Большая физическая аудитория Московского физико-технического института. Академик В. Л. ГИНЗБУРГ выступает перед студентами физтеха с обзорной лекцией. Тема ее:
КАКИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ И АСТРОФИЗИКИ ПРЕДСТАВЛЯЮТСЯ СЕЙЧАС ОСОБЕННО ВАЖНЫМИ И ИНТЕРЕСНЫМИ?
Физики, и астрофизики заняты в настоящее время изучением огромного количества различных вопросов. В подавляющем большинстве случаев речь идет о вполне разумных задачах, о попытках если, и не разгадать загадки природы, то все же узнать нечто новое. О любых таких вопросах трудно сказать, что они неинтересны или неважны. Да, и вообще нелегко сколько-нибудь последовательным образом определить, что значит «неважно» или «неинтересно» в науке. Вместе с тем иерархия проблем, и задач фактически, безусловно, существует. Она действует на практике, отражается на всей научной (а иногда, и не только научной) жизни, и видна даже из оглавлений журналов. Часто выделение «важных физических проблем» происходит в силу их потенциального технического или экономического эффекта, иногда это связано с особой загадочностью вопроса, но порой является лишь данью моде или осуществляется под действием, каких-то непонятных или случайных факторов.
Составление списков «важнейших проблем», и комментариев к ним уже не раз предпринималось. В таких случаях обычно созываются совещания или создаются специальные комиссии, которые заседают (с целью «подавления помех» эти комиссии иной раз даже выезжают в дома отдыха), и порождают довольно объемистые документы. Не берусь делать обобщений, но могу констатировать, что не видел, чтобы эти записки о важнейших проблемах кто-либо читал с большим интересом. Видимо, специалистам в них нет особой нужды, а представителя'! более широкой «публики» они не кажутся привлекательными
Между тем может ли начинающих физиков, и астрономов, да, и не только их, не интересовать простой вопрос где сейчас «горячо» в физике, и астрофизике? Или другими словами, какие проблемы физики, и астрофизики представляются в данный момент особенно важными, и интересными?
Ниже перечисляются проблемы, которые мне кажутся сейчас относящимися к категории особенно важных, и интересных, но без того, чтобы точно определять, как сами эти понятия, так, и мотивировать характер отбора. Каж1ый вправе иметь свое собственное мнение на этот счет, и ни с кем не обязан его «согласовывать» до тех пор, пока не делается, какой-либо попытки объявить это мнение апробированным или лучшим, чем другие возможные суждения. Никаких таких попыток, не говоря уже о предложениях организационного типа, я заведомо не предпринимаю.
Было бы любопытно, а быть может, и полезно сравнить списки «важнейших проб тем физики, и астрофизики», состав теннис разными лицами. К сожалению, соответствующие опросы научного общественного мнения, насколько известно, не производились. Поэтому могу лишь высказать предположение, что в большинстве таких списков было бы очень много общего, если бы только удалось (а это нелегко) договориться об одном, что называть «физической проблемой» в отличие, скажем, от областей, направлений или объектов физических исследований. Опять же, не углубляясь в дефиниции, замечу, что я называю проблемой такой вопрос, характер (содержание) ответа на который остается з значительной мере неясным. Речь должна идти не о технических разработках, необходимости провести ряд измерений, и т. п., а о самой возможности создать, какое-то вещество с необычными свойствами (например, высокотемпературный сверхпроводник), выяснить вопрос о границах применимости теории (например, общей теории относительности), раскрыть, какую-то подлинную тайну (скажем, понять причину нарушения комбинированной четности при распаде К-мезонов). Исходя именно из таких соображений, и с неизбежным налетом субъективности, и составлен нижеследующий список.
По указанной причине ниже не упоминаются многие задачи современной физики, и астрофизики.
Прежде чем перейти наконец к краткому изложению содержания статьи*, остается отметить, что деление ее на три части (макрофизика, микрофизика, астрофизика) также в достаточной мере условно.
МАКРОФИЗИКА
Управляемый термоядерный синтез
Проблема управляемого термоядерного синтеза будет считаться решенной, если удастся использовать для нужд энергетики ядерные реакции синтеза.
