Эврика! Дом творческих и вдумчивых людей
Добро пожаловать на первый в Латвии мультитематический и межвузовский научный портал!

Сделать стартовой
Добавить в избранное
Контакты
 
   Главная      Эврика      Библиотека      Досуг      Контакты     БДС  

Библиотека : Научно-популярные статьи : Физика





В.Л. Гинзбург

Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас, на пороге XXI века, особенно важными и интересными?

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, по-прежнему актуальны (кроме разве что загадки "аномальной воды", которая будоражила умы в 70-х годах, но оказалась ошибкой эксперимента). Это говорит о том, что "генеральное направление" развития физики было обозначено верно. 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 еще 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 ее 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 дает на них ссылки в тексте статьи.

Действительный член Российской академии наук, член редакционного совета журнала "Наука и жизнь" с 1961 года Виталий Лазаревич Гинзбург

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. Как-то нелегко осознать, что электрон, рентгеновские лучи и радиоактивность открыты только около ста лет назад, а квантовая теория зародилась только в 1900 г. Полезно вспомнить и то, что первые великие физики: Аристотель (384-322 гг. до н.э.) и Архимед (около 287-212 гг. до н.э.) отделены от нас более чем двумя тысячелетиями. Но в дальнейшем наука прогрессировала сравнительно медленно, и не последнюю роль здесь играл религиозный догматизм. Лишь со времен Галилея (1564-1642) и Кеплера (1571-1630) физика стала развиваться все ускоряющимися темпами. Какой путь пройден с тех пор всего за 300-400 лет! Его итог - известная нам современная наука. Она уже освободилась от религиозных пут, и церковь сегодня по крайней мере не отрицает роль науки. Правда, антинаучные настроения и распространение лженауки (в частности, астрологии) и в наши дни имеют место, в частности в России.

Так или иначе можно надеяться на то, что в ХХI веке наука будет развиваться не менее быстро, чем в уходящем ХХ столетии. Трудность на этом пути, быть может, даже главная трудность, как мне кажется, связана с гигантским увеличением накопленного материала, объема 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 ее вопросы воедино.

Речь идет 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 "все об одном и кое-что обо всем" весьма привлекательна, но нереальна - за всем не угонишься. Вместе с тем некоторые темы, вопросы, проблемы как-то выделены по различным причинам. Здесь может быть их важность для судеб человечества (выражаясь высокопарно) вроде проблемы управляемого ядерного синтеза с целью получения энергии. Выделены, конечно, и вопросы, касающиеся самого фундамента физики, ее переднего фронта (эта область часто именуется физикой элементарных частиц). Несомненно, особое внимание привлекают и некоторые вопросы астрономии, которую сейчас, как и во времена Галилея, Кеплера и Ньютона, трудно (да и не нужно) отделять от физики. Вот такой список (разумеется, меняющийся со временем) и составляет некий "физический минимум". Это темы, о которых каждый грамотный человек должен иметь некоторое представление, знать, пусть и весьма поверхностно, о чем идет речь.

Нужно ли подчеркивать, 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 какой-то мере на главных направлениях. Завтра эти проблемы могут оказаться уже в тылу, на смену им придут другие. Выбор проблем, конечно, субъективен, возможны и нужны различные взгляды на этот счет.

Список "особенно важныхи 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 твердого 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 Zо 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 СР-инвариантности.

19.Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме.

20.Струны. М-теория.

21.Экспериментальная проверка общей теории относительности.

22.Гравитационные волны, их детектирование.

23.Космологическая проблема. Инфляция. L-член. Связь между космологией и физикой высоких энергий.

24.Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды.

25.Черные дыры. Космические струны.

26.Квазары и ядра галактик. Образование галактик.

27.Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирования.

28.Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией.

29. Гамма-всплески. Гиперновые.

30.Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции.

Несомненно, любой "список" не догма, что-то можно выбросить, что-то дополнить в зависимости от интересов исследователей и ситуации в науке. Самый тяжелый t-кварк был обнаружен лишь в 1994 г. (его масса, по данным на 1999 г., 176 + 6 ГэВ). В статьях 1971-1982 гг. нет, естественно,фуллеренов, открытых в 1985 г., нет гамма-всплесков (первое упоминание об их обнаружении опубликовано в 1973 г.). Высокотемпературные сверхпроводники синтезированы в 1986-1987 гг., но тем не менее в 1971 г. эта проблема рассматривалась довольно подробно, ибо она обсуждается в 1964 г. Вообще за 30 лет в физике сделано немало, но, по моему мнению, не так уж и много появилось существенно нового. Во всяком случае, все три "списка" в какой-то мере характеризуют развитие и состояние физической и астрофизической проблематики с 1970 г. и по настоящее время.

Макрофизика

Проблема управляемого ядерного синтеза (номер 1 в "списке") все еще 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 нее отстранили: просто-напросто перестали выдавать в первом отделе рабочие тетради и собственные отчеты 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 еще лет десять, а может быть, и больше. Работа над термоядерным синтезом ведется во всем мире и довольно широким фронтом. Особенно хорошо разработана система токамак. 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 какая-то конкурирующая с ней, сохраняет, конечно, свой интерес и для физики.

Что касается альтернативных путей синтеза легких 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 ее 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, далекому от физики твердого тела, может показаться, что проблему ВТСП пора из "списка" выбросить, ведь в 1986-1987 гг. такие материалы были созданы. Не пора ли перевести их в категорию огромного числа других веществ, изучаемых физиками и химиками? На деле это совершенно не так. Достаточно сказать, что механизм сверхпроводимости в купратах (соединениях меди) остается неясным (наивысшая температура Тc= 135 К достигнута для HgBa2Ca2Cu3O8+xбез давления; под довольно большим давлением для него уже Tc= 164 К). Нет сомнений, у меня во всяком случае, что очень существенную роль играет электронно-фононное взаимодействие с сильной связью, но этого мало, нужно еще "что-то". В общем, вопрос открыт, несмотря на огромные усилия, затраченные на изучение ВТСП (за 10 лет на эту тему появилось около 50 тысяч публикаций). Но главное здесь, конечно, - возможность создания КТСП. Она ничему не противоречит, но и быть уверенным в успехе нельзя.

Металлический водород (проблема 3) еще не создан даже под давлением около трех миллионов атмосфер (речь идет 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 К водород, по-видимому, переходит в хорошо проводящую жидкую фазу.

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 С60 начали исследовать С36, который может обладать очень высокой температурой сверхпроводящего перехода при допировании - "встраивании" атомов другого элемента в кристаллическую решетку или молекулу.

