От радиоактивността до квантовото заплитане: Носителите на Нобелова награда за физика, които промениха света
От 1901 г. година насам всеки октомври научна общност тръпне в очакване на може би най-високото признание за своите постижения – Нобеловите награди. През 1895 г. Алфред Нобел, учен и автор на над 350 патента, сред които динамитът, подписва последното си завещание, с което оставя по-голямата част от богатството си във фонд, чиито приходи да се разпределят ежегодно между хора, допринесли с изключителни постижения за човечеството. Така първоначално Нобеловите награди се връчват в пет категории – физика, химия, физиология/медицина, литература и мир. През 1968 г. Шведската централна банка (Sveriges Riksbank) учредява „Награда на Шведската централна банка за икономически науки в памет на Алфред Нобел“, с което икономиката се превръща в шестата категория.
Най-пряко обвързана с технологичните постижения на инженерния свят обаче е категорията „Физика“, затова решихме да съсредоточим вниманието Ви именно върху нея. През 2026 г. наградата е присъдена на Франсис Халцен от Университета на Уисконсин–Мадисън, САЩ, за „решаващия му принос към Неутринната обсерватория IceCube и откриването на неутрино с висока енергия от астрофизичен произход“. Но на какво научно богатство е наследник той?
От спонтанната радиоактивност, изследвана от семейство Кюри и Анри Бекерел, през закона за фотоелектричния ефект на Айнщайн, до откриването на неутрона, транзистора и лазера – в Инженерната ни история тази седмица правим преглед на някои от най-значимите физични разработки, отличени с Нобелова награда. Нека видим.
Откриването на радиоактивността, 1903 г.
Наградата е споделена между Анри Бекерел, Пиер Кюри и Мария Кюри. През 1896 г. френският физик Анри Бекерел установява, че урановите соли излъчват невидими лъчи, които могат да преминават през непрозрачни материали и да предизвикват почерняване на фотографски плаки. Той установява, че урановите съединения излъчват лъчение дори без предварително излагане на светлина, от което става ясно, че това е самостоятелно физично явление – радиоактивност.
Откритието предизвиква интереса на Мария и Пиер Кюри, които започват систематично изследване на радиоактивните вещества. Те установяват, че някои уранови руди (уранинит например) са значително по-активни от самия уран, и стигат до извода, че съдържат неизвестни дотогава радиоактивни елементи. Така през 1898 г. откриват полония и радия.
Защо е важно: Откритията променят представите за структурата и стабилността на атома и поставят основите на ядрената физика. По този начин се разкриват нови възможности за изследвания и приложения в медицината и енергетиката.
Фотоелектричният ефект и квантовата природа на светлината, 1921 г.
Носител на наградата за 1921 г. е Алберт Айнщайн за откриването на закона на фотоелектричния ефект, а ето и обяснението: Ако метални електроди бъдат изложени на светлина, между тях по-лесно възникват електрически искри. За да се прояви този фотоелектричен ефект обаче, светлинните вълни трябва да бъдат с честота, надвишаваща определена стойност. Според физичната теория интензитетът на светлината би трябвало да бъде от решаващо значение. В едно от няколкото основополагащи изследвания, започнали през 1905 г., Айнщайн обяснява, че светлината се състои от кванти – „пакети“ с фиксирана енергия, съответстваща на определени честоти. Един такъв светлинен квант – фотонът – трябва да притежава определена минимална честота, за да може да освободи електрон.
Защо е важно: Фотоелектричният ефект е основен физичен принцип, на който се основава работата на светлинни детектори, фотоклетки и други оптоелектронни устройства. Той е важен и за разбирането на преобразуването на светлинната енергия в електрическа, върху което се основават фотоволтаичните технологии.
Откриването на неутрона, 1935 г.
Нобелов лауреат за това откритие е Джеймс Чадуик от Ливърпулския университет. В експеримент през 1930 г. Херберт Бекер и Валтер Боте насочват алфа-частици (хелиеви ядра) към берилий, вследствие на което се отделя силно проникващо лъчение. През 1932 г. Джеймс Чадуик доказва, че то се състои от неутрална частица с маса, приблизително равна на тази на протона, което е и предположение на Ърнест Ръдърфорд. След като съществуването ѝ е доказано, тя получава наименованието „неутрон“.
Защо е важно: Неутронът допълва представата за структурата на атомното ядро и позволява да се обяснят по-добре масата и изотопният състав на химичните елементи. Откритието има фундаментално значение за развитието на ядрената физика и изследването на ядрените реакции и деленето на атомните ядра.
Създаването на транзистора, 1956 г.
