Зачем нужна физика?

Теперь мы имеем представление о нескольких достижениях современной физики, которыми мы пользуемся ежедневно. В каждом доме можно найти технологии, над которыми лет 30-40 назад корпели очкастые ботаники, а сейчас трудится молодёжь в футболках. Полезно знать о трёх важнейший открытиях XX века. Нобелевку по физике 2014 года получили японцы Исаму Акасаки, Хироши Амано и Судзи Накамура «за изобретение эффективных синих светодиодов (LED), привёдших к появлению ярких и энергосберегающих источников белого света». Светодиоды, излучающие зелёный и красный свет, были созданы примерно полвека назад и использовались, например, как индикаторы «вкл/выкл», однако для белого света не хватало третьего компонента – синего. Три цвета вместе (красный, зелёный, синий RGB) составляют белый свет.

Разложение света на составляющие.
Разложение света на составляющие.

Японцы додумались, как вырастить кристаллы полупроводников и скомбинировать их, чтобы получить синее свечение, в конце 80-х и в 1992 году представили первый светодиод, а потом на его основе синий лазер, который позволил создать технологию BluRay. Исходная техника записи и чтения компакт дисков CD и DVD использует красный лазер. Длина волны синего лазера (405 нанометров) меньше, чем у красного (600+ нанометров), поэтому он, вроде более тонкой иглы, позволяет читать и писать более мелко и увеличить число отметок на диске
С появлением LED ламп осветительная техника переживает настоящую революцию. Светодиодные лампы потребляют в 20 раз меньше энергии при той же светимости, что у традиционных ламп накаливания, занимают меньше места, не греются, не бьются, и намного более долговечны.

Технология голубого лазера.
Технология голубого лазера.

Светодиоды используются ныне в домашних лампах, светофорах (это те, что горят ярко), световых табло, фонариках, телевизорах и прочих дисплеях, уличном освещении, фарах машин, дезинфицирующих медицинских лампах, BD проигрывателях, и любой электронике.
Без полупроводниковой электроники наша жизнь теперь немыслима. Процессоры и микросхемы есть не только в компьютерах, игровых приставках, телефонах и телевизорах, но и в автомобилях, самолётах, микроволновках, умных часах и даже чайниках.
Биполярный точечный транзистор изобрели в 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн (Нобелевка по физике 1956) в лабораториях Bell Labs. В течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем.

Кстати, американец Джон Барди́н был настоящим гением физики твёрдого тела. Он – один из четырёх человек, получивших по две Нобелевки и единственный получивший две Нобелевки по физике: вторая в 1972 году за теорию сверхпроводимости (BCS) с Купером и Шриффером.
Главная роль транзистора – усиление сигнала. Полупроводниковый транзистор намного меньше, дешевле, прочнее, долговечнее и энергоэффективнее электронных ламп, использовавшихся до этого. Самая крутая ламповая ЭВМ ENIAC содержала в себе 17468 ламп и весила 30 тонн.
Сегодня процессор смартфона много мощнее той ЭВМ. Нанотехнология позволяет нарезать транзисторы на кристалле кремния с шагом всего в несколько нанометров. Например, главный процессор iPhone 12 Apple A14 Bionic содержит 11,8 млрд транзисторов, размер наименьшего элемента 5 нм.

Благодаря совершенствованию методов обработки кристаллов, выжигания и вытравливания, сборки наноскопических микросхем, размер транзисторов с тех пор удавалось постоянно уменьшать, что в конце концов сделало возможным переносные приборы – лаптопы, планшеты, смартфоны. Что даёт уменьшение размеров транзисторов? Увеличение продолжительности работы переносных приборов, уменьшение потребления энергии компьютерами, ускорение их работы, улучшение быстродействия сенсоров в приборах и машинах, таких как беспилотные автомобили. 6 мая 2021 года фирма IBM объявила о запуске процессоров с 2-нм технологией (наименьший элемент схемы). IBM надеется, что это позволит увеличить производительность процессора на 45%, снизить энергопотребление в 4 раза по сравнению с нынешними 7-нм процессорами.

Лазер – ещё одно знакомое слово. Их так много вокруг, что мы соприкасаемся с ними десятки раз на дню. С одной стороны, лазерный луч – это просто свет или невидимая электромагнитная волна, с другой – когерентный пучок фотонов, которые колеблются синхронно, в одной фазе. Лазерный луч позволяет достичь высокой концентрации энергии в нужном месте, а так же позволяет себя фокусировать и контролировать намного лучше, чем обычный хаотический свет от нагретых тел. Другая важная особенность лазерного луча: он способен нести информацию.

Интерференция

Когерентность фотонов позволяет считать фазу волны, и из неё определить расстояние, пройденное лучом, размер или скорость предмета, от которого он отразился. Чаще всего это делают, сравнивая два луча: исходный и изменённый исследуемым объектом. Это называется интерференцией.

