Содержание сайта =>>
Содержание подборки |
«Наука и жизнь» 1999 г.,
№ 11,
№ 12,
НАУКА. ВЕСТИ С ПЕРЕДНЕГО КРАЯ
КАКИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ И АСТРОФИЗИКИ ПРЕДСТАВЛЯЮТСЯ СЕЙЧАС,
Академик В. ГИНЗБУРГ
Почти 30 лет назад академик В. Л. Гинзбург опубликовал статью «Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными?» («Наука и жизнь» № 2, 1971 г.) с перечнем наиболее актуальных вопросов современной физики. Прошло десять лет, и на страницах журнала появился его «Рассказ о некоторых проблемах современной физики…» («Наука и жизнь» № 4, 1982 г.).
Просмотрев старые журнальные публикации, легко убедиться, что все проблемы, на которые возлагались большие надежды,
За истекшие годы в физике появилось много нового. Были открыты гигантские углеродные молекулы – фуллерены, зарегистрированы мощнейшие гамма-всплески, приходящие из космоса, синтезированы высокотемпературные сверхпроводники. В Дубне получен элемент со 114 протонами и 184 нейтронами в ядре, речь о котором шла в статье 1971 года. Все эти и многие другие крайне интересные и перспективные направления современной физики заняли достойное место в новом «списке». Сегодня, на пороге III тысячелетия, академик В. Л. Гинзбург ещё раз возвращается к волнующей его теме. Большая обзорная статья, посвященная проблемам современной физики на рубеже тысячелетия, с подробными комментариями ко всем пунктам «списка» напечатана в журнале «Успехи физических наук» № 4 за 1999 год. Мы публикуем её вариант, подготовленный для читателей «Науки и жизни». Статья значительно сокращена там, где приводятся рассуждения и выкладки, предназначенные для физиков-профессионалов, но, возможно, непонятные большинству наших читателей. Одновременно те положения, которые очевидны читателям журнала УФН, но недостаточно хорошо знакомы широкой аудитории, пояснены и расширены. Многие проблемы, перечисленные в «списке», были отражены в публикациях журнала «Наука и жизнь». Редакция даёт на них ссылки в тексте статьи. |
|
ВВЕДЕНИЕ
Темп и скорость развития науки в наше время поражают. Буквально в продолжении одной-двух человеческих жизней произошли
гигантские изменения в физике, астрономии, биологии, да и во многих других областях. Например, мне было 16 лет,
когда в 1932 г. были открыты нейтрон и позитрон. А ведь до этого были известны только электрон, протон
и фотон.
Так или иначе можно надеяться на то, что в ХХI веке наука будет развиваться не менее быстро, чем в уходящем XX столетии. Трудность на этом пути, быть может, даже главная трудность, как мне кажется, связана с гигантским увеличением накопленного материала, объёма информации. Физика так разрослась и дифференцировалась, что за деревьями трудно видеть лес, трудно иметь перед мысленным взором картину современной физики как целого. Поэтому и возникла настоятельная потребность свести основные её вопросы воедино.
Речь идёт о составлении некоторого списка проблем, представляющихся в данное время наиболее важными и интересными. Эти
проблемы должны в первую очередь обсуждаться или комментироваться в специальных лекциях или статьях. Формула «всё об
одном и
Нужно ли подчёркивать, что выделение «особенно важных и интересных» вопросов ни в какой мере не эквивалентно
объявлению других физических вопросов неважными или неинтересными? «Особенно важные» проблемы выделяются не тем, что
другие не важны, а тем, что на обсуждаемый период времени находятся в фокусе внимания, в
СПИСОК «ОСОБЕННО ВАЖНЫХ И ИНТЕРЕСНЫХ ПРОБЛЕМ» 1999 г.
Как говорится в известной английской поговорке: «Чтобы узнать, каков пудинг, – нужно его съесть». Поэтому перейду к делу и предъявлю «список», о котором упоминалось.
1. | Управляемый ядерный синтез.* |
2. | Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость. * |
3. | Металлический водород. Другие экзотические вещества. |
4. | Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты). * |
5. | Некоторые вопросы физики твёрдого тела (гетероструктура в полупроводниках, переходы металл – диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика). |
6. | Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах. * |
7. | Физика поверхности. |
8. | Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики. |
9. | Фуллерены. * |
10. | Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях. * |
11. | Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы. |
12. | Сверхмощные лазеры, разеры, гразеры. |
13. | Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра. * |
14. | Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. * |
15. | Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W± и Z0 бозоны. Лептоны. * |
16. | Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи. * |
17. | Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры. * |
18. | Несохранение |
19. | Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме. |
20. | Струны. |
21. | Экспериментальная проверка общей теории относительности. * |
22. | Гравитационные волны, их детектирование. * |
23. |
Космологическая проблема. Инфляция. |
24. | Нейтронные звёзды и пульсары. Сверхновые звёзды. * |
25. | Чёрные дыры. Космические струны. * |
26. | Квазары и ядра галактик. Образование галактик. * |
27. | Проблема тёмной материи (скрытой массы) и её детектирования. * |
28. | Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией. * |
29. | Гамма-всплески. Гиперновые. * |
30. | Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции. * |
* Примечание. Звёздочками* отмечены проблемы, в той или иной степени нашедшие отражение на страницах журнала. |
Несомненно, любой «список» не догма,
МАКРОФИЗИКА
Проблема управляемого ядерного синтеза (номер 1 в «списке») всё ещё не решена, хотя ей исполнилось уже 50 лет. Работа в этом направлении началась в СССР в 1950 г. А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм рассказали мне об идее магнитного термоядерного реактора, и я был рад заняться этой проблемой, ибо в разработке водородной бомбы мне тогда делать уже практически было нечего. Работа эта считалась сверхсекретной (гриф «Строго секретно, особая папка»). Кстати сказать, я тогда и долгое время впоследствии думал, что интерес к термояду был в СССР обусловлен желанием создать неиссякаемый источник энергии. Однако, как мне уже в недавнее время рассказал И. Н. Головин, термоядерный реактор интересовал «кого надо» в основном вовсе по другой причине: как источник нейтронов для производства трития. Так или иначе проект считался столь секретным и важным, что меня (то ли в конце 1951 г., то ли в начале 1952 г.) от неё отстранили: просто-напросто перестали выдавать в первом отделе рабочие тетради и собственные отчёты по этой работе. Такова была вершина моей «спецдеятельности». К счастью, через несколько лет И. В. Курчатов и его коллеги поняли, что проблему термояда быстро решить нельзя, и в 1956 г. она была рассекречена.