В том, что энергию ядерного синтеза, каким-то образом удастся использовать, сомневаться трудно - достаточно упомянуть о «тривиальной» возможности применения подземных взрывов. С другой стороны, управляемым синтезом пристально интересуются уже двадцать лет, но контуры будущего термоядерного реактора еще далеко не ясны.
Поэтому конкуренция, и соревнование различных направлений, и предложений естественны, и необходимы.
Высокотемпературная сверхпроводимость
Сверхпроводимость была открыта в 1911 году, и долгие годы оставалась не только необъясненным явлением (пожалуй, самым загадочным в области макрофизики), но, и не находила почти никакого практического применения. Последнее объясняется в первую очередь тем, что сверхпроводимость вплоть до настоящего времени наблюдается только при низких температурах. Так, у первого по времени обнаружения сверхпроводника - ртути критическая температура Тс = = 4,1°К. Наивысшее известное значение Тс~21°К имеет некоторый сплав Nb, Al, и Ge, изученный лишь в самые последние годы.
Принципиальным, и неясным моментом является крайне соблазнительная возможность создания высокотемпературных сверхпроводников, то есть металлов, остающихся сверхпроводящими при температурах порядка 100°К, а еще лучше и при комнатной температуре
Если проблемой термоядерного синтеза вплотную занимаются уже 20 лет, то исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости только разворачиваются. В этом случае совсем не исключена возможность добиться успеха сравнительно скромными (хотя, и современными) средствами. Поэтому я не удивился бы, если бы прочел о создании высокотемпературного сверхпроводника в очередном номере физического журнала (другое дело, что в этом случае, по всей вероятности, возникла бы сенсация, и о новостях мы узнали бы из газет или радиопередач). Но не менее вероятно, что высокотемпературные сверхпроводники создать очень трудно, а в принципе, и невозможно. Коротко говоря, вопрос открыт, попытки на него ответить представляются исключительно привлекательными.
Новые вещества (металлический водород, аномальная вода, и т. п.)
На Земле существует в природных условиях или создано искусственно огромное количество различных веществ (химических соединений, сплавов, растворов, полимеров, и т. д.). Создание новых веществ, вообще говоря, относится к области химии или технологии, но не составляет физической проблемы. Положение меняется, когда речь заходит о совсем необычных (если угодно, экзотических) веществах. Сюда можно отнести уже упоминавшиеся высокотемпературные сверхпроводники, а в качестве двух других примеров укажем на металлический водород, и аномальную воду.
Как известно, в обычных условиях (скажем, при атмосферном давлении) водород является молекулярным, кипит при Т = 20,3°К, и затвердевает при Т = 14°К. Плотность твердого водорода р = 0,076 г/см и он является диэлектриком. Однако при достаточно сильном сжатии, когда внешние атомные оболочки оказываются раздавленными, все вещества должны переходить в металлическое состояние.
Расчеты показывают, что молекулярный водород находится в термодинамическом равновесии с металлическим при давлении 2,6 миллиона атмосфер. Возможно, металлический водород является сверхпроводящим, причем с высоким значением Тс ~ 100 - 300°К. Но еще важнее возможность того, что металлический водород окажется устойчивым (хотя, конечно, нестабильным) при «обычном» давлении.
Получение такого простейшего в некотором отношении металла, как металлический водород, и определение для него критической температуры Тс представляют очевидный физический интерес.
Другой уже упомянутый пример новых веществ - это аномальная вода (ее называют также сверхплотной, или полимерной, водой). Было высказано утверждение, что в определенных условиях (конкретно, например, в кварцевых капиллярах) чистая вода образует некоторую новую модификацию с плотностью 1,4 г1см2, и рядом свойств, существенно отличных от свойств обычной воды. В последнее время появились, однако, работы, в которых аномальная вода на основании ряда экспериментальных данных рассматривается, как смесь обычной воды, и ряда примесей (гидрозолей, HNO3, Na, Cl, и др.) Таким образом, вопрос нужно считать открытым, хотя, на мой взгляд, остается не так уже много надежды на существование чистой полимерной (сверхплотной) волы. Но независимо от окончательного ответа уже проведенные исследования ясно свидетельствуют о том, сколь трудно решить даже такой вопрос, как возможность появления новой формы одного из самых распространенных веществ.