Нобелевская премия по физике за 1998 г. присуждена за открытие и объяснение дробного квантового эффекта Холла - проблема 4. Кстати сказать, за открытие целочисленного квантового холл-эффекта тоже была присуждена Нобелевская премия (в 1985 г.). Дробный квантовый холл-эффект был открыт в 1982 г. (целочисленный обнаружен в 1980 г.); он наблюдается при протекании тока в двумерном электронном "газе" (вернее, в жидкости, ибо там взаимодействие между электронами существенно, особенно для дробного эффекта). Неожиданная и очень интересная особенность дробного квантового холл-эффекта - существование квазичастиц с зарядами e* = (1/3)e, где e- заряд электрона, и другой величины. Нужно отметить, что двумерный электронный газ (или, вообще говоря, жидкость) интересен и в других случаях.

Проблема 5 (некоторые вопросы физики твердого тела) сейчас буквально безбрежна. Я лишь наметил возможные темы и, если бы читал лекцию, остановился бы на гетероструктурах (включая "квантовые точки") и на мезоскопике. Твердые тела долгое время считались чем-то единым и целым. Однако сравнительно недавно выяснилось, что в твердом теле существуют области с различным химическим составом и физическими свойствами, разделенные резко очерченными границами. Такие системы и называются гетерогенными. Это приводит к тому, что, скажем, твердость или электрическое сопротивление одного конкретного образца резко отличается от усредненных значений, измеренных у их набора; поверхность кристалла имеет свойства, отличные от его внутренней части и т. д. Совокупность подобных явлений называется мезоскопикой. Исследования мезоскопических явлений чрезвычайно важны для создания тонкопленочных полупроводниковых материалов, высокотемпературных сверхпроводников и т. д.

В отношении проблемы 6 (фазовые переходы и т. д.) можно сказать следующее. Открытие низкотемпературных сверхтекучих фаз Не-3 отмечено Нобелевской премией по физике за 1996 г. Особое внимание за последние три года привлекает к себе бозе-эйнштейновс кая конденсация (БЭК) в газах. Это, несомненно, очень интересные работы, но "бум", который они вызвали, по моему мнению, в значительной мере связан с незнанием истории. Еще в 1925 г. Эйнштейн обратил внимание на БЭК, но длительное время ею пренебрегали и иногда даже сомневались в ее реальности. Но эти времена давно прошли, особенно после 1938 г., когда Ф. Лондон связал БЭК со сверхтекучестью Не-4. Разумеется, гелий II- жидкость, и БЭК в нем проявляется, так сказать, не в чистом виде. Стремление наблюдать ее в разреженном газе вполне понятно и оправдано, но несерьезно видеть в ней открытие чего-то неожиданного и принципиально нового. Другое дело, что осуществление БЭК в газах Rb, Na, Li, наконец, Hв 1995 г. и позже - очень большое достижение экспериментальной физики. Оно стало возможно только в результате развития методов охлаждения газов до сверхнизких температур и удержания их в ловушках (за это, кстати, была присуждена Нобелевская премия по физике за 1997 г.). Осуществление БЭК в газах повлекло за собой поток теоретических работ и статей. В бозе-эйнштейновском конденсате атомы находятся в когерентном состоянии и можно наблюдать интерференционные явления, что привело к появлению понятия "атомный лазер".

Темы 7 и 8 весьма широки, поэтому трудно выделить что-то новое и важное. Разве что хочется отметить повышенный и вполне оправданный интерес к кластерам из различных атомов и молекул (речь идет об образованиях, содержащих небольшое число частиц). Весьма любопытны исследования жидких кристаллов и сегнетоэлектриков (или, по английской терминологии, ферроэлектриков). Привлекает к себе внимание также изучение тонких сегнетоэлектрических пленок.

О фуллеренах (проблема 9) уже вскользь упоминалось, и вместе с углеродными нанотрубками эта область находится в цвету.

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"? Во-первых, они, на мой взгляд, имеют некую прелесть для физика; а во-вторых, понимание важности вопроса вовсе не обязательно связано с достаточным знакомством с его состоянием на сегодняшний день. Ведь "программа" как раз и имеет целью стимулировать интерес и побудить специалистов освещать состояние проблемы в доступных статьях и лекциях.

В отношении нелинейной физики (проблемы 11 в "списке") ситуация иная. Материала очень много, и в сумме нелинейной физике посвящено до 10-20% всех научных публикаций.

Недаром ХХ век иногда называли не только атомным, но и лазерным веком. Совершенство вание 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 1020 - 1021 Вт•см-2. При такой интенсивности напряженность электрического поля достигает 1012 В•см-1, оно на два порядка сильнее поля протона на основном уровне атома водорода. Магнитное поле при этом достигает 109 - 1010 эрстед. Использование очень коротких импульсов длительностью до 10-15 с (т. е. до фемтосекунды) открывает целый ряд возможностей, в частности, для получения рентгеновских импульсов длительностью в аттосекунды (10-18 с). Родственная проблема - создание и использование разеров и гразеров - аналогов лазеров в рентгеновском и гамма-диапазонах соответственно.

Проблема 13 - из области ядерной физики. Она очень велика, поэтому я выделил только два вопроса. Во-первых, это далекие трансурановые элементы в связи с надеждами на то, что отдельные их изотопы живут долго (в качестве такого изотопа указывалось на ядро с числом протонов Z= 114 и нейтронов N= 184, т. е. с массовым числом A= Z+ N= 298). Известные трансурановые элементы с Z< 114 живут лишь секунды или доли секунды. Существование в космических лучах долгоживущих (речь идет о миллионах лет) трансурановых ядер пока подтверждено не было. В начале 1999 г. появилось сообщение, что в Дубне синтезирован 114-й элемент с массовым числом 289, живущий около 30 секунд. Поэтому возникла надежда, что элемент действительно окажется очень долгоживущим. Во-вторых, под "экзотическими" ядрами подразумеваются также гипотетические ядра из нуклонов и антинуклонов повышенной плотности, не говоря уже о ядрах несферической формы и с некоторыми другими особенностями. Сюда же примыкает проблема кварковой материи и кварк-глюонной плазмы, получение которой планируется в начале XXIвека.

