"Физический минимум" на начало XXI века

Скорость развития науки в наше время поражает. Буквально в продолжении одной-двух человеческих жизней произошли гигантские изменения в физике, астрономии, биологии, да и во многих других областях. Читатели могут проследить сказанное даже на примере своей семьи. Так, мой отец, родившийся в 1863 году, был младшим современником Максвелла (1831–1879). Мне самому было уже 16 лет, когда в 1932 году открыли 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 лишь около ста лет назад, а квантовая теория зародилась только в 1900 году. Вместе с тем сто лет — это так мало не только по сравнению с примерно 3 миллиардами лет с тех пор, как на Земле зародилась жизнь, но и с возрастом современного вида людей (Homo sapiens),

составляющим порядка 50–100 тысяч лет! Полезно вспомнить и то, что первые великие физики Аристотель (384–322 гг. до н. э.) и Архимед (ок. 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. Но, кстати сказать, даже Кеплер считал, что существует сфера неподвижных звезд, которая «состоит из льда или кристалла». Общеизвестна борьба Галилея за утверждение гелиоцентрических представлений, за что он в 1633 году был осужден инквизицией. Какой путь пройден с тех пор всего за 300–400 лет! Его итог — известная нам современная наука.

Можно рассчитывать на то, что в XXI веке наука будет развиваться не менее быстро, чем в ушедшем XX столетии. Вместе с тем физика так разрослась и дифференцировалась, что за деревьями трудно разглядеть лес, трудно охватить мысленным взором картину современной физики как целого. Между тем такая картина существует и, несмотря на все ответвления, у физики имеется стержень. Таким стержнем являются фундаментальные понятия и законы, сформулированные в теоретической физике.

Я пропагандирую «проект» (как сейчас стало модно говорить) так называемого «физического минимума». Речь идет о составлении некоторого списка проблем, представляющихся в данное время наиболее важными и интересными. Это темы, о которых каждый физик должен иметь некоторое представление, знать о чем идет речь. Быть может, менее тривиально мнение, что достичь подобной цели вовсе не так уж трудно, не так уж на это нужно потратить много времени и сил. Но для этого необходимы известные усилия не только со стороны «обучающихся», но и со стороны «старших товарищей».

«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 находятся на главных направлениях. Завтра эти проблемы могут оказаться уже в тылу, на смену им придут другие. Подобные «списки», конечно, в известной мере субъективны. Я сейчас, в 2004 году, могу предложить такой.

Быть может, следовало бы сюда добавить «пункты» о квантовых компьютерах и некоторых проблемах оптики. Однако обращаю внимание читателя на субъективность и антидогматичность подобных «списков».

Управляемый ядерный синтез.

Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость.

Металлический водород. Другие экзотические вещества.

Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты).

Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктуры в полупроводниках, переходы металл—диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика).

Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах.

Физика поверхности. Кластеры.

Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики.

Фуллерены. Нанотрубки.

Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.

Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы.

Разеры, гразеры, сверхмощные лазеры.

Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра.

Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. Кварк-глюонная плазма.

Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W —+ — и Z 0 — бозоны. Лептоны.

Стандартная модель. Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи.

Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры.

Несохранение СР-инвариантности.

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

Струны. М-теория.

Экспериментальная

проверка общей теории относительности.

Гравитационные волны, их детектирование.

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

Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды.

Черные дыры. Космические струны(?).

Квазары и ядра галактик. Образование галактик.

Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирования.

Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией.

Гамма-всплески. Гиперновые.

Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции.

Проблема управляемого ядерного синтеза (номер 1 в «списке») все еще не решена, хотя ей уже более полувека. Я помню, как работа в этом направлении в СССР зародилась в 1950 году. Тогда А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм рассказали мне об идее магнитного термоядерного реактора. 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 в те времена интересовал «кого надо» в основном вовсе по другой причине — как источник нейтронов (n) для производства трития (t). Уже в хрущевские времена И. В. Курчатов и его коллеги поняли, что проблему термояда быстро решить нельзя, и в 1956 году она была рассекречена. За границей работы над термоядом также начинались (примерно в тот же период) в основном как секретные, и их рассекречивание в СССР (совершенно нетривиальное для нашей страны по тем временам) сыграло большую положительную роль — обсуждение проблемы стало объектом международных конференций и сотрудничества. Но вот прошло почти 50 лет, а работающий (дающий энергию) термоядерный реактор еще не создан, и, вероятно, до этого момента придется ждать еще лет 15, а может быть, и больше. Особенно продвинута и является фаворитом система токамак. Несколько лет разрабатывался международный проект ITER (International Termonuclear Experimental Reactor). Этот гигантский токамак, стоимостью около 10 миллиардов долларов, предполагалось построить к 2005 году в качестве подлинного прообраза термоядерного реактора будущего. В 2004 году несколько более скромный проект (стоимость около 5 миллиардов долларов), видимо, будет наконец принят. В общем, сомнений в возможности создать реальный термоядерный реактор уже нет, и центр тяжести проблемы, насколько я понимаю, переместился в инженерную и экономическую области.

Что касается альтернативных путей синтеза легких ядер для получения энергии, то надежды на возможности «холодного термояда» оставлены, а мюонный катализ очень изящен, но представляется нереальным источником энергии, по крайней мере, без комбинации с делением урана. Существуют также проекты использования ускорителей с различными ухищрениями. Наконец, возможен инерционный ядерный синтез и, конкретно, «лазерный термояд».

Теперь о высокотемпературной и комнатнотемпературной сверхпроводимости (кратко ВТСП и КТСП, проблема 2). Долгие годы ВТСП было мечтой. Но в 1986–1987 гг. такие материалы созданы. Но механизм сверхпроводимости в различных классах веществ, например в купратах (наивысшая температура Т с =135 К достигнута для HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x без давления; под довольно большим давлением для этого купрата уже Т с = 164 К), остается неясным. В общем, вопрос открыт, несмотря на огромные усилия, затраченные на изучение ВТСП (за 10 лет на эту тему появилось около 50 000 публикаций). Но главный вопрос в этой области, конечно тесно связанный с предыдущим, это возможность создания КТСП. Ничему такая возможность не противоречит, но и быть уверенным в успехе нельзя. Положение здесь вполне аналогично имевшему место до 1986–1987 гг. в отношении ВТСП.

Металлический водород (проблема 3) еще не создан даже под давлением около 3 миллионов атмосфер (речь идет о низкой температуре). Однако исследование молекулярного водорода под большим давлением выявило у этого вещества целый ряд неожиданных и интересных особенностей. Далее, при сжатии ударными волнами и температуре около 3000 К обнаружен, по-видимому, переход в металлическую (т. е. хорошо проводящую) жидкую фазу. При высоком давлении обнаружены также своеобразные особенности у воды (точнее, Н 2 О) и ряда других веществ. Помимо металлического водорода к числу «экзотических» веществ можно отнести фуллерены. Совсем недавно, кроме «обычного» фуллерена С 60, начал исследоваться фуллерен С 36, быть может обладающий при добавлении примесей очень высокой температурой сверхпроводящего перехода.