За границей работы над термоядом начинались примерно в тот же период также в основном как закрытые, и их
рассекречивание в СССР (совершенно нетривиальное решение для нашей страны по тем временам) сыграло большую
положительную роль: решение проблемы стало объектом международных конференций и сотрудничества. Но вот прошло уже
45 лет, а работающий (дающий энергию) термоядерный реактор не создан, и, вероятно, до этого момента придется
ждать ещё лет десять, а может быть, и больше. Работа над термоядерным синтезом ведётся во всем мире и довольно широким
фронтом. Особенно хорошо разработана система токамак (см. «Наука и жизнь» № 3, 1973 г.). Уже несколько лет
осуществляется международный проект ITER (International Termonuclear Experimental Reactor). Это гигантский токамак
стоимостью около 10 миллиардов долларов, который предполагалось построить к 2005 г. в качестве прообраза
термоядерного реактора будущего. Однако сейчас, когда конструирование в основном закончено, возникли трудности
финансового характера. Кроме того, некоторые физики считают целесообразным обдумывать альтернативные конструкции и
проекты меньшего масштаба, например так называемые стеллараторы. В общем, сомнений в возможности создать реальный
термоядерный реактор уже нет, и центр тяжести проблемы, насколько я понимаю, переместился в инженерную и экономическую
области. Однако столь гигантская и уникальная установка, как ITER или
Что касается альтернативных путей синтеза лёгких ядер для получения энергии, то надежды на возможности «холодного термояда» (например, в электролитических элементах) оставлены. Существуют также проекты использования ускорителей с различными ухищрениями, и, наконец, возможен инерциальный ядерный синтез, например «лазерный термояд». Суть его состоит в следующем. Стеклянную ампулу с очень небольшим количеством смеси дейтерия с тритием со всех сторон облучают мощными лазерными импульсами. Ампула испаряется, а световое давление сжимает её содержимое настолько, что в смеси «зажигается» термоядерная реакция. Обычно она проходит со взрывом, эквивалентным порядка 100 кг тротила. Строятся гигантские установки, но о них мало известно в силу засекреченности: на них, видимо, надеются имитировать термоядерные взрывы. Так или иначе проблема инерциального синтеза явно важна и интересна.
Проблема 2 – высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость (кратко ВТСП и КТСП).
Человеку, далёкому от физики твёрдого тела, может показаться, что проблему ВТСП пора из «списка» выбросить, ведь в
Металлический водород (проблема 3) ещё не создан даже под давлением около трёх миллионов
атмосфер (речь идёт о низкой температуре). Однако исследование молекулярного водорода под большим давлением выявило у
него целый ряд неожиданных и интересных особенностей. При сжатии ударными волнами и температуре около 3000 K
водород,
Схема международного экспериментального
Напряжённость тороидального поля направлена по кругу, вдоль оси камеры, |
Схема стелларатора, предназначенного для удержания плазмы в системе тороидальных обмоток сложной конфигурации:
|
При высоком давлении обнаружены также своеобразные особенности у воды и ряда других веществ. К числу «экзотических» веществ можно отнести фуллерены. Совсем недавно кроме «обычного» фуллерена C60 начали исследовать C36, который может обладать очень высокой температурой сверхпроводящего перехода при допировании – «встраивании» атомов другого элемента в кристаллическую решётку или молекулу.
Нобелевская премия по физике за 1998 г. присуждена за открытие и объяснение дробного квантового эффекта Холла – проблема 4 (см. «Наука и жизнь» № 1, 1999 г.,
Проблема 5 (некоторые вопросы физики твёрдого тела) сейчас буквально безбрежна. Я лишь
наметил возможные темы и, если бы читал лекцию, остановился бы на гетероструктурах (включая «квантовые точки») и на
мезоскопике. Твёрдые тела долгое время считались
В отношении проблемы 6 (фазовые переходы и т. д.) можно сказать следующее.
Открытие низкотемпературных сверхтекучих
Темы 7 и 8 весьма широки, поэтому трудно выделить
О фуллеренах (проблема 9) уже вскользь упоминалось, и вместе с углеродными нанотрубками эта область находится в цвету (см. «Наука и жизнь» № 11, 1993 г.).