Металлическая экситонная (электронно-дырочная) жидкость в полупроводниках
Если в полупроводнике имеются электроны, и дырки (скажем, созданные в результате освещения), то при достаточно низкой температуре они должны соединиться в экситоны - водородоподобные «атомы», родственные позитронию.
Как уже упоминалось в связи с проблемой металлического водорода, критерий высокой плотности, и металлизации, грубо говоря, сводится к тому, что размер электронной оболочки сравнивается с межъядерным расстоянием. В случае экситонов в полупроводнике это значит, что их совокупность является плотной при концентрации около 10^18 см3. Таким образом, для экситонов высокая плотность, достигаемая для водорода при давлениях в миллионы атмосфер, отвечает вполне обычной концентрации электронов, и дырок в полупроводниках Уже одна такая возможность имитировать в полупроводниках область сверхвысоких давлений делает обсуждаемый вопрос достаточно важным. Это заключение укрепляется, если задуматься над возможным поведением плотной системы экситонов в полупроводнике. Такая система должна становиться жидкой, и образовывать капли Скорее всего эти капли представляют собой электронно-дырочный металл, то есть подобны жидкому металлу, хотя, и не исключена возможность их «молекулярного» строения в этом случае они аналогичны жидкому водороду, состоящему из молекул. В электронно-дырочной (экситонной) жидкости может в принципе наблюдаться сверхпроводимость или сверхтекучесть. Экспериментальное исследование этой проблемы уже начато.
Фазовые переходы второго рода (критические явления)
Переход металла в сверхпроводящее состояние, превращение гелия 1 в сверхтекучий гелий II, возникновение ферро-магнитного состояния из парамагнитного, многие сегнетоэлектрические (ферроэлектрические) переходы, ряд превращений в сплавах - таковы широко известные примеры фазовых переходов второго рода. При таких переходах отсутствует выделение (или поглощение) скрытого тепла, нет скачка объема или скачка в параметрах решетки, то есть в известном смысле превращение можно считать непрерывным. Вместе с тем в точке перехода наблюдаются скачки теплоемкости, сжимаемости, и других величин, а вблизи точки перехода многие из этих величин ведут себя аномальным образом
Проблема фазовых переходов второго рода (и близких к ним переходов) состоит, очевидно, в достижении достаточно потного качественного, и количественного понимания различных явлений вблизи точек перехода. Создание последовательной теории фазовых переходов второго рода с учетом отличий, характерных для различных превращений, а также обобщение всех результатов на кинетические процессы вблизи точки перехода остается одной из центральных проблем физики твердого тела.
Сверхтяжелые элементы (далекие трансураны)
Ядро самого тяжелого обнаруженного в природе элемента - урана - состоит из Z = 92 протонов, и А'=146 нейтронов (речь идет об уране-238) С 1940 года начали искусственно создавать трансурановые элементы путем облучения тяжелых ядер (включая ядра урана, и трансуранов) нейтронами, и различными ядрами Первым был создан нептуний (Ар93). за ним последовал плутоний (Р|). америции (Ам95), кюрий (См96), берклий (Вк87), калифорний (Cf98). эйнштейний (Es99), фермий (Fm100). менделевии (Md101), и элементы 102, 103, 104, и 105, еще не получившие официального названия. Самые тяжелые известные трансурановые элементы живут секунды или даже доли секунды (ядра распадаются в результате излучения альфа, и бета-частиц и спонтанного деления). Грубая экстраполяция приводит к заключению, что ядра элементов с числом протонов, большим 108 - 110, должны спонтанно делиться с такой большой скоростью, что получение, и изучение таких элементов маловероятны. Но подобная экстраполяция незаконна, и возможна повышенная стабильность ядер в районе значений Z~II4, и А'~ 184, причем не исключено даже существование высокой стабильности отдельных или хотя бы одного изотопа. Поиски далеких трансуранов уже начаты на всех возможных путях. Такие поиски имеют немалый интерес для ядерной физики, а возможно, и астрофизики (не говоря уже о том, что эти поиски подобны охоте на невиданных животных). Поэтому вряд ли кто-либо будет возражать против включения проблемы сверхтяжелых элементов в наш «список». Что же касается отнесения этой проблемы к макрофизике, то здесь, конечно, дело в определении микрофизики, которое будет дано, и использовано ниже
МИКРОФИЗИКА
Введение
