Fizyka a postęp cywilizacyjny
Wiedza i technologie to główne siły napędowe postępu cywilizacyjnego obserwowa- nego obecnie w krajach wysoko rozwiniętych Europy, Dalekiego Wschodu i Ameryki Północnej1.
W procesie tym znaczącą rolę odgrywa wiedza fizyczna, ponieważ osiągnięcia fi- zyki nowożytnej (od XVI wieku) przyczyniły się w decydującej mierze do dokonania przełomowych wynalazków i spowodowały wiele istotnych wydarzeń w historii. Do naj- ważniejszych innowacji technicznych zaliczamy wynalezienie:
• baterii elektrycznej (1800) — patrz rys. 1.,
• lodówki (lata 1860-1870) — patrz rys. 1.,
• silnika benzynowego (lata 1860-1880) — patrz rys. 1.,
• samolotu (1903) — patrz rys. 2.,
• tranzystora (1948) — patrz rys. 3.,
• sztucznego satelity (1957) — patrz rys. 2.,
• minikomputera (1960) — patrz rys. 4.
Rysunek 1: Od lewej: Alessandro Volta (1745-1827)— wynalazca baterii elektrycznej;
Carl Paul Gottfried von Linde (1842-1934) — twórca nowoczesnej konstrukcji sprężar- kowej chłodziarki; opracował i zastosował efektywne metody skraplania gazów; Nikolaus Otto (1832-1891) — wynalazca benzynowego silnika 4-suwowego; zaprojektował elek- tryczny zapłon w 1884 r.
1Akademia Nauk Wielkiej Brytanii (Institude of Physics — IOP) w jednym ze swoich raportów stwierdza: Podstawą naszej cywilizacji jest — obok matematyki, informatyki i technologii — fizyka.
Fizykę i nauczanie fizyki wyróżnia to, że: a) rozwijają sprawność intelektualną, zdolności praktyczne i techniczne; b) dostarczają i uczą podstaw niezbędnych dla wszystkich rodzajów nauk technicznych i zastosowań inżynierskich; c) nieustannie formułują podstawowe pytania dotyczące Wszechświata, poszukują zrozumienia układów złożonych, biologicznych i środowisk, w których żyjemy.
Rysunek 2: Od lewej: Wilbur Wright (1867-1917) i Orville Wright (1871-1948), — kon- struktorzy samolotu napędzanego silnikiem spalinowym, pierwszy 12 sekundowy lot 16 XII 1903 wykonał Orville Wright; Sputnik 1 (ros. ”towarzysz podróży”) – pierwszy sztuczny satelita Ziemi, wystrzelony 4 X 1957 r. przez ZSRR.
Rysunek 3: Od lewej: John Bardeen (1908–1991), Walter Hauser Brattain (1902–87), William Shockley (1910–89) — odkrywcy i konstruktorzy tranzystora półprzewodniko- wego; nagroda Nobla w 1956 r.
Rysunek 4: PDP-1 (ang. Programmed Data Processor-1) był pierwszym komputerem Digital Equipment Corporation z serii PDP produkowanym i dostępnym na rynku od 1960 r.; był platformą jednej z pierwszych gier komputerowych, Spacewar Steve’a Rus- sela; po prawej stronie wybuch bomby nuklearnej.
W grupie kluczowych wydarzeń technicznych należy odnotować:
• udoskonalenie silnika parowego przez Jamesa Watta (1775) — patrz rys. 5.,
• uruchomienie masowej produkcji samochodów przez Henry’ego Forda (1903) — patrz rys. 5.,
• oraz skonstruowanie bomb atomowych i termojądrowych (lata 1940-1960) — patrz rys. 4.
Rysunek 5: Od lewej: James Watt (1736-1819) — w 1763 r. udoskonalił silnik paro- wy Thomasa Newcomena; Henry Ford (1863-1947) — zakłada w Detroit w 1903 r.
spółkę Ford Motor Company; twórca technologii linii produkcyjnych do masowej pro- dukcji; wprowadził do produkcji Model T automobilu. Po prawej: jeden z pierwszych egzemplarzy automobilu Modelu T wyprodukowanych przez firmę H. Forda, które zre- wolucjonizowały transport pasażerski.