Микрофизика

Проблемы с 14 по 20 относятся к области, которую правильнее всего, по-видимому, называть физикой элементарных частиц. Одно время, правда, это название как-то стало редко употребляться, поскольку устарело. На определенном этапе элементарными считались, в частности, нуклоны и мезоны. Сейчас же известно, что они состоят (правда, в несколько условном смысле), из кварков и антикварков, которые, возможно, тоже "состоят" из каких-то частиц - преонов и т. д. Однако для подобных гипотез пока нет никаких оснований, а "матрешка" - деление вещества на все более "мелкие" части - должна когда-то исчерпаться. Так или иначе на сегодняшний день мы считаем неделимыми и в этом смысле элементарными кварки - их, не считая антикварки, 6 типов, которые называются "ароматами" (flowers): u (up), d (down), c (charm), s (strangeness), t (top) и b (bottom), а также электрон, позитрон и ряд других частиц. Одна из самых актуальных задач физики элементарных частиц - поиски и, как все надеются, обнаружение хиггса - бозона Хиггса. По оценкам, его масса меньше 1000 ГэВ, но, скорее, даже меньше 200 ГэВ. Поиски ведутся и будут вестись на ускорителях в ЦЕРНе и Фермилабе. Главная же надежда физики высоких энергий - ускоритель LHC(Large Hadron Colleider), строящийся в ЦЕРНе. В нем будет достигнута энергия в 14 ТэВ (1012 эВ), но только, видимо, в 2005 г.

Другая важная задача - поиски суперсимметричных частиц. В 1956 г. было открыто несохранение пространственной четности (P) при слабых взаимодействиях - мир оказался несимметричным, "правое" неэквивалентно "левому". Однако эксперименты показывали, что все взаимодействия инвариантны относительно CP-сопряжения, то есть при замене правого на левое с одновременной сменой частицы на античастицу. В 1964 г. был обнаружен распад К-мезона, который свидетельствовал, что и CP-инвариантность нарушается (в 1980 г. это открытие было отмечено Нобелевской премией). Процессы с несохранением CP-инвариантности очень редки. Пока обнаружена только еще одна такая реакция, а другая под вопросом. Реакция распада протона, на которую возлагались некоторые надежды, не зарегистрирована, что, впрочем, неудивительно: среднее время жизни протона 1,6•1033 года. Возникает вопрос: а станет ли сохраняться инвариантность при замене времени tна -t? Этот фундаментальный вопрос имеет важное значение для объяснения не-обратимости физических процессов. Природа процессов с CP-несохранением неясна, их исследования продолжаются.

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 расчеты показывают, что до расстояний lf= 10-17 см (чаще, правда, указывают 10-16 см) и времен tf= lf/c" 10-27 с cуществующие пространственно-временные представления справедливы. А что происходит в меньших масштабах? Такой вопрос в сочетании с имевшимися затруднениями теории и привел к гипотезе о существовании некоторой фундаментальной длины и времени, при которых вступает в строй "новая физика" и какие-то необычные пространственно-временные представления ("зернистое пространство-время" и т. п.). С другой стороны, в физике известна и играет важную роль еще одна фундаментальная длина - так называемая планковская, или гравитационная, длина lg= 10-33 см.

Ее физический смысл заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользовать ся, в частности, общей теорией относительности (ОТО). Здесь нужно использовать квантовую теорию гравитации, еще 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" еще раньше, при некоторой lf, которая на целых 16 порядков меньше 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 l= ћc/Ec= 1,4.10-18 см. В космических лучах зарегистрированы частицы с максимальной энергией Е = 3.1020 эВ. Однако и таких частиц крайне мало, и непосредственно использовать их в физике высоких энергий невозможно. Длины, сопоставимые с lg, фигурируют лишь в космологии (и в принципе внутри черных дыр).

В физике элементарных частиц довольно широко оперируют энергиями Ео = 1016 эВ, в еще не завершенной теории "великого объединения" - объединения электрослабого и сильного взаимодействий. Длина lо= =ћc/Eо = 10-30 см, и все же она на три порядка больше lg. Что происходит в области между lои lg, по-видимому, сказать совсем трудно. Быть может, здесь и притаилась какая-то фундаментальная длина lf, такая, что lg< lf< lo?

В отношении совокупности проблем 19 (вакуум и сверхсильные магнитные поля) можно утверждать, что они очень акутальны. Еще в 1920 г. Эйнштейн заметил: "... общая теория относительности наделяет пространство физическими свойствами, таким образом, в этом смысле эфир существует..." Квантовая теория "наделила пространство" еще виртуальными парами, различными фермионами и нулевыми колебаниями электромагнитного и других полей.

Проблема 20 - струны и М-теория. Это, можно сказать, фронтовое направление в теоретической физике на сегодняшний день. Кстати, вместо термина "струны" часто употребляют название "суперструны", во-первых, чтобы не было путаницы с космическими струнами (проблема 25), и, во-вторых, чтобы подчеркнуть использование представления о суперсимметрии. В суперсимметричной теории каждой частице отвечает партнер с другой статистикой, например, фотону (бозону со спином единица) отвечает фотино (фермион со спином 1/2) и т. д. Нужно сразу отметить, что суперсимметричные партнеры (частицы) еще не обнаружены. Их масса, по-видимому, не меньше 100-1000 ГэВ. Поиски этих частиц - одна из основных задач экспериментальной физики высоких энергий.

Теоретическая физика еще не может ответить на целый ряд вопросов, например: как построить квантовую теорию гравитации и объединить ее с теорией других взаимодействий; почему существует, по-видимому, только шесть типов кварков и шесть типов лептонов; почему масса нейтрино очень мала; как определить из теории постоянную тонкой структуры 1/137 и ряд других постоянных и т. д. Другими словами, сколь ни грандиозны и впечатляющи достижения физики, нерешенных фундаментальных проблем предостаточно. Теория суперструн еще не ответила на подобные вопросы, но обещает успехи в нужном направлении.

В квантовой механике и в квантовой теории поля элементарные частицы считаются точечными. В теории суперструн элементарные частицы - это колебания одномерных объектов (струн), имеющих характерные размеры 10-33 см. Струны могут быть конечной длины или в виде колечек. Их рассматривают не в четырехмерном ("обычном") пространстве, а в пространствах, скажем, с 10-ю или 11-ю измерениями.

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 идет речь, крайне сложны и глубоки, и сколько еще потребуется времени, чтобы найти ответы, неизвестно. Чувствуется, что теория суперструн - это нечто глубокое и развивающееся. Сами ее авторы претендуют на понимание лишь некоторых предельных случаев и говорят только о намеках на некоторую более общую теорию, которую называют М-теорией, то есть магической или мистической.

Астрофизика

К астрофизике несколько условно можно отнести проблемы 21-30. В особенности это относится к вопросу об экспериментальной проверке ОТО - общей теории относительности, простейшей релятивистской теории супергравитации (проблема 21). Она с успехом началась в 1919 г. и продолжается до сих пор.