Тази разработка се основава на необходимостта от създаване на по-компактни и по-ефективни устройства за усилване на електрическите сигнали, което било особено важно за радиото и телефонията. Първоначално за тази цел се използвали електронни лампи, които обаче са обемни, консумират електроенергия и отделят топлина. С надеждата да се създадат по-малки и по-ефективни усилватели учените се обръщат към полупроводниците – материали със свойства, междинни между тези на електрическите проводници и изолаторите. През 1947 г. Джон Бардийн и Уолтър Братейн създават полупроводников усилвател, който впоследствие е усъвършенстван от Уилям Шокли. Този компонент получава наименованието „транзистор“, а тримата учени получават Нобелова награда за откритието си.
Защо е важно: Днес транзисторите се използват на практика във всички електронни устройства – от смартфони и компютри до промишлени системи за управление. Те са основен елемент на интегралните схеми, микропроцесорите и компютърната техника, тъй като позволяват миниатюризацията на електронните компоненти и създаването на все по-сложни електронни схеми.
Квантовата електроника и принципът на мазера и лазера, 1964 г.
Нобеловата награда за физика през 1964 г. е връчена на Чарлз Таунс, Николай Басов и Александър Прохоров за техните фундаментални изследвания в областта на квантовата електроника, които водят до създаването на генератори и усилватели, основани на принципа на мазера и лазера.
През 50-те години на миналия век тримата учени независимо разработват теоретични и експериментални основи на мазера – устройство за усилване и генериране на микровълново излъчване чрез стимулирано излъчване. Стимулираното излъчване означава, че светлинен пакет – фотон – при взаимодействие с атом може да предизвика преминаването на електрон на по-ниско енергийно ниво, при което се излъчва допълнителен фотон със същата енергия. Ако електроните бъдат преведени на по-високи енергийни нива чрез топлина или светлина, при тяхното връщане към по-ниски нива възниква лавинообразен ефект. Впоследствие принципът е разширен и към оптичния диапазон, което позволява на Теодор Мейман да създаден първия работещ лазер, демонстриран през 1960 г.
Защо е важно: Днес лазерът намира широко приложение в телекомуникациите, оптичните носители на информация, медицината, измервателната техника, промишленото рязане и заваряване, както и в научните изследвания.
Откриването на бозона на Хигс, 2013 г.
Още през 1964 г., независимо един от друг, Питър Хигс и екипът на Франсоа Енглер и Робер Брут предлагат теория за съществуването на частица, която обяснява защо другите частици имат маса.
Потвърждението ѝ идва на 4 юли 2012 г., когато два независими експеримента – ATLAS и CMS, проведени на Големия адронен колайдер в ЦЕРН, потвърждават откриването на нова частица със свойства, съвместими с теоретичните – т.нар. бозон на Хигс. Нобеловата награда за 2013 е връчена на Англер и Хигс за теоретичните им разработки.
Защо е важно: Бозонът на Хигс допринася за по-ясното разбиране на елементарните частици.
Квантовото заплитане, 2022 г.
През 2022 г. Нобелова награда получават Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер за експериментите им със заплетени фотони, установяването на нарушението на неравенствата на Бел и пионерския им принос към квантовата информационна наука. Но историята започва много по-рано – с едно от най-необичайните явления в съвременната физика – квантовото заплитане. Според него две или повече квантови частици образуват обща квантова система и техните свойства и състояние са взаимно свързани, дори когато частиците се намират на голямо разстояние една от друга.
През 30-те години на XX век квантовото заплитане предизвиква сериозни дискусии сред физиците. По него активно работят Алберт Айнщайн, Борис Подолски и Нейтън Розен. През 1964 г. физикът Джон Бел формулира математически неравенства, които позволяват експериментално да се разграничат теориите на квантовата механика от тези на определен клас теории с локални скрити променливи.
Джон Клаузер провежда експерименти с фотони, които показват нарушение на неравенствата на Бел. По-късно Ален Аспе усъвършенства експерименталния подход, като създава условия за по-надеждно изследване на квантовите взаимовръзки. Антон Цайлингер пък демонстрира възможностите за използване на заплетени квантови състояния в експерименти, свързани с квантовата информация, включително квантовата телепортация.
Защо е важно: Квантовото заплитане е ключов ресурс за развитието на квантовите компютри, квантовата криптография и квантовите комуникационни системи.
Важно уточнение, което бихме искали да направим, е, че в нашия материал присъстват разработки, които са популярни и имат значителен принос към науката, техниката и съвременното разбиране за света – подредени са хронологично, а не според значимостта си. Наред с тях отдаваме признание на всички останали Нобелови лауреати, защото вярваме, че научните постижения са резултат от взаимодействие, десетилетия работа на различни учени по един и същи проблем и стабилна основа, върху която могат да се правят иновации. Никоя от изброените разработки не би била възможна самостоятелно.
По текста работи: Весела Даскалова
За да подготвим материала, използвахме информация от: www.nobelprize.org
Източник на снимковия материал: www.nobelprize.org, wikimedia.org, ©Engineer BG via Canva