Когда речь шла о макрофизике, не потребовалось никакого введения. Но о том, что понимать под микрофизикой, придется условиться. Размеры атома (~ 10^-8 см), и тем более атомного ядра (~ 10^-13 – 10^-12 см) считаются микроскопическими, и с этой точки зрения атомные, и ядерные явления следует отнести к микрофизике
Но фактически дело обстоит не так просто
Хорошо известно, что в физике (да, и не только в физике) говорить о малом или большом можно лишь по сравнению с, какой-то величиной (эталоном), которая считается не малой, и не большой. В случае длины (пространственного расстояния) таким эталоном естественно считать характерный размер человеческого тела, скажем, метр. Однако по сравнению с таким масштабом очень малы не только атомы, и ядра, но и, например, длины волн оптического излучения, а также размеры ряда искусственно создаваемых объектов. Вместе с тем вряд ли кто-либо согласится относить к области микромира пленки или проволочки с диаметром порядка микрона. К этому нужно добавить, что по сравнению с метром размеры Земли, а тем более расстояние от Земли до Солнца, равное 1,5*10^13 см, являются уже очень большими. Поэтому если исходить только из отношения масштабов, солнечную систему следовало бы отличать от макрообъектов с размерами порядка метров с не меньшим основанием, чем атомы, и атомные ядра.
В силу подобных соображении микромир часто определяют, как область действия квантовых законов, в то время, как в макромире господствуют классические закономерности. Такой подход представляется довольно глубоким, хотя его условность также очевидна. Достаточно сказать, что в ряде случаев классические законы хорошо применимы, и при рассмотрении соударении между нуклонами, а, с другой стороны, квантовые закономерности иногда определяют поведение вполне макроскопических систем. Наконец, важно подчеркнуть, что с развитием науки меняются, вообще говоря, сами границы между различными областями, и дисциплинами, меняется также содержание различных понятий.
Все это дает основания рассматривать границу между микро и макрофизикой в качестве исторической категории. Конкретно, мне представляется разумным и оправданным считать, что в настоящее время атомная, и ядерная фишка в основном уже относятся к макро-, а не к микрофизике.
Основания для этого таковы. Во-первых, атомы и ядра представляют собой совокупности частиц, и к тому же лишь системы, состоящие из немногих самых распространенных частиц (протонов, нейтронов и электронов). Во-вторых, в атомах, и ядрах обычно хорошо пригодно нерелятивистское приближение, то есть широко применима прекрасно освоенная нерелятивистская квантовая механика. Оба эти обстоятельства роднят атомную и ядерную физику с макрофизикой.
Естественность смещения условной границы, разделяющей микро, и макрофизику, ясна, и из такого примера. До изобретения микроскопа к области микроявлений с полным основанием можно было относить все не видимое человеческим глазом. Затем микроскопическим стали называть невидимое в микроскоп, например, отдельные атомы. Сейчас, когда атомные, а в известной мере, и ядерные масштабы уже освоены, и достаточно доступны нашему мысленному взору, имеются основания считать микроскопическим лишь плохо или совсем невидимое. Тем самым к микрофизике почти безоговорочно относятся такие области, которые называют физикой элементарных частиц, физикой высоких энергий, мезонной физикой, нейтринной физикой, и т. и.
Объектом исследования в микрофизике являются, следовательно, в основном только «простейшие» («элементарные») частицы, их взаимодействие, управляющие ими законы.
Как, и большинство определений, такое определение, и понимание микрофизики условно, в известной мере даже произвольно. Но оно представляется мне по крайней мере не менее определенным, и не менее допустимым, чем другие определения. Так или иначе, ниже термин «микрофизика» используется именно в указанном смысле. При этом почти автоматически микрофизика, как, и в прошлом, оказывается областью исследований, где еще не докопались до фундамента, и еще далеко то ясности. Если же иметь в виду тип закономерностей", то в микрофизике в настоящее время (при принятом определении) доминирует релятивистская квантовая теория. Наконец, если во главу угла поставить некоторое расстояние, то для микрофизики сейчас характерна длина порядка или меньшая 10^-13 см (комптоновская длина для электрона h/nc - = 3,85х10^-11 см, а для барионов h/nc ~ 10^-14 см здесь h - постоянная Планка, m - масса частицы, с - скорость света).
