Преподавателям физики в университете, часто приходится отвечать на вопрос интересующихся абитуриентов: ну, вот выучусь я на физика, и где буду работать? Физику учить прикольно, конечно, но это нужно хоть кому-то в реальной жизни? Давайте поговорим об относительно недавних открытиях в физике, которые кардинально поменяли нашу жизнь, создали базу для IT-революции, прогресса в технологиях. Обратите внимание на скорость внедрения передовой науки в жизнь. В большинстве случаев проходит менее 10 лет.
Школьная программа
Понятно, почему возникает вопрос. Школьная программа в основном обсуждает достижения физиков XVIII-XIX века, совсем немного XX века. Школьные эксперименты включают пружинки, маятники, игрушечные тележки, колёса, шарики, рычаги, линзы, заряженные шары, сопротивления и лампочки. Из этих экспериментов, впрочем, совершенно непонятно, чем тут заниматься профессионально. Из-за сложности современной физики, многие её разделы трудно преподавать в школе. Тем не менее и из уроков и из новостей, мы имеем смутное представление о связи технологий с физикой. Просто многое из этого было так давно, что кажется, что существовало всегда, вроде закона Архимеда. В любом случае, появилось ещё до нашего рождения. Когда мы родились электричество, свет, поезда, автомобили, самолёты, стиральные машины и станки, телефоны и даже компьютеры.
Рентгеновская томография
Один из важнейших методов медицины ковидного 2020-го – компьютерная томография (КТ), ею делают скан лёгких на пневмонию. Метод послойного исследования тканей был разработан Аланом Кормаком и Годфри Хаунсфилдом, удостоенными за него Нобелевки по физиологии и медицине в 1979. В 1963 году американский физик Кормак решил задачу томографического восстановления изображения по послойным рентгеносканам, а в 1969 году английский инженер-физик Хаунсфилд из фирмы «EMI Ltd.» сконструировал первый томограф, клинические испытания которого прошли в 1971 году.
Магнитно – резонансная томография
Другой мощный метод разглядывания наших внутренностей – магнитно-резонансная томография (МРТ) был разработан в 1973 году, за что нобелевку 2003 года по физиологии или медицине получили химик Пол Лотербур и физик Питер Мэнсфилд. Лотербур предложил метод построений изображений по отклику атомных ядер на магнитные импульсы (используя ядерный магнитный резонанс), а Мэнсфилд разработал алгоритмы получения изображения. Первый аппарат МРТ для медиков был создан в 1983 году в Британии, в 1984-м году в СССР. Надо заметить, что Владислав Иванов в СССР придумал метод ещё в 1960-м, даже подал заявку на патент, но зарегистрировано изобретение было лишь в 1984-м.
Магнитые диски
Эффект гигантского магнетосопротивления (GMR) открыли Альбер Фер (Франция) и Петер Грюнберг (Германия) в 1988 году. Эффект заключается в резком изменение сопротивления проводника при его перемагничивании. Эффект GMR настолько силён, что достаточно поменять направление намагничивания у кусочка провода толщиной в несколько нанометров, чтобы получить чёткий измеримый эффект. Это позволило увеличить плотность записи информации на жёстких дисках в тысячи раз! Первая коммерческая магнитная головка на этом эффекте был сделана в 1997 году, а сейчас большинство жёстких дисков используют эту технологию. Важно это не только для настольных компьютеров и лэптопов. Eсли вы даже заходите в интернет только с планшета или телефона, вы получаете данные из датацентров Google или Microsoft, где они хранятся на обычных жёстких дисках. Нобелевку по физике Фер и Грюнберг получили в 2007-м. Это было по сути, первым массовым применением нанотехнологии и основой для IT революции.
Оптоволоконная связь и цифровое фото
Нобелевка по физике 2009 года присуждена британцу Чарльзу Као за прорыв в изготовлении оптоволокна для связи, канадцу Вилларду Бойлу и американцу Джоржу Смиту, работавшим в Bell Labs в США за изобретение CCD (ПЗС) сенсора, который нынче используется для цифровой фотографии. Као придумал как сделать оптическое волокно уникальной чистоты, достаточной, чтобы луч света в нём не рассеивался и через сотни километров. Его работа вышла в 1969-м, а уже в 1975-м в Великобритании была проложена первая оптоволоконная линия связи, а затем в США и Японии.
Открытие Бойла и Смита (1969) изначально предназначалось для хранения данных с помощью полупроводниковых ячеек, способных накапливать заряд. Однако они обнаружили, что полупроводники реагируют на свет, и заряд ячейки зависит от количества падающего света,что можно было использовать для цифровой фотографии. В 1975-м Кодак сделал первую CCD-камеру с матрицей 100×100. В это же время Кадзуо Ивама из компании Sony стал активно заниматься CCD, вложив в это крупные средства, благодаря чему мы все теперь имеем цифровые камеры.
Плоские экраны
Ещё 30 лет назад жидкокристаллические (ЖК) дисплеи были относительной редкостью, но теперь в каждом доме есть как минимум десяток таковых. Жидкие кристаллы были открыты в ещё в XIX веке, но важнейшее открытие было сделано в 1927 году российским физиком Всеволодом Фредериксом. Им был открыт эффект закручивания ориентации молекул в жидком кристалле под влиянием внешнего поля, из-за которого меняется оптические свойства ЖК ячейки (например, она становится непрозрачной). Переход Фредерикса ныне широко используется в ЖК дисплеях. Далее над устройствами работали химики, физики, и инженеры, улучшая материалы, подсветку и системы электрическое управления ячейками. В 1964 году Джордж Хейлмейер создал первый ЖК-дисплей. В 1973 году Sharp выпустила первый ЖК-калькулятор. Потом такие дисплеи стали использоваться в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах, появились матричные дисплеи, воспроизводящие чёрно-белое изображение. В 1970 году швейцарцы открыли TN-эффект, который позволил сделать цветные ЖК экраны. В 1987 году компания Sharp разработала первый цветной ЖК дисплей диагональю 3 дюйма, в 1988 — первый в мире 14-дюймовый цветной TFT LCD. Сейчас, основным производителем материала для дисплеев (собственно жидких кристаллов) является компания Merck, а время от синтеза нового материала до запуска серийного производства дисплеев с ним составляет менее года!
Графен
Нобелевку по физике 2010 г. получили Андрей Гейм и Константин Новосёлов, выпускники МФТИ, работавшие в Нидерландах и Великобритании за остроумный способ получения графена. Они буквально последовательно разделяли графит (тот, что в грифелях простых карандашей) на слои скотчем. Графен – уникальный материал. Это двумерная плёнка толщиной в один атом, но проводящая электрический ток и поэтому видимая невооружённым глазом, хотя и прозрачная. Слои графена гибки, но прочны (в пересчёте на массу в 200 раз прочнее стали). Графен пока не вошёл в нашу ежедневную жизнь, но скоро это случится. Ежегодно регистрируются десятки тысяч патентов устройств с использованием графена: больше всех Китай, затем США, Великобритания и Япония. Устройства включают электронику, сенсоры, фильтры, умные материалы. Еврокомиссия финансирует графеновый научный суперпроект объёмом в миллиард евро, сотни миллионов долларов расходуются на НИОКР Китаем, США, Кореей и Японией. Так что ждём новых технологических прорывов!