О веществе в сверхсильных магнитных полях (конкретно, в коре нейтронных звезд), а также о моделировании
соответствующих эффектов в полупроводниках (проблема 10) нет ничего нового. Подобное замечание
не должно обескураживать или вызывать вопрос: зачем же тогда помещать эти проблемы в «список»?
В отношении нелинейной физики (проблемы 11 в «списке») ситуация иная. Материала очень
много, и в сумме нелинейной физике посвящено до
Недаром XX век иногда называли не только атомным, но и лазерным веком. Совершенствование лазеров и расширение области их применения идут полным ходом. Но проблема 12 – это не лазеры вообще, а прежде всего сверхмощные лазеры. Так, уже достигнута интенсивность (плотность мощности) лазерного излучения
Проблема 13 – из области ядерной физики. Она очень велика, поэтому я выделил только два вопроса.
МИКРОФИЗИКА
Проблемы с 14 по 20 относятся к области, которую правильнее всего,
Другая важная задача – поиски суперсимметричных частиц. В 1956 г. было открыто несохранение
пространственной чётности (P) при слабых взаимодействиях – мир оказался несимметричным, «правое»
неэквивалентно «левому». Однако эксперименты показывали, что все взаимодействия инвариантны относительно
О массе нейтрино, упоминаемой в числе прочих «разделов» проблемы 16, будет сказано ниже при обсуждении проблемы 30 (нейтринная физика и астрономия). Остановимся на проблеме 17 и более конкретно на фундаментальной длине.
Теоретические расчёты показывают, что до расстояний
Её физический смысл заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться, в частности, общей теорией относительности (ОТО). Здесь нужно использовать квантовую теорию гравитации, ещё не созданную в сколько-нибудь законченной форме. Итак, lg – явно некоторая фундаментальная длина, ограничивающая классические представления о пространстве-времени. Но можно ли утверждать, что эти представления не «отказывают» ещё раньше, при некоторой lf, которая на целых 16 порядков больше lg?
«Атака на длину» ведется с двух сторон. Со стороны сравнительно низких энергий – это строительство новых
ускорителей на встречных пучках (коллайдеров), и в первую очередь уже упомянутого LHC, на энергию 14 ТэВ, что
отвечает длине
В физике элементарных частиц довольно широко оперируют энергиями
E0 = 1016 эВ, в ещё не завершенной теории
«великого объединения» – объединения электрослабого и сильного взаимодействий. Длина
В отношении совокупности проблем 19 (вакуум и сверхсильные магнитные поля) можно
утверждать, что они очень актуальны. Еще в 1920 г. Эйнштейн заметил:
Проблема 20 – струны и
Теоретическая физика ещё не может ответить на целый ряд вопросов, например: как построить квантовую теорию гравитации
и объединить её с теорией других взаимодействий; почему существует,
В квантовой механике и в квантовой теории поля элементарные частицы считаются точечными. В теории суперструн
элементарные частицы – это колебания одномерных объектов (струн), имеющих характерные
Теория суперструн пока не привела к каким-либо физическим результатам, и в их отношении можно упомянуть главным образом о «физнадеждах», как любил говорить Л. Д. Ландау, а не о результатах. Но что называть результатами? Ведь математические построения и обнаружение различных свойств симметрии тоже результаты. Это не помешало физикам, исследующим струны, применять к теории струн и не слишком скромную терминологию – «теория всего».
Стоящие перед теоретической физикой задачи и вопросы, о которых идёт речь, крайне сложны и глубоки, и сколько ещё
потребуется времени, чтобы найти ответы, неизвестно. Чувствуется, что теория суперструн – это нечто глубокое и
развивающееся. Сами её авторы претендуют на понимание лишь некоторых предельных случаев и говорят только о намёках на
некоторую более общую теорию, которую называют
Электроны окружают атомное ядро из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны «сделаны» из разных пар
|
В центре галактики находится потенциальная яма, в которую стекает огромное количество вещества. Постепенно из него возникают звёздные скопления, образующие яркие галактические ядра. Когда эти скопления коллапсируют, образуется чёрная дыра. |
АСТРОФИЗИКА
К астрофизике несколько условно можно отнести
По последним данным, для отклонения радиоволн Солнцем отношение наблюдаемой величины к вычисленной согласно ОТО
составляет
В астрофизике отклонение лучей в поле тяжести всё шире используется при наблюдении линзирования как галактиками
(они отклоняют свет и радиоволны квазаров и других галактик), так и звёздами (микролинзирование более удаленных
звёзд). Речь при этом идёт не о проверке ОТО (точность измерений сравнительно невелика), а об её использовании. Эффект
линзирования был рассмотрен Хвольсоном в 1924 г. и Эйнштейном в 1936 г. Возникающий при
линзировании характерный конус называют конусом Эйнштейна или Эйнштейна-Хвольсона.
Существенной проверкой ОТО стало исследование двойного пульсара
Упомянутая работа не оставляет сомнений в существовании гравитационных волн. Но имеется другая проблема (она фигурирует под номером 22) – приём гравитационных волн, приходящих из Космоса (см. «Наука и жизнь» № 8, 1989 г.). Задача технически очень сложна, для её решения строятся гигантские установки. Так, система LIGO (Laser interferometr gravitationalwave observatory, США) состоит из двух далеко разнесённых «антенн» длиной 4 км каждая. В ней можно будет заметить смещения зеркал под действием приходящей гравитационной волны на 10–16 см и меньшие. В ближайшие годы LIGO и аналогичные установки, строящиеся в Европе, вступят в строй, положив начало гравитационно-волновой астрономии.