W rozwoju nauki i techniki wiodącą rolę odgrywały badania podstawowe i odkrycia dokonane przez fizyków takich, jak:
• Galileo Galilei (1564–1642) — patrz rys. 6.,
• Isaac Newton (1645–1727) — patrz rys. 6.,
• Dmitrij Mendelejew (1834–1907) — patrz rys. 7.,
• Ernest Rutherford (1871–1937) — patrz rys. 7.,
• Albert Einstein (1879–1953) — patrz rys. 7.,
• Niels Bohr (1885–1962) — patrz rys. 7.,
• Edwin Powell Hubble (1889–1953) — patrz rys. 8.,
• Werner Heisenberg (1901–76) — patrz rys. 8.,
• Edwin Schr¨odinger (1887-1961) — patrz rys. 8.,
• Enrico Fermi (1901–54) — patrz rys. 8.,
• Richard Feynman (1918–1988) — patrz rys. 9.,
• Maria Skłodowska-Curie — patrz rys. 9.
Rysunek 6: Od lewej: Galileo Galilei (1564–1642); Isaac Newton (1645–1727).
Rysunek 7: Od lewej: Dmitrij Mendelejew (1834–1907); Ernest Rutherford (1871–1937);
Albert Einstein (1879–1953); Niels Bohr (1885–1962).
Rysunek 8: Od lewej: Edwin Schr¨odinger (1887-1961); Enrico Fermi (1901–54); Edwin Powell Hubble (1889–1953); Werner Heisenberg (1901–76).
Rysunek 9: Od lewej: Richard Feynman (1918–1988); Maria Salomea Skłodowska-Curie (1867–1934) – dwukrotna laureatka nagrody Nobla.
Mechanika kwantowa była pierwszą i jest najważniejszą rewolucją naukową XX wie- ku, która utorowała drogę rewolucji w informatyce i biologii molekularnej.
Prace fizyków w zakresie kwantowej fizyki ciała stałego zaowocowały wynalezieniem w 1948 r. tranzystora, którego twórcami byli John Bardeen (1908–1991), Walter Hau- ser Brattain (1902–87), William Shockley (1910–89) — patrz rys. 3. Spowodowało to opracowanie technologii litograficznych, technik produkcji obwodów scalonych, skon- struowanie procesorów oraz mikroprocesorów.
W 2000 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali prekursorzy technologicznej rewolucji informatycznej:
• Zhores Alferov — patrz rys. 10., opracował podstawy fizyczne działania lasera półprzewodnikowego (1963 r.), którego zbudował i uruchomił w 1970 r. na hete- rozłączu GaAs–GaAlAs,
• Herbert Kroemer — patrz rys. 10., twórca inżynierii szczeliny energetycznej. tj.
materiałów półprzewodnikowych ze zmienną szczeliną energetyczną, której po- czątki sięgają roku 1957,
• Jack Kilby — patrz rys. 10., współwynalazca układów scalonych, których kon- cepcja wysunięta została w 1958 roku; obok J. Kilby za współwynalazcę układów scalonych uznawany jest Robert Noyce (zmarł w 1990 roku), który zainicjował ich produkcję w technologii planarnej na bazie krzemu (zamiast germanu).
Dwaj pierwsi zostali uhonorowani za pionierskie prace nad półprzewodnikowymi heterostrukturami stosowanymi obecnie w superszybkich urządzeniach elektronicznych i optoelektronicznych, a J. Kilby za wynalezienie układów scalonych, co zainicjowało, trwający do dzisiaj, proces ich miniaturyzacji; mikroprocesory firm Intel i AMD za- wierają obecnie miliardy tranzystorów upakowanych na powierzchni nie większej od 1 cm2.
Osiągnięcia i prace wyżej wymienionych noblistów stworzyły podstawy fizyczne, na których oparty jest obecny przemysł komputerowy.
Rysunek 10: Od lewej: Zhores Alferov (1930); Herbert Kroemer (1928); Jack Kilby (1923–2005) – laureaci nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w roku 2000.
W roku 2001 Erica Cornella, Wolfganga Ketterle i Carla Wiemana — patrz rys. 11., wyróżniono Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za otrzymanie nowego czysto kwanto- wego stanu materii — kondensatu Bosego-Einsteina i badania nad jego niecodziennymi właściwościami (w bardzo niskich temperaturach atomy metali alkalicznych kondensują w stan kwantowy).