По последним данным, для отклонения радиоволн Солнцем отношение наблюдаемой величины к вычисленной согласно ОТО составляет 0,99997 +0,00016. Такое же отношение для поворота перигелия Меркурия равно 1,000 +001. Таким образом, наблюдения, проведенные в слабом гравитационном поле с погрешностью до сотой доли процента, никаких отклонений от ОТО не обнаружили. Дальнейшая проверка вряд ли принесет что-то новое, а эксперименты очень сложны. Тем не менее проекты на этот счет имеются и будут, по-видимому, осуществляться. Особо стоит вопрос о проверке принципа эквивалентности (равенства инерционной и гравитационной масс); его справедливость подтверждена с точностью 10-12, но это не новый результат.

В астрофизике отклонение лучей в поле тяжести все шире используется при наблюдении линзирования как галактиками (они отклоняют свет и радиоволны квазаров и других галактик), так и звездами (микролинзирование более удаленных звезд). Речь при этом идет не о проверке ОТО (точность измерений сравнительно невелика), а об ее 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. Когда-то наблюдать гравитационные линзы считалось практически невозможным, однако в 1979 г. было обнаружено линзирование одного из квазаров. В настоящее время наблюдение линзирования и микролинзирования - довольно широко используемый астрономический метод.

По-настоящему актуальна проверка ОТО в сильных полях - вблизи нейтронных звезд и черных дыр. Так, недавно предложен метод проверки ОТО по колебаниям излучения двойной звезды, одна из компонент которой нейтронная. Хотя черные дыры и были предсказаны ОТО, нельзя утверждать, что их обнаружение подтверждает именно ОТО, а не другие, отличающиеся от нее релятивистские теории гравитации.

Существенной проверкой ОТО стало исследование двойного пульсара PSR1916+16. Оно показало, что потеря энергии нейтронными звездами, образующими двойную систему, находится в полном согласии с ОТО при учете гравитационного излучения (его интенсивность была вычислена Эйнштейном в 1918 г.). За эту работу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1993 год.

Упомянутая работа не оставляет сомнений в существовании гравитационных волн. Но имеется другая проблема (она фигурирует под номером 22) - прием гравитационных волн, приходящих из Космоса. Задача технически очень сложна, для ее решения строятся гигантские установки. Так, система LIGO (Laser interferometеr gravitational wave observatory, США) состоит из двух далеко разнесенных "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 LIGOи 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 еще 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 черных 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 ХХ веке она создавалась в работах Эйнштейна (1917 г.), Фридмана (1922 и 1924 гг.), Леметра (1927 г.) и многих других. Но до конца 40-х годов все наблюдения, существенные с космологической точки зрения, велись в оптическом диапазоне. Поэтому открыт был лишь закон красного смещения, и тем самым установлено расширение Метагалактики (работы Хаббла обычно датируются 1929 годом, хотя красное смещение наблюдалось и ранее, и не только Хабблом). Космологическое красное смещение справедливо связали с релятивистской моделью расширяющейся Вселенной Фридмана, но энергичное развитие космологии началось только после того, как в 1965 г. было открыто реликтовое излучение с температурой 2,7 К.

Модель развития Мира, созданная в 1981 г., утверждает, что на самых ранних этапах эволюции Вселенной ее 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" rили, что удобнее, отношение этой плотности W= r/rп, где rп- 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 W. Если W> 1, расширение Вселенной прекратится и сменится сжатием. Если W< 1 - модель открытая, т.е. расширение безгранично. Простейшая модель с W= 1, как уже упоминалось, открытая с евклидовой пространственной метрикой. Важный результат, известный уже довольно давно, заключается в том, что в Wвносит вклад не только "обычное" вещество, но еще что-то, что не проявляется в свечении звезд и газа. Это "что-то" называют скрытой или темной массой, речь о которой пойдет ниже. Но, по-видимому, немаловажную роль играет еще и некоторая "вакуумная материя", связанная с так называемым L-членом.

В 1917 г. Эйнштейн, обратившись к космологической проблеме в рамках ОТО, рассмотрел модель стационарной Вселенной. При этом он пришел к заключению, что решение существует только в случае использования уравнений ОТО с L-членом, физический смысл которого - некоторое отталкивание, отсутствующее в ньютоновской теории тяготения.

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 L-члене отпала.

Видимо, впервые о "вакуумной материи" заговорили только в 1965 г. Очевидно, что L-член играл решающую роль на инфляционной стадии, когда он был очень велик. Сейчас он очень мал, но вроде бы нет никаких оснований считать его равным нулю в нашу эпоху. Так или иначе в настоящее время параметр записывают в форме:

W = Wb + Wd+ WL,

где Wb- отвечает вкладу барионов (и, конечно, электронов), Wd- учитывает темную материю (darkmatter) и WL- вклад "вакуумной энергии".

Согласно наблюдениям, приводятся такие оценки: Wb~ 0,03 + 0,015, т. е. барионов мало. Для темной материи Wd~ 0,3 + 0,1), и, значит, если W= 1, то WL~ 0,7 + 0,1. Результаты пока совершенно ненадежны, но тем не менее вклад "вакуумной материи" весьма заметен, это буквально "новый эфир", находящийся, разумеется, в полном согласии с теорией относительности. В ближайшие годы можно с уверенностью ожидать новых успехов в области космологии.

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 10-8 г). Эта область служит ареной интенсивных теоретических исследований.

Обращаясь к проблеме 24 (нейтронные звезды и пульсары, сверхновые звезды), заметим, что гипотеза о существовании нейтронных звезд, насколько известно, была высказана в 1934 г., поскольку нейтрон был обнаружен лишь в 1932 г. Вначале казалось, что нейтронные звезды (характерный радиус 10 км) наблюдать невозможно. Но с созданием рентгеновской астрономии (1962 г.) появилась надежда, что их удастся заметить. Сейчас даже одиночные нейтронные звезды, не говоря уже о двойных, действительно изучаются в рентгеновских лучах. Однако еще до этого в 1967-1968 гг. было открыто радиоизлучение нейтронных звезд - пульсаров.

Известно около 1000 пульсаров с периодом вращения и, следовательно, повторения радиоимпульсов от 1,56.10-3 с до 4,3 с. Нельзя не поразиться такой звезде с массой, близкой к массе Солнца, и радиусом около 10 км, делающей 640 оборотов в секунду! У миллисекундных пульсаров магнитное поле на поверхности составляет 108-109 эрстед, а у большинства пульсаров с периодом 0,1-1 с доходит до 1012 эрстед. Кстати, существование столь сильных магнитных полей само по себе важное открытие. В последнее время обнаружены нейтронные звезды с еще более сильными полями (магнетары), достигающими, по оценкам, 1015-1016 эрстед. Радиоизлучения они не испускают, но наблюдаются в мягких гамма-лучах.