Радиоастрономия родилась в 1931 г., а начала интенсивно развиваться после 1945 г. Галактическая рентгеновская астрономия возникла в 1962 г. Гамма-астрономия и нейтринная астрономия ещё моложе. С развитием гравитационно-волновой астрономии будет освоен последний известный «канал» получения астрофизической информации. Как и в других случаях, весьма важны будут совместные измерения в различных «каналах», например, одновременно в нейтринном, гравитационно-волновом и гамма-диапазонах при исследовании образования сверхмассивных чёрных дыр.
Проблемы, указанные под номером 23, пожалуй, самые главные в астрофизике. Сюда отнесена и
космология, которая привлекала к себе внимание всегда – ведь системы Птолемея и Коперника тоже были
космологическими теориями. В XX веке она создавалась в работах Эйнштейна (1917 г.), Фридмана (1922 и
1924 гг.), Леметра (1927 г.) и многих других. Но до конца
Модель развития Мира, созданная в 1981 г., утверждает, что на самых ранних этапах эволюции Вселенной её расширение шло несравненно быстрее, чем в фридмановских моделях («раздувание», или инфляция, которая происходит лишь на временном интервале 10–35 с вблизи сингулярности). Важнейшим параметром этой изотропной и однородной модели служит плотность «материи» ρ или, что удобнее, отношение этой плотности Ω = ρ/ρп, где ρп – плотность, отвечающая предельной модели, в которой пространство евклидово и расширение происходит неограниченно долго.
Одна из основных, а может быть, и главная задача космологии – определение величины Ω. Если
Ω > 1, расширение Вселенной прекратится и сменится сжатием. Если Ω < 1 –
модель открытая, т. е. расширение безгранично. Простейшая модель с Ω = 1, как уже упоминалось,
открытая с евклидовой пространственной метрикой. Важный результат, известный уже довольно давно, заключается в том,
что в Ω вносит вклад не только «обычное» вещество, но ещё
В 1917 г. Эйнштейн, обратившись к космологической проблеме в рамках ОТО, рассмотрел модель стационарной
Вселенной. При этом он пришёл к заключению, что решение существует только в случае использования уравнений ОТО с
Однако работы Фридмана 1922 г. показали, что Вселенная неминуемо должна либо расширяться, либо сжиматься, и было
обнаружено (условно в 1929 г.) расширение Вселенной. Стало ясно, что стационарная модель не имеет отношения
к реальности, и необходимость в
Видимо, впервые о «вакуумной материи» заговорили только в 1965 г. Очевидно, что
где Ω b – отвечает вкладу барионов (и, конечно, электронов), Ωd – учитывает тёмную материю (dark matter) и ΩΛ – вклад «вакуумной энергии».
Согласно наблюдениям, приводятся такие оценки:
Ранняя Вселенная оказалась тесно связанной с физикой элементарных частиц очень высоких энергий, о достижении которых в
земных условиях не приходится и говорить. Даже на ускорителе LHC будет получена энергия в
1,4·104 ГэВ, в то время как в космических лучах зафиксирована энергия до
3·1011 ГэВ, планковская энергия составляет 1019 ГэВ, а в
теории «великого объединения» фигурируют энергии до 1016 ГэВ (частицы массой
Обращаясь к проблеме 24 (нейтронные звёзды и пульсары, сверхновые звёзды), заметим, что гипотеза
о существовании нейтронных звёзд, насколько известно, была высказана в 1934 г., поскольку нейтрон был
обнаружен лишь в 1932 г. Вначале казалось, что нейтронные звёзды (характерный радиус 10 км)
наблюдать невозможно. Но с созданием рентгеновской астрономии (1962 г.) появилась надежда, что их удастся
заметить. Сейчас даже одиночные нейтронные звёзды, не говоря уже о двойных, действительно изучаются в рентгеновских
лучах. Однако ещё до этого в
Известно около 1000 пульсаров с периодом вращения и, следовательно, повторения радиоимпульсов от
Гамма-вспышка,
Нейтронные звёзды, как радиоизлучающие (пульсары), так и все остальные (одиночные и в двойных системах,
магнетары), – интересные и необычные физические объекты. Их плотность лежит в пределах
По-видимому, основной канал образования нейтронных звезд – вспышки сверхновых. Нам повезло: в 1987 г. сравнительно близко от нас (в Большом Магеллановом Облаке, на расстоянии около 60 килопарсек) вспыхнула сверхновая SN 1987A. Повезло потому, что предыдущая сверхновая, наблюдавшаяся невооруженным глазом, вспыхнула в Галактике в 1604 г. (сверхновая Кеплера). Знаменитая Крабовидная туманность образовалась от сверхновой 1054 г.; внутри неё находится пульсар PSR 0531, излучающий даже в гамма-диапазоне. Нейтринное излучение впервые зарегистрировано от сверхновой SN 1987A. Кинетическая энергия оболочки этой сверхновой Eк ~ 1051 эрг, а энерговыделение в нейтрино порядка 3·1053 эрг (эквивалентная энергия Солнца E = Mc2 – около 3·1054 эрг). Сказанное ясно свидетельствует о том, сколь интересна и содержательна проблема 24.
Чёрные дыры и особенно космические струны – ещё значительно более экзотические объекты, чем нейтронные звёзды.