Rysunek 11: Od lewej: Eric Cornell, Wolfgang Ketterle i Carl Wieman — laureaci nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w roku 2003.
Lauretami Nagrody Nobla z fizyki w 2003 r. zostali Aleksy Abrikosov2, Vitalij Gin- zburg oraz Anthony Leggett3, których uhonorowano za pionierski wkład do teorii nad- przewodnictwa i nadciekłości — patrz rys. 12.
2Na zaproszenie prof. Jerzego Czerwonki, ówczesnego dyrektora Instytutu Fizyki, gościł we Wro- cławiu; szerzej pisze o tym J. Czerwonko w broszurze pt. Goście naszego Instytutu (w najweselszym baraku obozu), Oficyna Wydawnicza PWr, 2004
3Na zaproszenie prof. Jerzego Czerwonki, ówczesnego dyrektora Instytutu Fizyki, przebywał miesiąc we Wrocławiu, co opisane jest w ww. broszurze
Rysunek 12: Od lewej: A. Abrikosow, W. Ginzburg oraz A. Leggett — laureaci nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w roku 2001.
Rysunek 13: Albert Fert (po lewej stronie) i Peter Gruenberg.
W roku 2006 Nagrodę Nobla otrzymali Albert Fert (1938) oraz Peter Gruenberg (1939) — patrz rys. 13., w uznaniu ich zasług dotyczących odkrycia zjawiska gigantycz- nego oporu magnetycznego (GMR), skutkiem czego było zainicjowanie badań w nowej dziedzinie fizyki fazy skondensowanej zwanej spintroniką, umożliwiającą przekazywania i zapis informacji za pomocą spinów elektronów4. Zjawisko to odkryto w wielowarstwo- wej strukturze złożonej z dwóch warstw metalicznych będących ferromagnetykami prze- dzielonych bardzo cienką warstwą dielektryka o grubości kilku nanometrów. Namagne- sowanie warstw można łatwo zmieniać zewnetrznym polem magnetycznym. Przepływ prądu w takim układzie napotyka na mały opór, jeśli magnetyzacje warstwy są równo- ległe i wzrasta znacznie, gdy są antyrównoległe. Dzięki zastosowaniu tego zjawiska do zapisu informacji można było zmniejszyć rozmiary komórek pamięci, zwiększyć gęstość
4Oryginalne uzasadnienie miało postać: For their independent discovery of the giant magnetore- sistance phenomenon (GMR), thereby launching a new field of research and applications known as spintronics, which utilizes the spin of the electron to store and transport information.
zapisu informacji, szybkość zapisu i odczytu. Pamięci fleszowe mają wyjątkowe małe rozmiary, są szybkie, stosuje się je powszechnie w aparatach i kamerach cyfrowych.
Postęp w dziedzinie technik opracowanych i używanych w fizyce fazy skondenso- wanej do badania struktury przestrzennej ciał stałych umożliwił opracowanie metod tomografii komputerowej — patrz rys. 14. (stosowanej w medycynie do tworzenia atla- su genów człowieka oraz do obrazowania tkanek i narządów), tomografii pozytonowej (obrazowanie tkanek i narządów za pomocą emisji pozytonów) oraz nieinwazyjnej me- tody obrazowania tkanek i narządów za pomocą rezonansu magnetycznego — patrz 15.
(tzw. rezonans magnetyczny), co było możliwe dzięki osiągnięciom fizyków w dziedzinie magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR).
Rysunek 14: Stanowisko tomografa komputerowego do obrazowania tkanek i narządów ciała człowieka.
Rysunek 15: Stanowisko do obrazowania tkanek i narządów za pomocą rezonansu ma- gnetycznego; po prawej zdjęcia otrzymane metodą obrazowania rezonansem magnetycz- nym.
A. Einstein w latach 1916–17, stworzył podwaliny pod kwantową teorię promienio- wania. Zainicjował nowy ważny kierunek badań podstawowych i technicznych dotyczą-
cy oddziaływania fala elektromagnetycznych z materią. Ich najbardziej spektakularnym skutkiem było skonstruowanie masera w 1958 r. emitującego nowy typ fal elektroma- gnetycznych w zakresie mikrofal (Charles Townes (1915) — patrz rys. 16. i Arthur Schawlow (1921)) — patrz rys. 16., oraz lasera w 1962 r. (Teodor Maiman) — patrz rys. 16., kwantowego generatora nowego rodzaju światła. Wynalazki te przyczyniły się to do rozwoju technik światłowodowych, na których oparta jest globalna telekomunika- cja naziemna oraz sieci komputerowe. Lasery są wykorzystywane w odtwarzaczach płyt kompaktowych, w mikrokomputerach do zapisu i odczytu informacji. Znajdują szerokie zastosowanie w medycynie (okulistyka, diagnostyka, chirurgia, endoskopy, laseroterapia, diagnostyka medyczna).