Одно из недавних потрясающих измерений, заслужившее Нобелевку по физике в 2017 году – регистрация гравитационных волн от столкновения чёрных дыр было сделано с помощью лазерной интерферометрии на детекторе LIGO. Премию получили Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бариш. У лазеров долгая история. В 1917 году Эйнштейн предложил теорию «вынужденного излучения», которая описала возможность создания синхронных колебаний электронов, чтобы они одновременно излучали свет одной длины волны, чем заложил теоретическую основу для создания лазера.

LIGO - гигантский интеферометр.
LIGO – гигантский интеферометр.

Только в 1951 году Чарльз Таунс смог осуществить такой прибор. В 1954 году он со своими коллегами Гербертом Цайгером и Джеймсом Гордоном показали первый в мире реально работающий лазер. Правда, тогда он назывался «мазер». Прибор генерировал очень тонкий луч света на частоте 100 Гц мощностью 10 нВт. Спустя год в 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов.
В 1964 году они вместе с Таунсом получили за свои открытия Нобелевскую премию по физике. В 1956 году американский ученый Николас Блумберген из Гарвардского университета разрабатывает твердотельный мазер. До этого существовали только газовые.

Зелёный лазер - указка.
Дешёвый зелёный лазер – указка.

Применения лазеров.

Медицина:

  • бескровная хирургия, включая глазную
  • заживление ран
  • стоматология
  • удаление камней в почках

Промышленность:

  • резка материалов
  • сварка
  • разметка
  • гравировка

Военные применения:

  • наведение на цель
  • приборы слежения
  • лазерные пушки

Наука:

  • спектроскопия (определение структуры и упругости материалов)
  • определение расстояний и скоростей
  • оптические пинцеты (Нобелевка по физике 2018 Эшкин, Муру, Стрикланд)

Бизнес, офис:

  • лазерные принтеры
  • сканеры штрихкодов
  • CD/DVD/BD
  • компьютерные мышки
  • голограммы

Важное замечание. Из этих коротких рассказов не очевидно, что над технологиями и открытиями трудится множество учёных. Практически каждый нобелевский лауреат пользовался результатами многолетних исследований сотен коллег. Иногда им просто повезло быть первыми. Образ Тони Старка (Iron Man) – гения-изобретателя, хотя и выглядит завлекательно, искажает процесс исследования. Ведущие технологические компании – Apple, Intel, IBM, AMD, Samsung, Nvidia, Tesla содержат огромные лаборатории, в которых работают тысячи физиков и инженеров.

SpaceX

SpaceX был основан Илоном Маском, чтобы сделать жизнь многопланетной. «Вы хотите просыпаться утром и думать, что будущее будет великим, и в этом суть космической цивилизации. Речь идет о вере в будущее и о том, что будущее будет лучше прошлого. И я не могу придумать ничего более захватывающего, чем выходить на улицу и быть среди звезд », – говорит он. Аэрокосмическая компания разработала одни из самых передовых ракет в мире и активно работает над созданием ракеты-носителя следующего поколения, которая позволит людям колонизировать Марс.

SpaceX разрабатывает двухступенчатый космический корабль Starship из нержавеющей стали, который выйдет на орбиту с помощью гигантской сверхтяжелой ракеты. Starship сможет перевозить 100 пассажиров в длительные рейсы на Красную планету. «Если на Земле происходит что-то ужасное, созданное людьми или естественным путем, мы хотим иметь страхование жизни в целом», – сказал Маск во время конференции «Люди на Марс» 31 августа. вид азарта и приключений ».

Starship находится в стадии разработки в Бока-Чика, небольшой пляжной деревне в Южном Техасе в городе Браунсвилл, расположенном на границе с Мексикой, недалеко от острова Саут-Падре, штат Техас. Маск называет пляж Бока-Чика «Воротами на Марс». Он планирует превратить кусок песчаной земли в «космодром 21 века» и «курорт SpaceX», где сотрудники будут жить с удовольствием, работая над созданием космического будущего для человечества.

Сегодня, 12 августа, Маск поделился командами SpaceX, которые уже работают над следующим прототипом Starship, получившим название SN8, который проведет первый испытательный полет на большой высоте на стартовой площадке Бока-Чика. – «Звездолет SN8 с закрылками и носом нужно сделать примерно за неделю. Затем статический огонь, проверки, статический огонь, полет на высоту 60 000 футов и обратно », – объявил он в Twitter. Полет на высоте 60 000 футов (футов) эквивалентен примерно 20 километрам (км) над землей. Маск стремится сделать полеты космических кораблей из нержавеющей стали обычным делом в Южном Техасе и ценит поддержку, которую SpaceX получает от местного сообщества. – «Так или иначе, азарт гарантирован! Мы очень ценим поддержку большего сообщества Boca, Padre, Brownsville », – добавил Маск.