(1871-1937) предложил свою модель
атома, которая получила название
планетарной. Появлению этой новой
модели атома предшествовали
эксперименты, проводимые Э. Резерфордом
и его учениками, ставшими впоследствии
знаменитыми физиками, Гансом Гейгером
(1882-1945) и Эрнстом Марсденом (1889-1970).
В результате этих экспериментов,
показавших неприемлемость модели
атома Дж. Томсона, было обнаружено,
что в атомах существуют ядра
— положительно заряженные микрочастицы,
размер которых очень мал по
сравнению с размерами атомов.
Но масса атома почти полностью
сосредоточена в его ядре. Исходя
из этих новых представлений,
Резерфорд и выдвинул свое
понимание строения атома, которое
он обнародовал 7 марта 1911 года
на заседании Манчестерского
философского общества. По его
мнению, атом подобен Солнечной
системе: он состоит из ядра
и электронов, которые обращаются вокруг
него.
Но планетарная модель
Резерфорда обнаружила серьезный
недостаток: она оказалась несовместимой
с электродинамикой Максвелла.
Согласно законам электродинамики,
любое тело (частица), имеющее электрический
заряд и движущееся с ускорением,
обязательно должно излучать
электромагнитную энергию. Но
в этом случае электроны очень
быстро потеряли бы свою кинетическую
энергию и упали на ядро. С
этой точки зрения, оставалась
непонятной необычайная устойчивость
атомов. Кроме того, в соответствии
с законами электродинамики, частота
излучаемой электроном электромагнитной
энергии должна быть равна
частоте собственных колебаний
электрона в атоме или (что
то же) числу оборотов электрона
вокруг ядра в секунду. Но
в этом случае спектр излучения
электрона должен быть непрерывным,
так как электрон, приближаясь
к ядру, менял бы свою частоту.
Опыт же показывал другое: атомы
дают электромагнитное излучение
только определенных частот (именно
поэтому атомные спектры называют
линейчатыми, т. е. состоящими
из вполне определенных линий).
Такая определенность спектра,
его ярко выраженная химическая
индивидуальность очень трудно
совмещается с универсальностью
электрона, заряд и масса которого
не зависят от природы атома.
Разрешение этих противоречий
выпало на долю известного
датского физика Нильса Вора (1885-1962),
предложившего свое представление
об атоме. Последнее основывалось
на квантовой теории, начало которой
было положено на рубеже XX века
немецким физиком Максом Планком
(1858-1947). Планк выдвинул гипотезу,
гласящую, что испускание и поглощение
электромагнитного излучения может
происходить только дискретно, конечными
порциями — квантами.
Н. Бор, зная о
модели Резерфорда и приняв
ее в качестве исходной, разработал
в 1913 году квантовую теорию
строения атома. В ее основе
лежали следующие постулаты: в
любом атоме существуют дискретные
(стационарные) состояния, находясь
в которых атом энергию не
излучает; при переходе атома
из одного стационарного состояния
в другое он излучает или
поглощает порцию энергии.
Предложенная Бором
модель атома, которая возникла
в результате развития исследований
радиоактивного излучения и квантовой
теории, фактически явилась дополненным
и исправленным вариантом планетарной
модели Резерфорда. Поэтому в
истории атомной физики говорят
о квантовой модели атома Резерфорда
— Бора.
Следует отметить, что
научные заслуги Резерфорда не
ограничиваются исследованиями, приведшими
к упомянутой планетарной модели
атома. Совместно с английским
химиком Фредериком Содди (1877-1956)
он провел серьезное изучение
радиоактивности. Резерфорд и
Содди дали трактовку радиоактивного
распада как процесса превращения
химических элементов из одних
в другие. «Неизменяемость свойств
электронов при обычных физических
и химических процессах, —
писал Н. Бор, — непосредственно
объясняется тем, что в таких
процессах, хотя связи электронов
и могут сильно меняться, ядро
остается без изменений. Резерфордом
была доказана и взаимная превращаемость
атомных ядер под действием
мощных сил. Тем самым Резерфорд
открыл совершенно новую область
исследований, которую часто называют
современной алхимией».