Rysunek 16: Od lewej: Charles Townes (1915) — laureat Nagrody Nobla z fizyki w roku 1964 za badania w dziedzinie elektroniki kwantowej i wynalezienie masera; Arthur Schawlow (1921–1999) — w 1981 r. wraz z Kai Siegbahnem i Nicolaasem Bloember- genem otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wkład do rozwoju mikroskopii laserowej i elektronowej wysokiej rozdzielczości; Theodore Harold Maiman (1927–2007)
— amerykański fizyk, w 1960 r. skonstruował laser rubinowy — pierwszy działający laser.
Rysunek 17: Od lewej: Shuji Nakamura, dioda półprzewodnikowa emitująca światło niebieskie, laser niebieski.
W ostatniej dekadzie XX wieku dokonano kolejnych spektakularnych osiągnięć w dzie- dzinie elektroniki kwantowej. Pierwsza niebieska dioda zaświeciła w 1993 r. Shuji Naka- mura — patrz rys. 17., skonstruował niebieski laser w 1995 r., emitujący falę o długości
∼ 420 nm=4, 2 · 10−7m. Stworzyło to nowe technologiczne i komercyjne możliwości do znacznego zwiększenie gęstości zapisu informacji na nośnikach optycznych, co znala- zło zastosowanie w nagrywarkach DVD, w produkcji kolorowych dysplejów i drukarek laserowych o dużej rozdzielczości.
Na przełomie wieku XX i XXI dokonano — dzięki pracom Sir Johna Pendrego (1944) i Dawida Smitha (1964) — patrz rys. 18., kolejnego spektakularnego techno- logicznie odkrycia: wytworzono nowy typ materiałów elektromagnetycznych zwanych metamateriałami. Oddziaływują silnie, rezonasowo, zarówno z polem magnetycznym i elektrycznym fali elektromagnetycznej, co odróżnia je od innych materiałów, których ładunki oddziaływują jedynie z polem elektrycznym. Metamateriały wykazują zjawisko ujemnego załamania światła — patrz rys. 18., a płytka płaskorównoległa metamateriału skupia, jak soczewka, fale elektromagnetyczne. Istnieją sugestie, że z metamateriałów można będzie skonstruować:
• nadsoczewkę, za pomocą której można byłoby obrazować szczegóły znacznie mniej- sze o długości fali — patrz rys. 19.,
• peleryny niewidki czyniące obiekt otoczony metamateriałem przeźroczystym, tj.
niewidocznym — patrz rys. 19.
Rysunek 18: Od lewej: J. Pendry i D. Smith oraz zjawisko ujemnego załamania światła;
promień padający i załamany leżą po tej samej stronie normalnej.
Rysunek 19: Rys. z lewej strony pokazuje schematycznie działanie idealnej soczewki;
w środku pole fali elektromagnetycznej wokół peleryny; po prawej stronie artystyczne wizja działania metamaterialnej niewidki.
Nagrodę Nobla z fizyki za rok 2009 otrzymali Charles K. Kao — patrz rys. 20., za przełomowe osiągnięcia dotyczące transmisji światła w światłowodach będących pod- stawą telekomunikacji optycznej — patrz rys. 22 i 23., oraz Willard S. Boyle i George E.
Smith — patrz rys. 20., za opracowanie półprzewodnikowych układów do obrazowania zwanych dzisiaj sensorami lub matrycami CCD — patrz rys. 21. Znalazły one szerokie zastosowanie w aparatach i kamerach cyfrowych. Zrewolucjonizowały fotografię i pro- dukcję filmów. Bez światłowodów nie istaniałby szybki Internet. W Polsce realizowany jest program pt. Światłowód w każdym domu.
Rysunek 20: Charles K. Kao, Willard S. Boyle i George E. Smith.
Rysunek 21: Matryca CCD i matryca CCD do aparatu Nikon D40.