Гамма-вспышка, по-видимому, такого магнетара зафиксирована 27 августа 1998 года. Возвращаясь к пульсарам, нужно отметить, что создание теории их излучения оказалось твердым орешком, но в целом она построена.

Нейтронные звезды, как радиоизлучающие (пульсары), так и все остальные (одиночные и в двойных системах, магнетары), - интересные и необычные физические объекты. Их плотность лежит в пределах от 1011 г.см-3 на поверхности до 1015 г.см-3 в центре (плотность атомных ядер около 3.1014 г.см-3). Внешняя кора нейтронной звезды, разумеется, состоит из атомных ядер, а не нейтронов. В литературе обсуждается также возможность существования звезд типа нейтронных, но состоящих из странных кварков и множество других вопросов, касающихся недр звезды, ее коры и магнитосферы.

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 SN1987A. 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 нее находится пульсар PSR0531, излучающий даже в гамма-диапазоне. Нейтринное излучение впервые зарегистрировано от сверхновой SN1987A. Кинетическая энергия оболочки этой сверхновой Ек~1051 эрг, а энерговыделение в нейтрино порядка 3.1053 эрг (эквивалентная энергия Солнца Е = Мс2 - около 3.1054 эрг). Сказанное ясно свидетельствует о том, сколь интересна и содержательна проблема 24.

25. Черные дыры и особенно космические струны - еще значительно более экзотические объекты, чем нейтронные звезды. Космические струны - это некоторые (не единственно возможные) топологические "дефекты", способные возникать при фазовых переходах в ранней Вселенной. Они представляют собой нити космических масштабов толщиной порядка 10-29 - 10-30 см, способные замкнуться в кольца. Космические струны еще не наблюдались, даже "кандидаты" на эту роль пока не известны.

Совсем иначе дело обстоит с черными дырами - они остаются важнейшими астрономическими и физическими объектами. Несмотря на то, что "схватить черную дыру за руку" очень трудно, в их существовании и в их большой космической роли сегодня невозможно сомневаться. Любопытно, что черные дыры в некотором смысле были предсказаны еще 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 cимеет вид:

GMm/ro="mc2о/2
(предполагается равенство инертной и тяжелой масс, rо- радиус звезды с массой M). Если ro< rg, свет от звезды не уйдет.

В рамках ОТО образование покоящейся (невращающейся) черной дыры было впервые рассмотрено только в 1939 г. В астрофизику черные дыры "вошли" лишь в 60-е годы. Сегодня их изучение - это целая глава ОТО и астрофизики.

Наблюдаются или, если быть очень осторожными, по всей вероятности, наблюдаются черные дыры двух типов - со звездными массами менее ста солнечных (M¤) и гигантские дыры в галактиках и квазарах с М ~ (106 -109)M¤. Дыры со звездными массами находят в основном в двойных системах. Если одна из звезд в такой двойной звезде не видна (не излучает) и в то же время ее масса М > 3M¤, то, по всей вероятности, - это черная дыра. Невидимый компонент может быть и нейтронной звездой, но ее масса не может превосходить примерно 3M¤, при большей массе звезда коллапсирует, превращается в черную дыру.

Черная дыра сама по себе ничего не излучает, но может быть видна за счет излучения из области, где находится падающее на нее или вращающееся вокруг нее вещество (аккреционный диск). В нашей Галактике обнаружено уже довольно много черных дыр, гигантские черные дыры находятся в ядрах галактик и квазаров. В центре любой галактики имеется потенциальная яма, куда стекает вещество, оно может образовывать звездные скопления, из которых в конце концов почти наверняка возникнет черная дыра. Различить их можно по движению звезд вблизи ядра. Если мы имеем дело с черной дырой, то даже при массе 109M¤ она сосредоточена в радиусе, который по масштабам галактики ничтожен: 3.1014 cм (астрономическая единица - расстояние от Земли до Солнца - равна 1,5.1043 см). Поэтому, если было бы можно проследить движение звезд вблизи ядра, сразу все 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 ее излучения имеет размер порядка астрономической единицы. Оптические наблюдения показали, что движение звезд вблизи галактического центра происходит вокруг массы размером меньше световой недели - 2.1016 см. В результате создается уверенность, что в центре Галактики находится именно черная дыра массой более двух с половиной миллионов масс Солнца и в 10 раз меньшая его по размерам.

Помимо упомянутых черных дыр возможно существование реликтовых мини-дыр, возникших на ранних этапах эволюции Вселенной или сейчас (насколько последний процесс эффективен, неизвестно). В 1974 году было сделано заключение, что в силу квантовых эффектов черные дыры должны все же излучать частицы всех сортов (в том числе фотоны). Излучение таких мини-дыр, в принципе, можно обнаружить, но никаких указаний на их существование пока нет. Поэтому возможно, что мини-дыр во Вселенной либо вообще нет, либо их очень мало.

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 темной 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 звезд в галактиках и галактик в скоплениях. Проще всего динамика проявляется при определении траекторий вращения звезд в спиральных галактиках, в частности в нашей Галактике. <...>

Вне всяких сомнений, установлено, что во Вселенной имеется несветящаяся материя, проявляющая себя в гравитационном взаимодействии. Темная 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 темной материи (dark matter), часто именовавшейся скрытой массой? Проще всего предположить, что речь идет о нейтральном водороде, сильно ионизованном (и поэтому слабо светящемся) газе, планетах, слабо светящихся звездах - коричневых карликах, нейтронных звездах или, наконец, черных дырах. Однако все эти предположения опровергаются наблюдениями.

Например, нейтральный водород фиксируется радиоастрономическим методом, горячий газ - по рентгеновскому излучению, нейтронные звезды и черные дыры тоже заметны, хотя и с трудом. Нелегко наблюдать коричневые карлики (brown dwarfs) - звезды со столь малыми массами, что они очень слабо светятся. Однако они обнаружены и, по всей вероятности, не вносят существенного вклада в темную материю. Анализ всех этих вопросов непрост, но установившееся мнение таково: темная материя имеет в основном небарионную природу, то есть не состоит из нуклонов. Наиболее естественный кандидат - нейтрино. Однако этот вариант, скорее всего, не проходит: по-видимому, масса электронного нейтрино neнедостаточно велика (по последним данным, менее 3-4 эВ, а нужна более 10 эВ). О массах мюонного и тау-нейтрино речь ниже, но, видимо, и она недостаточна. Весьма популярна гипотеза, согласно которой роль темной материи играют гипотетические частицы WIMP'ы (Weakly Interacting Massive Particles) - слабовзаимодействующие частицы с массами в гигаэлектронвольты и выше (масса протона 0,938 ГэВ). К числу WIMP'ов относятся гипотетические (повторю это) тяжелые нестабиль ные нейтрино, суперсимметричные частицы - фотино, нейтралино и т. д. Имеются и другие "кандидаты" на роль темной материи вроде космических струн и других "топологических дефектов". WIMP'ы надеются обнаружить по излучению гамма-фотонов и других частиц при их аннигиляции с соответствующими античастицами. Другой путь - наблюдение пусть и очень редких актов соударения с частицами обычного вещества. Весьма изящна идея о возможности сгущения WIMP'ов в некие рыхлые квазизвезды, которые можно, в принципе, выявить при микролинзировании.