Как тут не вспомнить
крушение стремлений и надежд
многих поколений алхимиков получать
одни химические элементы (чаще
всего — золото) из других в
связи с открытием во второй
половине XVIII века Лавуазье закона
неизменности химических элементов.
И вдруг, в начале XX века, оказалось,
что в результате радиоактивного
распада некоторые элементы самопроизвольно
превращаются в другие. Это было
поистине научной сенсацией.
Впрочем, наука XX века
принесла немало сенсационных
открытий, многие из которых совершенно
не укладывались в представление
обыденного человеческого опыта.
Ярким примером этого может
служить теория относительности,
созданная в начале нашего
столетия мало кому известным
тогда мыслителем Альбертом Эйнштейном
(1879-1955).
В 1905 г. им была
создана так называемая специальная
теория относительности. В целом
теория А. Эйнштейна основывалась
на том, что — в отличие
от механики И. Ньютона —
пространство и время не абсолютны.
Они органически связаны с
материей и между собой. Когда
А. Эйнштейна попросили выразить
суть теории относительности
в одной, по возможности понятной
фразе, он ответил: «Раньше
полагали, что если бы из Вселенной
исчезла вся материя, то пространство
и время сохранились бы, теория
относительности утверждает, что
вместе с материей исчезли
бы также пространство и время».
Более подробно о
теории относительности сказано
в разделе, посвященном пространственно-временным
представлениям. Мы здесь лишь
отметим, что эта теория получила
признание далеко не сразу.
Специальная теория относительности
была быстро принята лишь узким
кругом известных физиков-теоретиков.
Но в 20-х годах, после появления
общей теории относительности,
этот круг существенно расширился.
Эйнштейн получил полную поддержку
многих выдающихся ученых, работавших
в других областях физики, но
обладавших широкой культурой физического
мышления.
В то же время
существовали и тупая ограниченность
в науке, милитаризм и расизм
в политике. Не случайно теория
относительности была встречена
в штыки в фашистской Германии,
где к хору злобных голосов,
отвергших теорию Эйнштейна как
«неарийскую», враждебную национальному
германскую сознанию, присоединились
такие известные физики-экспериментаторы,
как Ленард и Штарк.
Хотя имя А. Эйнштейна
по сей день в массовом сознании
связывается с теорией относительности,
эта теория была далеко не
единственным его научным достижением.
Опираясь на представление Планка
о квантах, Эйнштейн еще в
1905 году сумел обосновать природу
фотоэффекта. Каждый электрон
выбивается из металла под
действием отдельного светового
кванта, или фотона, который при
этом теряет свою энергию. Часть
этой энергии уходит на разрыв
связи электрона с металлом. Эйнштейн
показал зависимость энергии
электрона от частоты светового
кванта и энергии связи электрона
с металлом.
Казалось, что корпускулярная
теория материи торжествует. Фотон,
например, явно имеет корпускулярные
свойства (русский физик П.Н. Лебедев
даже доказал в 1899 году существование
светового давления). Но вскоре
выяснилось, что определить энергию
фотона (частицы света, не обладающей
массой покоя) можно было, только
представляя его себе в виде
волны с соответствующей длиной
и частотой. Получалось, что фотон
— это одновременно и волна
и частица. Распространяется он
как волна, излучается и поглощается
— как частица.
В 1924 году произошло
крупное событие в истории
физики: французский ученый Луи
де Бройлъ (1892-1987) выдвинул идею
о волновых свойствах материи.
«Почему, если волновой материи
присущи свойства корпускулярности,
— писал он, — мы не вправе
ожидать и обратного: что корпускулярной
материи присущи волновые свойства?
Почему бы не мог существовать
закон, единый для всякого вообще
материального образования, не
важно, волнового или корпускулярного?».