Rysunek 22: Światłowody: konwencjonalne to dwa pierwsze z lewej; kolejne dwa to światłowody fotoniczne.
Rysunek 23: Obwody fotoniczne: łączenie światłowodów.
Począwszy od lat 60-ch XX wieku bardzo dynamicznie rozwija się astrofizyka — dziedzina nauki leżącą na pograniczu fizyki i astronomii, zajmująca się m.in fizycznymi podstawami kosmologii, tj. pochodzenia, struktury i ewolucji Wszechświata.
W 1965 r. amerykańscy astronomowie Arno Allan Penzias (1933) i Robert Woodrow Wilson (1936) — patrz rys. 24., odkryli istnienie promieniowania elektromagnetycznego
— zwanego promieniowaniem tła lub promieniowaniem reliktowym — w zakresie dłu- gości fal od 0,6 mm do 60 cm wypełniającego cały Wszechświat. Promieniowanie to jest pozostałością po wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Obaj otrzymali Nagrodę Nobla w roku 1978.
W 1990 r. został wyniesiony na orbitę przez prom kosmiczny Discovery -kosmiczny Teleskop Hubble’a (Hubble Space Telescope –– HST) – teleskop poruszający się po orbicie okołoziemskiej, nazwany na cześć amerykańskiego astronoma Edwina Hubble’a
— patrz rys. 24. Teleskop ten jest jednym z najefektywniejszych przyrządów w historii astronomii. W 1993 r. wysłano pierwszą misję serwisową (były jeszcze 4), która po- prawiła znacznie jakość wykonywanych zdjęć przez teleskop, który przesyła na Ziemię najdalej sięgające astronomicznie zdjęcia — patrz rys. 25. Będzie działał do 2013 r.
Rysunek 24: Po lewej stronie: Arno Allan Penzias (1933) i (na drugim planie) Robert Woodrow Wilson (1936); po prawej teleskop Hubble’a — obserwatorium kosmiczne.
Rysunek 25: Zdjęcia odległych galaktyk wykonanych z pokładu teleskopu Hubble’a.
Po lewej: Mgławica Oriona; po prawej zdjęcie Galaktyki Sombrero wykonanee z pokła- du satelitarnego obserwatorium Hubble’a; ta spiralna galaktyka leży w gwiazdozbiorze Panny jest częściowo przesłonięta pasem nieświecącej materii, składającym się głównie z pyłu i zimnego gazu wodorowego.
Pierwszym sztucznym satelitą zbudowanym specjalnie do badań kosmologicznych był wystrzelony przez NASA w 1989 r. Cosmic Background Explorer (COBE) — patrz rys. 26.
Kolejnym pojazdem kosmicznym była sonda WMAP — patrz rys. 26. (Wilkinson5 Microwave Anisotropy Probe) wystrzelona w 2001 r., która miała za zadanie wykonanie
5Sonda została nazwana na cześć Dr. Davida Wilkinsona, członka grupy naukowej sondy i pioniera w dziedzinie badania mikrofalowego promieniowania tła.
mapy różnic temperatur mikrofalowego promieniowania tła, powstałego gdy Wszech- świat miał ok. 376 000 lat. Zebrane wyniki potwierdziły model Wielkiego Wybuchu Wszechświata. Nagrodę Nobla za rok 2006 otrzymali John C. Mather i George F. Smoot
— patrz rys. 38 za badania nad anizotropią (niejednorodnością) przestrzenną kosmicz- nego promieniowania tła — patrz rys. 28., co ma fundamentalne znaczenie dla zrozu- mienia początkowych etapów Wielkiego Wybuchu. Pozwoliły one na oszacowanie z dużą dokładnością wieku Wszechświata — patrz rys. 29. oraz proporcji między materią świe- cącą i ciemną.
W 2009 r. Europejskia Agencja Kosmicznej (ESA) zainicjowała przedsięwzięcie pt.
Misja Plancka6wystrzeliwując w przestrzeń kosmiczną satelitę Cosmic Microwave Back- ground (CMB), przeznaczonego do wykonania pomiarów anizotropii kosmicznego mi- krofalowego promieniowania tła z wysoką zdolnością rozdzielczą — patrz rys. 26. Wyni- ki dotyczące anizotropii reprezentuje rys. 28, co pozwoliło opracować graficzną historię Wszechświata — patrz rys. 29.