Трудности, которые стоят на пути решения фундаментальных проблем микрофизики, подобны тем, которые возникали при построении теории относительности, и квантовой механики. Подобные исследования, даже если они достигают сравнительно скромных результатов, требуют исключительных усилий, фантазии, напряжения. Они порождают особую атмосферу, вызывают к жизни высокий накал страстей, разных страстей. По это уже другая тема, здесь же ограничусь констатацией того факта, что адекватно отразить содержание, и своеобразие проблем микрофизики мне не под силу. Такая задача, и не ставится ниже, еще с большей условностью, чем в других случаях, выделены четыре микрофизические проблемы, и дана тишь самая конспективная их характеристика. Быть может, именно чувство неудовлетворенности изложением микрофизической части настоящей статьи побудило автора написать это введение, без которого статья, возможно, только выиграла бы. К счастью, проблемы микрофизики освещаются весьма часто, и компетентно.
Спектр масс (третья спектроскопия) - До 1932 года были известны лишь три «элементарные» частицы электрон, протон, и фотон. Затем были открыты нейтрон, позитрон, мю мезоны, пи+, и пи0 мезоны, более тяжелые мезоны, гипероны, частицы-резонансы, электронное, и мюонное нейтрино, и антинейтрино. Некоторые из этих частиц ничем не менее (но, и не более) элементарны, чем протон или электрон. Другие (например, гипероны, и частицы-резонансы) кажутся скорее возбужденными состояниями более легких частиц. Большинство частиц нестабильно, они превращаются друг в друга. Тем самым понятия об элементарности или сложности частиц сами становятся весьма неэлементарными, и сложными.
Основной, и еще далеко не решенной задачей микрофизики можно считать создание теории, из которой хотя бы в принципе должны определяться массы, и все другие параметры существующих частиц. Для простоты эту проблему часто называют задачей определения спектра масс, хотя все понимают, что речь идет отнюдь не только о массах частиц, но, и о других их характеристиках.
Современное состояние проблемы спектра масс в целом аналогично состоянию атомной спектроскопии до появления теории атома Бора. Тогда тоже были известны некоторые спектральные закономерности (в первую очередь формула Бальмера), но они не были выведены теоретически. Сейчас в области третьей спектроскопии положение такое же или немного лучше, по заведомо не идущее ни в, какое сравнение с ситуацией, возникшей в атомной физике после создания квантовой механики
В известном отношении проблема спектра масс возникла давно, поскольку вопрос о причинах различия масс протона, и электрона задавался еще полстолетия назад. Сейчас, после накопления экспериментальных данных в области третьей спектроскопии, проблема спектра масс, видимо, уже имеет по крайней мере эмпирический фундамент. Но в области теории, как мне кажется, говорить о, каком-то подлинном успехе не приходится.
Так дело обстоит уже десятилетия, и никто не может предсказать, когда же наконец «лед тронется». По, когда-то это произойдет, и, несмотря на все разочарования, этого исторического события продолжают ждать с неослабевающим, и напряженным вниманием
Фундаментальная длина (квантованное пространство, и т.п.)
В специальной и общей теории относительности, в нерелятивистской квантовой механике, в существующей теории квантовых полей используется представление о непрерывном, по сути дела, классическом пространстве, и времени (точка пространства - времени характеризуется четырьмя координатами, могущими принимать непрерывную последовательность значений). По всегда ли законен такой подход? Откуда следует, что «в малом» пространство и время не становятся совсем иными, какими-то «зернистыми», дискретными, квантованными?
Проблема границ применимости римановой геометрии (то есть, по существу, макроскопических, или классических геометрических представлений) остается без ответа, и до сих пор. По мере продвижения в область все больших энергий и, следовательно, более «близких» столкновении различных частиц масштаб необследованной области пространства уменьшается. Сейчас можно, видимо, утверждать, что вплоть до расстояний порядка 10»11 см обычные пространственные соотношения справедливы, или, точнее, их применение не приводит к противоречиям. Из некоторых соображений этот предел, быть может, отодвигается до примерно 10»20 см. В принципе не исключено, что предела нет вообще, но все же значительно более вероятно существование, какой-то фундаментальной (элементарной) длины lо< 10^-15 – 10^-20 см которая ограничивает возможности классического пространственного описания.