Космические струны (не следует, конечно, их путать с суперструнами – см. «Наука и жизнь» № 8,
1998 г.) – это некоторые (не единственно возможные) топологические «дефекты», способные возникать при
фазовых переходах в ранней Вселенной (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 1996 г.). Они представляют собой
нити космических масштабов толщиной порядка
Совсем иначе дело обстоит с чёрными дырами – они остаются важнейшими астрономическими и физическими объектами. Несмотря на то, что «схватить чёрную дыру за руку» очень трудно, в их существовании и в их большой космической роли сегодня невозможно сомневаться. Любопытно, что чёрные дыры в некотором смысле были предсказаны ещё в конце XVIII века Митчеллом и Лапласом. Они задались вопросом, возможен ли объект (звезда) со столь сильным полем тяготения на расстоянии rg , что свет от него уйти не может. В рамках ньютоновской механики и представления о свете, как о корпускулах с некоторой массой m, закон сохранения энергии при радиальном движении корпускулы со скоростью c имеет вид
(предполагается равенство инертной и тяжёлой масс, r0 – радиус звезды с массой M ). Если r0 < rg , свет от звезды не уйдёт.
В рамках ОТО образование покоящейся (невращающейся) чёрной дыры было впервые рассмотрено только в 1939 г. В астрофизику чёрные дыры «вошли» лишь в
Наблюдаются или, если быть очень осторожными, по всей вероятности, наблюдаются чёрные дыры двух типов – со
звёздными массами менее ста солнечных (M☼ ) и гигантские дыры в
галактиках и квазарах
Чёрная дыра сама по себе ничего не излучает, но может быть видна за счёт излучения из области, где находится падающее на неё или вращающееся вокруг неё вещество (аккреционный диск). В нашей Галактике обнаружено уже довольно много чёрных дыр, гигантские чёрные дыры находятся в ядрах галактик и квазаров. В центре любой галактики имеется потенциальная яма, куда стекает вещество, оно может образовывать звёздные скопления, из которых в конце концов почти наверняка возникнет чёрная дыра. Различить их можно по движению звёзд вблизи ядра. Если мы имеем дело с чёрной дырой, то даже при массе 109 M☼ она сосредоточена в радиусе, который по масштабам галактики ничтожен: 3·1014 cм (астрономическая единица – расстояние от Земли до Солнца – равна 1,5·1013 см). Поэтому, если было бы можно проследить движение звёзд вблизи ядра, сразу всё стало бы ясно. Но подобное невозможно даже для нашей Галактики, центр которой находится от Солнца на расстоянии около 8 кпс = 2,4·1022 см. Тем не менее, используя радиоинтерферометр, удалось убедиться, что источник её излучения имеет размер порядка астрономической единицы. Оптические наблюдения показали, что движение звёзд вблизи галактического центра происходит вокруг массы размером меньше световой недели – 2·1016 см. В результате создаётся уверенность, что в центре Галактики находится именно чёрная дыра массой более двух с половиной миллионов масс Солнца и в 10 раз меньшая его по размерам.
Помимо упомянутых чёрных дыр возможно существование реликтовых
Крабовидная туманность – остатки. |
Вспышка гиперновой. Правый снимок сделан на 45 минут позже левого. При вспышке за несколько секунд светимость звезды превысила солнечную в десять квадриллионов (1016 )раз, и наблюдался мощнейший всплеск гамма-излучения. |
По сути дела, уже была затронута и проблема 26, точнее, вопрос о квазарах и ядрах галактик. В теоретическом плане он состоит в анализе динамики неоднородностей плотности в расширяющейся Вселенной. На некотором этапе они сильно возрастают и в конце концов образуют галактики и их скопления. Аналогична в некотором смысле и проблема синтеза химических элементов в ходе расширения Вселенной.
Остановимся на проблеме 27 – вопросе о тёмной материи, история которой восходит к 1940 г. Количество светящейся материи определяется по наблюдениям в основном в видимом свете. Полное же количество гравитирующей материи сказывается на динамике – движении звёзд в галактиках и галактик в скоплениях. Проще всего динамика проявляется при определении траекторий вращения звёзд в спиральных галактиках, в частности в нашей Галактике.