Rysunek 26: Zdjęcia sond: COBE, WMAP i CMB.
Rysunek 27: John C. Mather, George F. Smoot i Max Planck.
6Nazwa programu została nadana na cześć wybitnego niemieckiego fizyka, Maxa Plancka (1858- 1947) — patrz rys. 38., laureata Nagrody Nobla w 1918 r.
Rysunek 28: Mapy anizotropii promieniowania tła sporządzone na podstawie danych uzyskanych z pokładów sondy COBE i sondy WMAP.
Rysunek 29: Geometryczna interpretacja historii Wszechświata.
Należy zauważyć, że poprawne i efektywne działanie globalnych systemów pozycjo- nowania obiektów na powierzchni Ziemi i w powietrzu (np. GPS) jest możliwe dzięki uwzględnieniu przez projektantów i wykonawców takich układów konsekwencji szcze- gólnej i ogólnej teorii względności — patrz rys. 30.
Rysunek 30: Jeden z satelitów GPS (po lewej stronie) i typowy obiornik sygnałów GPS.
Fizycy mają swój udział w rozwoju lotów kosmicznych, telekomunikacji satelitarnej (poprzez uczestnictwo w programach lotów kosmicznych), telefonii komórkowej oraz urządzeń elektronicznych powszechnego użytku. Fizycy pracujący na amerykańskich uniwersytetach byli w latach 70-ych XX wieku pionierami sieci komputerowych, których obecnym wcieleniem jest globalna sieć komputerowa Internet. Idea WWW, dzięki której w Internecie stały się dostępne multimedia, została zaproponowana wprawdzie przez matematyka Toma Bernersa-Lee’go, ale zrealizowano ją po raz pierwszy w 1991 roku w Europejskim Centrum Badań Jądrowych w Zurichu (CERN) — patrz rys. 31.
Rysunek 31: Toma Berners-Lee i wnętrze LHC.
W związku z trwająca erą nanotechnologii należy jeszcze przypomnieć nagrodę No- bla z 1986 r. którą otrzymali Ernst Ruska — patrz rys. 39., za fundamentalne prace związane z optyką elektronów i konstrukcją pierwszego mikroskopu elektronowego, Gerd Binnig, Heinrich Rohrer — patrz rys. 39., za skonstruowanie skaningowego mikroskopu tunelowego — patrz rys. 33. Ten drugi mikroskop jest dzisiaj podstawowym narzędziem do badań nanotechnologicznych i budowy nanostruktur — patrz rys. 34.
Rysunek 32: Ernst Ruska, Gerd Binnig i Heinrich Rohrer.
Rysunek 33: Dwa przykładowe współczesne skaningowe mikroskopy tunelowe.
Rysunek 34: Nanopalisady (nanozagrody) złożone z atomów położonych na powierzchni za pomocą STM.
W niezwykle dynamicznie rozwijającym się obecnie w tempie wykładniczym — patrz rys. 35., 36. i 37. — przemyśle produkcji komputerów7, już dzisiaj widoczne są granice rozwoju technologii opartych na krzemie oraz dostrzega się konieczność opra- cowania nowych technik i technologii. Dotychczasowe osiągnięcia mechaniki kwanto- wej pozwoliły skonstruować działające urządzenia kryptografii kwantowej (zapewniają przekazywanie informacji, której nie można odszyfrować) i stwarzają realne perspekty- wy konstrukcji nowych komputerów — komputerów kwantowych, których możliwości przewyższają znacznie moce obliczeniowe komputerów klasycznych8.
7Matematycznym wyrazem tego są prawa Moore’a — patrz rys. 37., reff38. i 37. — o postaci N (tk) = N (0)atk, gdzie a > 1, a N (tk) to wartość zmiennej N w chwili czasu tk.
8Nazwy jednostek miar pojemności pamięci oraz ich wartości są podane na końcu opracowania.
Rysunek 35: Po stronie lewej: Wykładniczy wzrost liczby tranzystorów w pojedynczym chipie w latach 1970-2010; prawa część rysunku: Wzrost gęstości upakowania komórek pamięci, tj. wzrost powierzchniowej gęstości komórek pamięci w twardych dyskach; po- dano liczbę Gb przypadających na jeden cal kwadratowy; jeden gigabit Gb = 109bitów, jeden cal kwadratowy ma powierzchnię ' 6, 45 cm2 ' 6, 45 · 10−4m2.