Поиски фундаментальной длины - одна из важнейших задач микрофизики.
Взаимодействие частиц при высоких, и сверхвысоких энергиях
Изучение взаимодействия частиц при высоких, и сверхвысоких энергиях служит целому ряду целей «прощупыванию» структуры частиц, и самого пространства на малых расстояниях, обнаружению все новых, и новых частиц-резонансов (возбужденных барионов, и мезонов), определению энергетической зависимости сечений для упругого, и неупругого рассеяния.
В отличие см проблемы спектра масс, и вопроса о фундаментальной длине исследования взаимодействия частиц при высоких, и сверхвысоких энергиях кажутся вспомогательными, но фактически это не так, не говоря уже о том, что все эти проблемы тесно связаны между собой.
Нарушение СР-инвариантности
В 1956 году было открыто не сохранение пространственной четности (Р) при слабых взаимодействиях. Однако обнаруженные вплоть до 1964 года распады удовлетворяли принципу комбинированной четности, согласно которому все взаимодействия инвариантны относительно CP-сопряжения, то есть одновременной пространственной инверсии, и зарядового сопряжения С (замены частицы на античастицу).
В 1964 году было сделано открытие, значение которого, видимо, исключительно велико, хотя еще далеко не полностью понято. Речь идет об обнаружении распада К°2 -> пи+ + пи(К°2 - долгоживущий нейтральный К-мезон), который может идти только при нарушении комбинированной четности Итак, в природе наблюдается нарушение СР-инварнантности Такой результат приводит, возможно, к фундаментальным выводам о неэквивалентности правого, и левого, о неэквивалентности прямого, и обратного направлений времени, о неэквивалентности частиц, и античастиц. С другой стороны, по-видимому, не исключена возможность связать СР-несохраненне с действием, какого-то нового (ранее неизвестного) сверхслабого взаимодействия.
Какова причина или, каково более г тубо-кос физическое содержание СР-неинвариантности? Какова роль этого несохрансиия в микрофизике, макрофизике, и астрофизике?
Несмотря на очень большие усилия, за шесть прошедших лет ответов на эти вопросы еще не получено. Несомненно, проблема СР-несохранения - одна из самых интригующих, а по всей вероятности и самых важных в современной физике.
О микрофизике вчера, сегодня, и завтра
Все течет, все изменяется - меняется не только содержание той области, которая названа микрофизикой, но также, и занимаемое ею место в науке вообще, и в физике в частности. Достаточно просмотреть физические, реферативные, и научно-популярные журналы, чтобы убедиться в следующем удельный вес проблем микрофизики во всех этих журналах в течение последних двадцати лет сильно снизился по сравнению с предшествующими несколькими десятилетиями.
К сожалению, я не располагаю точными цифрами, но думаю, что отношение числа научных работ по микро и макрофизике сейчас минимум на порядок величины меньше. чем двадцать лег назад Если воспользоваться другими показателями научной активности (число специализирующихся студентов-выпускников, число конференций, и т. д.), то, вероятно, картина будет примерно такой же. В чем же здесь чело? Главная причина, как мне кажется, связана с тем, что еще в недавнем прошлом (скажем для определенности, лет двадцать назад) микрофизика занимала некоторое совершенно исключительное место в науке.
Во-первых, проблематика микрофизики - что самые фундаментальные принципиальные и поэтому для многих самые привлекательные вопросы физики. Во-вторых, эти же вопросы до середины нашего века одновременно имели определяющее, по существу, значение для развития всего естествознания. В самом деле, основное содержание микрофизики составляло тогда изучение атомов, а затем также атомных ядер. Разгадать строение атома, понять действующие в нем законы (для этого пришлось открыть квантовую механику!) значило дать мощнейший толчок многим областям физики, астрономии, химии, биологии. Примерно то же можно сказать об атомном ядре - его изучение породило возможность использования ядерной (атомной) энергии, и даже дало основания называть XX век атомным веком.