Метод оценки динамики звёзд можно пояснить на школьном уровне. Рассмотрим движение звезды с массой М по круговой орбите вокруг сферически симметричного скопления масс. Очевидно, должно иметь место равенство
|
где v – скорость звезды, r – радиус её орбиты относительно галактического центра и M0 (r ) – масса Галактики, сосредоточенная внутри области с радиусом r. Тогда при r > r0
|
Так вот, наблюдения свидетельствуют, что вращение звёзд происходит по траекториям, которые не описываются законом
Вне всяких сомнений, установлено, что во Вселенной имеется несветящаяся материя, проявляющая себя в гравитационном
взаимодействии. Тёмная материя распределена неравномерно, но присутствует везде – и в галактиках, и в
межгалактическом пространстве. Так возник один из важнейших и, я бы сказал, острейших вопросов современной
астрономии – какова природа тёмной материи (dark matter), часто именовавшейся скрытой массой? Проще всего
предположить, что речь идёт о нейтральном водороде, сильно ионизованном (и поэтому слабо светящемся) газе,
планетах, слабо светящихся звёздах – коричневых карликах, нейтронных звёздах или, наконец, чёрных дырах. Однако
все эти предположения опровергаются наблюдениями. Например, нейтральный водород фиксируется радио-астрономическим
методом, горячий газ – по рентгеновскому излучению, нейтронные звёзды и чёрные дыры тоже заметны, хотя и с
трудом. Нелегко наблюдать коричневые карлики (brown dwarfs) – звёзды со столь малыми массами, что они очень слабо
светятся. Однако они обнаружены и, по всей вероятности, не вносят существенного вклада в тёмную материю. Анализ всех
этих вопросов непрост, но установившееся мнение таково: тёмная материя имеет в основном небарионную природу, то есть
не состоит из нуклонов. Наиболее естественный кандидат – нейтрино. Однако этот вариант, скорее всего, не
проходит:
На стенках японской установки для регистрации нейтрино смонтировано тринадцать тысяч датчиков. |
Происхождение космических лучей – потоков заряженных частиц, открытых в 1912 г., много лет оставалось
загадочным. Но сейчас можно не сомневаться в том, что основные их источники – сверхновые звёзды. Вообще, в
отношении лучей с энергией менее
Перейдём к проблеме 29 – к гамма-всплескам. В конце
Осталось обсудить
С самого начала было ясно, что масса электронного нейтрино mνe очень мала по
сравнению с массой электрона и, возможно, равна нулю. После открытия мюонного и тау-нейтрино
(νμ и ντ ) то же самое можно было сказать и о них. Однако ещё
в
Изучение осцилляций открывает, в принципе, возможности для непосредственного измерения
mνμ и mντ. Речь идёт о предположении, что нейтрино одних
типов при распространении в пространстве-времени постепенно превращаются в нейтрино других типов. Нейтринные
осцилляции ищут уже 30 лет и в 1998 г. достигли вполне определенного успеха – обнаружили превращение
νμ в ντ (см. «Наука и жизнь» № 12, 1998 г.,
Солнце и звёзды, как известно, излучают за счёт происходящих в их недрах ядерных реакций и, следовательно, должны испускать нейтрино с энергией порядка 10 МэВ. Наблюдения за ними ведутся прежде всего путём использования реакции
|
Атомы аргона в ёмкости с жидкостью, содержащей хлор, выделяются химическим путём. Наблюдаемый поток нейтрино меньше
вычисленного, грубо говоря, раза
Нейтринная астрономия – это не только солнечная астрономия: уже упоминался приём нейтрино при вспышке сверхновой SN 1987A. Сверхновые в Галактике вспыхивают в среднем примерно раз в 30 лет, но вспышка может произойти в любой момент. И, если нам повезёт и вблизи (в Галактике или в Магеллановых Облаках) вспыхнет ещё одна сверхновая, будет получен богатый материал. Особо нужно упомянуть задачу детектирования реликтовых нейтрино с малыми энергиями, быть может, вносящими вклад в тёмную материю. Наконец, буквально «на выходе» находится нейтринная астрономия высоких энергий (Eν > 1012 эВ) – для их детектирования строится ряд установок. Будут наконец производиться одновременные наблюдения во всех электромагнитных диапазонах и на гравитационно-волновых антеннах. В общем, перспективы самые впечатляющие.
Протон p, поглощая электронное антинейтрино, превращается в |
Комментарии к «списку» в основном закончены, и тем больше оснований вернуться к замечанию, сделанному в начале статьи. Прошло только 69 лет с тех пор, как Паули с не свойственной ему робостью в письме, адресованном некоему физическому конгрессу, высказал мысль о существовании нейтрино. А сегодня мы имеем целые области физики и астрономии, посвященные нейтрино. При таких темпах трудно предвидеть даже в грубых чертах, что же будет представлять собой физика лет через сто.
ЕЩЕ О ТРЁХ «ВЕЛИКИХ» ПРОБЛЕМАХ
Для полноты картины хочу упомянуть ещё о трёх проблемах, которые остались за пределами изложенного. В то же время преподавание физики и обсуждение её состояния и путей развития не могут и не должны обойти вниманием эти направления, три «великие» проблемы.
Во-первых, речь идёт о возрастании энтропии, необратимости и «стреле времени».
Л. Д. Ландау отличался большой ясностью понимания физики, во всяком случае того, что уже «устоялось». В этой связи особенно ценно его замечание: «Вопрос о физических основаниях закона монотонного возрастания энтропии остаётся, таким образом, открытым». Обнаружение в 1964 г. несохранения чётности, т. е. необратимости времени, явно имеет отношение к делу, но всё ещё недостаточно исследовано и осознано, ясности здесь пока нет.
Атомы углерода могут образовывать не только сферические молекулы, но и трубки нанометрового диаметра, состоящие из миллионов атомов: C1000000 |
В отношении квантовой механики ситуация иная. Большинство физиков, видимо, считают, что так называемая ортодоксальная, или копенгагенская, интерпретация квантовой механики последовательна и удовлетворительна. Ландау часто говорил примерно следующее: «Всё, в общем, ясно, но возможны каверзные вопросы, на которые ответить может только Бор». Сейчас эта проблематика снова широко представлена в серьёзной литературе. Частично современный интерес к основам квантовой механики связан с новыми экспериментами, главным образом оптическими. Все эти эксперименты свидетельствуют о полной справедливости и, можно сказать, торжестве квантовой механики. Вместе с тем они выявили те черты теории, которые давно и хорошо известны, но не кажутся наглядными. Обсуждение основ квантовой механики сохраняет известную актуальность, и не следует ими пренебрегать. Сказанное особенно ясно, если, например, учесть, что в конце 1998 г. достаточно серьёзный журнал опубликовал статью, в которой «наиболее глубоким открытием в науке» провозглашались работы Д. Белла. Фактически Белл был (и остался до своей смерти в 1990 г.) не удовлетворён ортодоксальной интерпретацией квантовой механики (см. «Наука и жизнь» № 12, 1995 г.). Однако последующие эксперименты полностью подтвердили квантовую механику в значительной мере вопреки его устремлениям. Значительную, если не подавляющую часть критиков квантовой механики не устраивает вероятностный характер части её предсказаний. Они хотели бы, видимо, вернуться к классическому детерминизму и, образно говоря, узнать, куда именно попадёт каждый электрон в известных дифракционных опытах. Сейчас надеяться на это нет никаких оснований.