Rysunek 36: Po lewej stronie: Gęstość powierzchniowa tranzystotów w chipie, tj. licz- ba tranzystorów przypadających na jeden mm2; po prawej stronie wzrost wydzialanej mocy energii cieplnej z jednego cm2 chipu; zauważmy, że wraz ze wzrostem gęstości po- wierzchniowej tranzystorów gwałtownie rośnie wydzielane ciepło z jednostki powierzchni chipu, a jego ilość jest tylko o rząd wielkości mniejsza od mocy wydzielanej w reaktorach atomowych i dyszach silników rakietowych!
Rysunek 37: Po lewej stronie: Gordon Earle Moore (1929) — współzałożyciel korpo- racji Intel; po prawej: Wykres wykładniczego wzrostu pojemności twardych dysków w ostatnich latach.
Laureatami Nagrody Nobla z fizyki za rok 2010 są Andre Geim i Konstantin Novo- selov (patrz 38), pracowni naukowi University of Manchester (Wielka Brytania), którą otrzymali w uznaniu ich przełomowych doświadczeń dotyczących dwuwymiarowego gra- fenu (patrz 39).
Rysunek 38: Zdobywcy Nagrody Nobla w 2010 r w dziedzinie fizyki; po lewej stronie A. Geim, po prawej K. Novoselov.
Materiał ten, ze względu na ogromne prędkości elektronów rzędu 106m/s (1/300 prędkości światła!!!), będzie miał spektakularne zastosowania nanotechnologiczne do produkcji m.in. nowej generacji superszybkich procesorów.
Więcej na stronie http://journals.aip.org/Nobel2010.html?track=APLJAPNP10 — re- nomowanego czasopisma naukowego Applied Physics Letters wydawanego przez Ame- rican Institute of Physics.
Rysunek 39: Komputerowe wizje dwuwymiarowego grafenu.
Wspomnieć należy inne znaczące osiągnięcia fizyków, którymi są: wynalezienie ra- dia, telewizji i radaru, zbadanie struktury atomu i rozszczepienie jądra atomowego, odkrycie genu (nośnika informacji genetycznej) i struktury przestrzennej kwasu dezyk- sorybonukleinowego (DNA). Obecne spektakularne osiągnięcia biologii molekularnej, związane z rozszyfrowywaniem genomu człowieka, są także konsekwencją rozwoju fizy- ki kwantowej.
Jesteśmy przekonani, że w przyszłości fizyka będzie przyczyniała się także do rozwo- ju nauki i priorytetowych technologii XXI wieku, do których zaliczamy: mikroelektroni- kę, biotechnologię, inżynierię materiałową i przemysł nowych materiałów, telekomuni- kację, produkcję samolotów pasażerskich i narzędzi mechanicznych, robotykę i przemysł komputerowy (urządzenia i oprogramowanie).
Przytoczone wyżej wybrane przykłady świadczą o tym, że wiedza fizyczna i meto- dologia fizyki stanowią podstawę teoretyczną techniki i technologii będących najważ- niejszymi przejawami rozwoju cywilizacyjnego. Dlatego też fizyka wchodzi do kanonu programu kształcenia w wyższych uczelniach technicznych.
Włodzimierz Salejda Wrocław, 6 października 2010
Wielokrotności bitów
Nazwy dziesiętnych przedrostków, ich symbole oraz wartości dziesiętne w (SI) są podane w kolumnach od 1. do 3. Nazwy binarnych przedrostków, ich symbole oraz wartości w systemie binarnym, zgodne z konwencją (IEC 60027-2), są podane w kolumnach od 4. do 6.
Nazwa Symbol Mnożnik Nazwa Symbol Mnożnik kilobit kb 103=10001 kibibit Kib 210=10241 megabit Mb 106=10002 mebibit Mib 220=10242 gigabit Gb 109=10003 gibibit Gib 230=10243 terabit Tb 1012=10004 tebibit Tib 240=10244 petabit Pb 1015=10005 pebibit Pib 250=10245 eksabit Eb 1018=10006 eksbibit Eib 260=10246 zettabit Zb 1021=10007 zebibit Zib 270=10247 jottabit Yb 1024=10008 jobibit Yib 280=10248