28.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 звезды. Вообще, в отношении лучей с энергией менее 1015-1016 эВ картина в целом достаточно ясна. К числу же "особенно важных и интересных" вопросов можно отнести лишь происхождение ультравысокоэнергичных лучей - свыше 1019 эВ. Наивысшая наблюдавшаяся энергия лучей составляет около 3.1020 эВ. Ускорить частицы (скажем, протон) до такой энергии нелегко, но, по-видимому, это может происходить в активных ядрах галактик. Однако возникает трудность: частицы с ультравысокими энергиями, соударяясь с микроволновым (реликтовым) излучением (его температура 2,7 К), порождают пионы, теряют энергию и с очень больших расстояний дойти до нас не могут. Кроме того, неясно, могут ли известные галактические ядра обеспечить ускорение до энергии 3.1020 эВ. Частицы могли бы ускоряться космическими струнами и другими "топологическими дефектами", находящимися вне Галактики на расстояниях до 20 Мпс. Однако никаких указаний на их наличие, да еще сравнительно близко, не имеется. По другой гипотезе, первичные частицы сверхвысокой энергии - это не обычные протоны, фотоны, ядра и т. д., а какие-то другие, пока не известные частицы. Тогда они могут прийти издалека, а ближе к нам или даже в земной атмосфере превратиться в обычные частицы и дать широкий атмосферный ливень - ШАЛ. Наконец, проще всего, пожалуй, предположить, что в составе темной материи в Галактике имеются сверхмассивные частицы массой более 1021 эВ, живущие дольше возраста Вселенной (1010 лет), но все же нестабильные. Продукты их распада в атмосфере и порождают ШАЛы (частицы с энергией выше 1015 эВ наблюдаются только по ШАЛам). В общем, проблема космических лучей экстремально высокой энергии действительно загадочна и уже поэтому интересна.

Перейдем к проблеме 29 - к гамма-всплескам. В конце 60-х годов в США была запущена система спутников Вела (Vela) с приборами, регистрирующими мягкие гамма-лучи. Они были предназначены для контроля за выполнением соглашения по запрещению атомных испытаний в атмосфере. Взрывы не производились, но гамма-всплески неизвестного происхождения с энергией до 1 МэВ и длительностью порядка нескольких секунд фиксировались. Об этом открытии было сообщено лишь в 1973 г. Угловое разрешение гамма-телескопов невелико, да и наблюдения в других диапазонах (радио-, оптическом, рентгеновском) в направлении всплесков проводились не сразу, поэтому их источник и природа долгое время оставались неясными. Одним из вероятных "кандидатов" считались нейтронные звезды, находящиеся сравнительно близко - в Галактике, на расстоянии порядка 100 пс (3.1020 см). В этом случае энергия гамма-всплеска должна быть около 1038 эрг. Это уже очень много, если вспомнить, что полная светимость Солнца составляет 3,83.1033 эрг.с-1. Однако распределение даже слабых гамма-всплесков по небу оказалось равномерным, в силу чего их источники не могли находиться в галактическом диске. Если же они расположены в гигантском гало Галактики радиусом 100 Кпс (это уже не противоречит данным об угловом распределении источников), их энергия должна быть не меньше 1044 эрг. Наконец, в случае космологической природы всплесков и расстояния порядка 1000 Мпс она составляет уже 1052 эрг. Это значение столь велико, что многие (и я в том числе) отдавали предпочтение модели с гало. Но вот в 1997 г. удалось наконец быстро "посмотреть" в направлении гамма-всплеска, и были обнаружены источники с большим красным смещением. Так, для всплеска GRB971214 (из обозначения ясно, что он наблюдался 14 декабря 1997 г.) параметр красного смещения z= 3,46 (z= (lнабл- lист)/lист, где lнабл- наблюдаемая длина волны спектральной линии и lист- длина волны источника). Для всплеска GRB970508 значение z" 0,8 (см. "Наука и жизнь" № 9, 1997 г.). Источники (их уже известно несколько) наблюдались и в рентгене, и в оптике, и в радиодиапазоне. 23 января 1999 г. возник мощный всплеск GRB990123 в гамма-диапазоне от 30 КэВ до 300 МэВ, длившийся около 100 с. Одновременно с гамма-всплеском произошла световая вспышка, светимость которой в максимуме достигала 1050 эрг.с-1, что в 2.1016 раз больше светимости Солнца! А во всех электромагнитных диапазонах практически мгновенно выделилось 3.1054 эрг. Сейчас можно констатировать, что гамма-всплески - самое мощное взрывное явление во Вселенной, не считая, конечно, самого Большого Взрыва. Речь идет об энерговыделении примерно 1053-1054 эрг только в гамма-диапазоне. Это существенно больше, чем оптическое излучение при взрывах сверхновых. Поэтому некоторые источники гамма-всплесков начали называть гиперновыми. Кандидатов на роль гиперновых несколько: слияние двух нейтронных звезд или массивной звезды с нейтронной, какое-то столкновение и т.п. Впрочем, и такие источники лишь с большой натяжкой могут излучать 1054 эрг, эквивалентные полной энергии Солнца (М¤с2). Так или иначе трудно сомневаться в том, что открытие космологической природы гамма-всплесков - самое выдающееся достижение астрофизики после открытия пульсаров в 1967-1968 гг.

Осталось обсудить последнюю, 30-ю, проблему "списка" - нейтринную физику и астрономию. Гипотеза о существовании нейтрино была высказана Паули в 1930 г. Длительное время считалось, что детектировать нейтрино практически невозможно. Однако в 1956 г. эта реакция была зафиксирована на атомном реакторе, за что в 1995 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

С самого начала было ясно, что масса электронного нейтрино mnеочень мала по сравнению с массой электрона и, возможно, равна нулю. После открытия мюонного и тау-нейтрино (nmи nt) то же самое можно было сказать и о них. Однако еще в 60-е годы возникла идея о взаимном превращении нейтрино разных типов - нейтринных осцилляциях. Такое возможно только, если масса нейтрино хотя бы одного типа отлична от нуля. Так или иначе вопрос о массе нейтрино давно возник и остается очень актуальным. Некоторые теоретические оценки таковы:

muе ~ 10-5 эВ; mum~ 10-3 эВ; mut~ 10 эВ.