Создание теории относительности и квантовой механики привело к пониманию области применимости классической
(ньютоновской) механики. Но сама эта механика осталась непоколебимой. Обобщение существующей релятивистской квантовой
теории (быть может, на пути, намечаемом в теории струн) вряд ли может
Последняя «великая» проблема, которая будет здесь затронута, касается связи физики с биологией. С конца
XIX века и примерно до
Я же пишу о биологии по двум причинам.
Мы полагаем, что знаем, из чего устроено всё живое: из электронов, атомов и молекул. Знаем строение атомов и молекул,
а также управляющие ими и их излучением законы. Поэтому естественна гипотеза о редукции – возможности всё живое
объяснить на основе уже известной физики. Основными остаются вопросы о происхождении жизни и появлении сознания
(мышления). Образование в условиях, царивших на Земле несколько миллиардов лет назад, сложных органических молекул уже
прослежено, понято и смоделировано. Казалось бы, переход от таких молекул и их комплексов к простейшим организмам, к
их воспроизводству можно себе представить. Но здесь имеется
Об этом будущем нельзя не думать с завистью – сколь много важного и интересного мы узнаем даже в ближайшие лет десять! Позволю себе сделать на этот счёт несколько замечаний.
Космический телескоп «Хаббл», выведенный на орбиту в 1990 году, имеет зеркало диаметром 2,4 метра. |
Крупнейший российский телескоп САО (Зеленчук) с шестиметровым зеркалом. |
ПОПЫТКА ПРОГНОЗА НА БУДУЩЕЕ
В связи с прогнозами на будущее чаще всего можно встретить фразу: прогнозы – дело неблагодарное. Имеется, очевидно, в виду тот факт, что действительность богаче нашего воображения, и прогнозы часто оказываются ошибочными. Более существенно то, что наиболее интересны непредсказанные, неожиданные открытия. Их, естественно, нельзя прогнозировать, и тем самым ценность прогнозов кажется особенно сомнительной. Тем не менее попытки предвидеть будущее представляются разумными, если не придавать им слишком большого значения. Так я и поступлю, закончив некоторым прогнозом, касающимся только проблем, упомянутых выше.
Решение о начале сооружения гигантского токамака ИТЭР стоимостью в 10, а то и в 20 миллиардов долларов
отсрочено на три года. Думаю, что этот проект вообще осуществляться не будет, но исследования в области термоядерного
синтеза не прекращены, разрабатываются альтернативные системы и проекты. Сомнений в самой возможности построить
действующий коммерческий реактор сейчас нет. А будущее этого направления определяется в основном экономическими и
экологическими соображениями. В любом случае через
Как уже было упомянуто, проблемой высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) начали заниматься в 1964 г. Тогда максимальная критическая температура равнялась 23 K, сейчас для ВТСП Tc. max = 164 K, т. е. температура сверхпроводимости возросла в 7 раз. Чтобы добраться до комнатной температуры (КТСП), достаточно её повысить «всего» в 2 раза. Поэтому, если исходить из «кухонных» соображений, возможность достижения КТСП представляется вероятной. Я думаю, что КТСП будет получена в не столь уж отдаленном будущем – может быть, завтра, а быть может, и через десятилетия.
Помню времена, когда создание металлического водорода казалось «делом техники». Конечно, и сегодня можно так сказать, но достигнутые статические давления около 3 млн. атмосфер для получения металлической фазы оказались недостаточными. Как существенно повысить давление, если не будут открыты новые материалы, более прочные, чем алмаз, не известно (мне во всяком случае). Динамическое сжатие приводит к нагреву, и, как его избежать, неясно. Моё интуитивное суждение таково: трудности удастся преодолеть сравнительно скоро, однако надежды получить «кусок» металлического водорода представляются совершенно нереальными.
В отношении всех остальных проблем 4 – 13 ясно, что будет происходить интенсивное развитие, выяснится много интересного. Сюрприз могут преподнести фуллерен C36 и соединения типа K3 C36, если в них будет наблюдаться ВТСП. Перспективно исследование и применение нанотрубок. Возможно, будут получены долгоживущие трансурановые ядра.
К макрофизике нужно отнести и проблему шаровой молнии, которую я не стал включать в «список». В существовании шаровой молнии сомневаться не приходится, и вопрос о её природе обсуждается с давних времён (см. «Наука и жизнь» № 2, 1978 г.; № 5, 1979 г.; № 2, 1982 г.). Предложено много моделей и гипотез, но пресловутого консенсуса нет (см. «Наука и жизнь» № 9, 1992 г.). Думаю, что природа шаровой молнии будет выяснена лишь после создания этих объектов в лаборатории при контроле всех условий и параметров. Такие попытки неоднократно предпринимались, и утверждалось, что шаровые молнии были рождены. Но, видимо, все эти заявления не выдержали проверки.