Изучение осцилляций открывает, в принципе, возможности для непосредственного измерения mnmи mnt. Речь идет 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 nmв nt. Это крупнейшее открытие в физике элементарных частиц за многие годы. Оно сделано на японо-американской установке Супер Камиоканде, основной элемент которой - "бак", находящийся на глубине 1 км под землей, с 50-ю тысячами тонн предельно очищенной воды. "Бак" окружен 13000 фотоумножителей, регистрирующих черенковское излучение от мюонов, электронов и позитронов, образуемых в воде попадающими в "бак" нейтрино. В данном случае имеются в виду электронные и мюонные нейтрино, созданные космическими лучами в атмосфере Земли, причем на противоположной ее стороне. Если нет осцилляций, то, согласно надежным расчетам, в установке должно наблюдаться вдвое больше электронных нейтрино, чем мюонных. Но на деле количество nеи nmодинаково (их энергия порядка ГэВ'а). Наиболее вероятное объяснение, что наблюдаются осцилляции между nmи nt. При этом измеряется величина Dm2= (m12- m22), где

m1,2- их массы. Если m1и m2окажутся очень близки, нейтрино могут быть ответственны за темную материю.

Солнце и звезды, как известно, излучают за счет происходящих в их недрах ядерных реакций и, следовательно, должны испускать нейтрино с энергией порядка 10 МэВ. Наблюдения за ними ведутся прежде всего путем использования реакции:

37Cl + nе (r) 37Ar + e-.

Атомы аргона в емкости с жидкостью, содержащей хлор, выделяются химическим путем. Наблюдаемый поток нейтрино меньше вычисленного, грубо говоря, раза в два-три. Такой результат, даже учитывая сложность расчетов для моделей Солнца, конечно, не впечатляет. Поэтому стремились наблюдать солнечные нейтрино другими методами. Совокупность всех имеющихся сведений привела к заключению, что поток нейтрино от Солнца действительно существенно меньше вычисленного, но без учета возможных нейтринных осцилляций для nе. Сейчас строятся или уже начали эксплуатироваться несколько очень совершенных установок для детектирования солнечных нейтрино с различными энергиями. Видимо, в ближайшие годы проблема солнечных нейтрино будет в основном решена, и прояснится также вопрос о нейтринных осцилляциях и массе нейтрино.

Нейтринная астрономия - это не только солнечная астрономия: уже упоминался прием нейтрино при вспышке сверхновой SN1987А. Сверхновые в Галактике вспыхивают в среднем примерно раз в 30 лет, но вспышка может произойти в любой момент. И, если нам повезет и вблизи (в Галактике или в Магеллановых Облаках) вспыхнет еще одна сверхновая, будет получен богатый материал. Особо нужно упомянуть задачу детектирования реликтовых нейтрино с малыми энергиями, быть может, вносящими вклад в темную материю. Наконец, буквально "на выходе" находится нейтринная астрономия высоких энергий (Еn> 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.

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 трех "великих" проблемах

Для полноты картины хочу упомянуть еще о трех проблемах, которые остались за пределами изложенного. В то же время преподавание физики и обсуждение ее состояния и путей развития не могут и не должны обойти вниманием эти направления, три "великие" проблемы.

Во-первых, речь идет о возрастании энтропии, необратимости и "стреле времени". Во-вторых, это проблема интерпретации и понимания квантовой механики. И, в-третьих, это вопрос о связи физики с биологией и конкретно проблема редукционизма - сведение законов биологии к совокупности законов физики.

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 остается, таким образом, открытым". Обнаружение в 1964 г. несохранения четности, т. е. необратимости времени, явно имеет отношение к делу, но все еще недостаточно исследовано и осознано, ясности здесь пока нет.

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: "Все, в общем, ясно, но возможны каверзные вопросы, на которые ответить может только Бор". Сейчас эта проблематика снова широко представлена в серьезной литературе. Частично современный интерес к основам квантовой механики связан с новыми эксперимен тами, 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 серьезный 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 удовлетворен ортодоксальной интерпретацией квантовой механики. 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 ее предсказаний. Они хотели бы, видимо, вернуться к классическому детерминизму и, образно говоря, узнать, куда именно попадет 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 что-либо внести в нерелятивистскую квантовую механику и ответить на пресловутый вопрос: "Куда попадет электрон?". Однако, когда речь идет о возможностях будущей теории и ее влиянии на существующую, нельзя дать априорный ответ. Могу высказать лишь свое интуитивное суждение: нерелятивистская квантовая механика существенных изменений не претерпит (куда попадет "электрон", мы не узнаем), но какое-то более глубокое понимание все же не исключено.

Последняя "великая" проблема, которая будет здесь затронута, касается связи физики с биологией. С конца XIX века и примерно до 60-х или 70-х годов ХХ века физика была, можно сказать, наукой главной, доминирующей. Конечно, всякие ранги в науке условны, и речь идет лишь о том, что достижения физики в указанный период были особенно яркими и, главное, в значительной мере определяли пути и возможности развития всего естествоз нания. Ведь было выяснено строение атома и атомного ядра, строение материи. Сколь это важно и, например, для биологии, совершенно очевидно. Развитие физики привело в середине нашего века к известной кульминации - овладению ядерной энергией и, к великому сожалению, созданию атомных и водородных бомб. Полупроводники, сверхпроводники, лазеры - все это тоже физика, определяющая лицо современной техники и тем самым в значительной мере современной цивилизации. Но дальнейшее развитие фундаментальной физики, основ физики и конкретно создание кварковой модели строения вещества для биологии и других естественных наук непосредственного значения не имеет. В то же время биология, используя все более совершенные физические методы, быстро прогрессировала и после расшифровки в 1953 г. генетического кода начала особенно бурно развиваться. Сегодня именно биология, особенно молекулярная, заняла место лидирующей науки. Для нас физика остается делом жизни, молодой и прекрасной, но для человеческого общества и его развития место физики заняла биология.

Я же пишу о биологии по двум причинам. Во-первых, современные биологические и медицинские исследования невозможны без самого широкого использования физических методов и аппаратуры. Поэтому биологическая и околобиологическая тематика должна и будет занимать в физических институтах, на физических факультетах и на страницах физических журналов все большее место. Нужно это понимать и активно этому содействовать. Во-вторых, вопрос о редукционизме - это одновременно великая физическая и биологическая проблема, и она, я убежден, будет одной из центральных в науке XXI века.