В области физики элементарных частиц в последние два десятилетия наблюдается явный спад. Вероятно, это в
значительной мере связано с отсутствием ускорителя нового поколения. Но в 2005 г. вступит в строй LHC, а до этого
другие существующие, но реконструируемые ускорители. Поэтому можно ожидать открытия скалярного хиггс-бозона или даже
нескольких «хиггсов». Если такая частица не будет обнаружена (а в это
Несмотря на то, что самый передний фронт физики – физика элементарных частиц перестала быть «царицей наук»,
исследования в этой области ведутся в больших масштабах и в разнообразных направлениях. Несомненно, будущее принесет
нам много нового и в этой области. Необходимо, однако, выделить «вопрос вопросов» – квантовую гравитацию и её
объединение (суперобъединение) с другими взаимодействиями (сильным и электрослабым). На нечто подобное претендует
теория суперструн. Тем не менее ни о какой законченной «теории всего» нет и речи. Быть может, теория суперструн –
это вообще не тот путь, по которому будет развиваться теория, но можно ли считать подобные замечания
Перейду к тому, что в «списке» было отнесено, и иногда несколько условно, к астрофизике.
Экспериментальная проверка ОТО в слабых и сильных полях продолжается и будет продолжаться. Самым интересным было бы,
конечно, обнаружить хотя бы малейшие отклонения от ОТО в неквантовой области. Мне кажется, что в неквантовой области
ОТО не нуждается ни в какой коррекции (впрочем, могут понадобиться
С самого начала XXI века развернётся приём гравитационных волн на ряде строящихся установок, в первую
очередь на LIGO в США. Прежде всего,
С космологией в той или иной мере связана вся внегалактическая астрономия, развивающаяся бурными темпами. Уже
введены в строй новые светосильные телескопы. Например, диаметр зеркал двух телескопов на Гавайских островах 10 м
(вступили в строй в 1992 и 1996 гг.), в то время как у знаменитого Паломарского телескопа, начавшего работать
в 1950 г., диаметр зеркала 5 м; российский телескоп в Зеленчуке имеет зеркало диаметром 6 м
(работает с 1976 г.). Очень эффективен и внеземной телескоп «Хаббл» (запущен в 1990 г., диаметр
зеркала 2,4 м). Строятся всё новые телескопы для различных диапазонов – от рентгеновских до радиоволн.
Особо можно упомянуть спутники – гамма-обсерватории и установки для приёма космических нейтрино (их можно назвать
нейтринными телескопами). В результате гигантской по масштабу работы на всех этих установках, несомненно, уже в
начале XXI века будет наконец уточнено значение постоянной Хаббла и определены параметры
Ω b, Ωd и ΩΛ (см. стр. 9 {см. выше}). Тем
самым станет наконец ясной космологическая модель, по крайней мере, на стадии после образования реликтового излучения.
Выясняется роль
Поскольку природа тёмной материи сейчас совершенно не ясна, решение этой проблемы следует считать самым важным в астрономии, если не касаться основных вопросов космологии: квантовой области вблизи классической сингулярности; нашей Вселенной как части более разветвлённой и, возможно, бесконечной системы.
В отношении проблемы 28 – происхождения космических лучей экстремально высокой энергии – имеется принципиальная неясность. Ситуация аналогична природе тёмной материи, и, может быть, оба вопроса связаны. То же можно сказать о гамма-всплесках и нейтринной астрономии. Изучение гамма-всплесков выяснит, вероятно, немало интересного, но трудно ожидать большей сенсации, чем само открытие гиперновых. Вступили и скоро вступят в строй новые установки для изучения нейтрино. Поэтому можно ожидать в ближайшем будущем решения вопроса о солнечных нейтрино, выяснится и роль нейтринных осцилляций. Должны вступить в строй нейтринные «телескопы» для детектирования нейтрино с высокими энергиями.
Подводя итог, можно констатировать прекрасные перспективы развития почти во всех обсуждавшихся направлениях. Думаю,
что в пределах
Новые, очень тонкие эксперименты по проверке соотношений неопределенностей, пресловутой телепортации (см. «Наука и
жизнь» № 5, 1998 г.) и т. п. ни в коей мере не выходят за пределы известной теории. Предсказать,
«куда попадет» электрон в дифракционных опытах, мы,
Закончив статью, ясно вижу некоторые её недостатки. Несомненно, широта охвата материала обернулась поверхностностью изложения и, вероятно, некоторым верхоглядством. За всё приходится платить. Но слишком ли велика цена – судить читателям. Однако те или иные недостатки не могут дискредитировать саму идею статьи. Тех, кто с ней согласен, призываю сделать лучше то, что мне не удалось. Наконец, последнее замечание.
На основании всего изложенного ясно, что в ближайшие годы и тем более в первой половине XXI века можно ожидать очень много нового, важного и интересного. Довольно пессимистические прогнозы в отношении развития физики и астрофизики в обозримое время представляются плодом недостаточной информированности, некомпетентности или просто недоразумения. Думаю, что лет через десять будет вполне уместно написать новую статью с аналогичным названием, посмотреть, что сбылось, что не сбылось и как нужно изменить «список», убрав устаревшее и добавив новое. Надеюсь, найдется физик, который это сделает, а «Наука и жизнь» предоставит для соответствующей статьи свои страницы.
От составителя подборки:
Web-ссылки в текст статьи добавлены составителем; выделены курсивом и заключены в фигурные скобки.