Мы полагаем, что знаем, из чего устроено все 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 все 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 какой-то скачок, фазовый переход. Проблема не решена, и я склонен думать - она будет безоговорочно решена только после создания "жизни в пробирке". Что касается физического объяснения механизма появления сознания и мышления, можно сослаться лишь на обсуждения возможности создания "искусственного интеллекта". Разумеется, люди верующие решают проблемы очень просто: жизнь и сознание "вдохнул" в неживое Бог. Но подобное "объяснение" представляет собой сведение одного неизвестного к другому и выходит за пределы научного мировоззрения и подхода. Вместе с тем можно ли считать, что возможность редукции биологии к современной физике несомненна? Здесь ключевым является слово "современная". И с учетом этого слова дать положительный ответ было бы, как мне кажется, неправильно. Пока дело не сделано, нельзя исключать возможность того, что мы даже на фундаментальном уровне еще не знаем чего-то необходимого для редукции. Такую оговорку делаю из осторожности, хотя мое интуитивное суждение таково: никакой "новой физики" для редукции не нужно. Конечно, спорить на этот счет неплодотворно - будущее покажет.

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 счет несколько замечаний.

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 два-три десятилетия экспериментальный реактор с положительным выходом энергии будет построен. Будет осуществлен и "лазерный термояд", поскольку такая установка возможна и нужна не только для физических исследований, но и для военных целей.

Как уже было упомянуто, проблемой высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) начали заниматься в 1964 г. Тогда максимальная критическая температура равнялась 23 К, сейчас для ВТСП Тс.мах = 164 К, т. е. температура сверхпроводимости возросла в 7 раз. Чтобы добраться до комнатной температуры (КТСП), достаточно ее 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. Мое 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 С36 и соединения типа К3С36, 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 ее природе обсуждается с давних времен. Предложено много моделей и гипотез, но пресловутого консенсуса нет. 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 как-то не верится), то теория окажется перед большой трудностью. Напротив, если даже на LHCне найдут новых частиц и, более конкретно, суперсимметричных партнеров известных частиц, то это может лишь означать, что массы этих частиц больше 14 ТэВ = 1,4.1013 эВ. Насколько понимаю, это ни о чем особенном свидетельствовать не будет. Из ожидаемых результатов можно указать на дальнейшее изучение нейтринных осцилляций и определение массы электронного, мюонного и t-нейтрино. Будут получены также новые результаты, важные при анализе проблемы "стрелы времени". Много лет ищут магнитные монополи, надежда их обнаружить практически оставлена. Но кто знает? На новых установках (в особенности на Супер Камиоканде) продолжатся попытки обнаружить распад протона. При столкновении релятивистских тяжелых ядер можно ожидать прогресса в вопросе о кварк-глюонной плазме и, вообще, кварковой материи.

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 ее 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 каким-то упреком, умалением теории струн? Прошу не понимать сказанное в таком смысле. Речь ведь идет о проблеме чрезвычайной глубины и трудности. Что такое 15 или даже 30 лет на таком пути? Мы так привыкли к быстроте развития физики, к ее успехам, что теряем, как мне кажется, перспективу. Но экспоненциальный рост наших физических знаний очень долго продолжаться не может.

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 какие-то изменения в сверхсильных гравитационных полях). Логически же возможны и другие ограничения. Для ясности приведу пример ньютоновской (классической) механики. Она ограничена, так сказать, с двух сторон - с релятивистской и с квантовой. Логически же мыслимы и другие ограничения, например, в случае очень слабых ускорений.

С самого начала XXIвека развернется прием гравитационных волн на ряде строящихся установок, в первую очередь на LIGOв США. Прежде всего, по-видимому, будут приняты импульсы, образующиеся при слиянии двух нейтронных звезд. Возможны и даже очень вероятны их корреляции с гамма-всплесками, а также с нейтринным излучением высокой энергии. В общем, родится гравитационно-волновая астрономия.

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 все новые телескопы для различных диапазонов - от рентгеновских до радиоволн. Особо можно упомянуть спутники - гамма-обсерватории и установки для приема космических нейтрино (их можно назвать нейтринными телескопами). В результате гигантской по масштабу работы на всех этих установках, несомненно, уже в начале XXIвека будет наконец уточнено значение постоянной Хаббла и определены параметры Wb, Wdи WL. Тем самым станет наконец ясной космологическая модель, по крайней мере, на стадии после образования реликтового излучения. Выясняется роль L-члена, вклад темной материи для различных объектов - Галактики, скоплений галактик, сверхскоплений. Конечно, новое будет получено практически для всех задач, но особо стоит отметить спорное, в какой-то мере проблематичное. К числу таких вопросов относится обнаружение черных мини-дыр и космических струн (они могут быть разных типов), а также других возможных "топологических дефектов".

Поскольку природа темной 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 разветвленной и, возможно, бесконечной системы.

В отношении проблемы 28 - происхождения космических лучей экстремально высокой энергии - имеется принципиальная неясность. Ситуация аналогична природе темной материи, и, может быть, оба вопроса связаны. То же можно сказать о гамма-всплесках и нейтринной астрономии. Изучение гамма-всплесков выяснит, вероятно, немало интересно го, 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 20-30 лет мы получим ответы на все упомянутые вопросы, за исключением, быть может, фундаментальных проблем физики элементарных частиц (суперструны и т. д.) и квантовой космологии вблизи классических сингулярностей.

Новые, очень тонкие эксперименты по проверке соотношений неопределенностей, пресловутой телепортации и т. п. ни в коей мере не выходят за пределы известной теории. Предсказать, "куда попадет" электрон в дифракционных опытах, мы, по-видимому, никогда не сможем. Будущая теория (условно - теория суперструн и ее развитие), может быть, новое и внесет, но, что именно, не представляю (под подозрением - понятие о времени в квантовой механике). Если в XXI веке и создадут "жизнь в пробирке", то чисто биохимическими методами, физика здесь явно может играть лишь вспомогательную роль.

Закончив статью, ясно вижу некоторые ее недостатки. Несомненно, широта охвата материала обернулась поверхностностью изложения и, вероятно, некоторым верхоглядством. За все 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.

Источник: "Наука и жизнь", № 11-12, 1999. http://nauka.relis.ru


Добавлено: 2006-06-08
Посещений текста: 4244

[ Назад ]





© Павел Гуданец 2004-2017 гг.
 инСайт

При информационной поддержке:
Институт Транспорта и Связи