Физики, занимавшиеся соответствующими проблемами микрофизики, в подавляющем своем большинстве не думали ни о, каких практических плодах своей работы, а их энтузиазм и настойчивость питались интересом к проблемам, как таковым, были обусловлены неугасимым стремлением узнать, «как же это устроено», преодолеть трудности, добиться истины. Но концентрация усилий в целом, размах работы, поддержка, и внимание общества (в частности, научного общественного мнения) - все это в немалой степени диктовалось также сознанием роли микрофизики для развития естествознания в целом и, если угодно, пониманием ее общечеловеческого значения.
Сейчас положение коренным образом изменилось. Исследуемые микрофизикой частицы либо живут ничтожные доли секунды, либо, как в случае с нейтрино, почти свободно пронизывают земной шар и улавливаются лишь с колоссальным трудом. Совершенно очевидно, что научная значимость проблемы не может быть измерена ни временем жизни частиц, ни их проникающей способностью. Характер задач, стоящих перед микрофизикой сегодня, ни в, какой мере не уступает по своей жгучей таинственности, и трудности проблемам вчерашнего дня. Иными словами, микрофизика, конечно, осталась (и при используемом ее определении всегда останется) аванпостом физики, ее самой передовой и глубокой частью. Но положение изменилось в отношении характера, и роли изучаемых микрофизикой объектов. Эти объекты (атом, атомное ядро) были хлебом насущным, новые же объекты - это экзотические и редкие растения. Между тем, как сказано, микрофизика занимала в науке буквально доминирующее место не в малой степени также, и по причине всесторонней важности исследуемых ею вопросов.
Итак, согласно защищаемому здесь мнению, место микрофизики и в физике, и во всем естествознании радикально изменилось, и (этот пункт является особенно спорным) я думаю, что такое изменение произошло навсегда или, во всяком случае, очень надолго.
Если позволено будет выразить сказанное в ненаучных терминах, я сказал бы, что микрофизика в первой половине нашего века была первой дамой естествознания. Сегодня, и завтра она остается и останется «только» самой красивой дамой. Но в том-то, и дело, что разные люди могут считать разных дам самыми красивыми, первая же дама (в отличие от первых заместителей) по определению только одна (например, так называют жену президента). Позволю себе добавить, что для меня самого микрофизика была и остается самой красивой физической дамой. Но в отличие от некоторых коллег я лишь считаю, что поклонение не должно сопровождаться игнорированием изменений возраста, и характера, а также пренебрежением к другим объектам восхищения
Сделанные замечания представляются в достаточной мере тривиальными, но. только тем, кто с ними согласен. На деле же они здесь помещены именно потому, что являются спорными. Правда, как это обычно бывает, некоторые возражения и критические замечания, которые приходилось слышать на этот счет, - лишь плод недоразумения или эгоцентризма. Так, в утверждении об изменении, и в известном отношении уменьшении роли микрофизики усматривают если не призыв прекратить строительство мощных ускорителей и вообще всестороннюю поддержку микрофизических исследований, то по крайней мере оправдание таких действий Нечего, и говорить, что я далек от подобных мыслей и в то же время боюсь, что, помимо благородной заботы о развитии близкой сердцу области физики, резкость критики иногда была продиктована менее высокими чувствами, о которых здесь не место говорить.
Подлинного внимания, однако, заслуживает возражение по существу, которое сводится к следующему. На первом этапе исследований атомного ядра перспективы ядерной энергетики были еще далеко не ясны или даже оценивались совершенно неправильным образом. Таких примеров немало. Вообще развитие науки в конкретном плане плохо, а иногда, и совсем непредсказуемо. Поэтому представляется возможным, а исходя из ряда аналогий даже довольно вероятным, что микрофизика еще вернет свое положение прародительницы новых гигантских задач, вроде овладения ядерной энергией. Тогда, естественно, удельный вес микрофизики мог бы снова сильно увеличиться.
Само собой разумеется, что никто не возьмется полностью исключить подобную возможность Уже одного этого обстоятельства-существования пусть самой туманной перспективы новых практически важных открытий - должно оказаться достаточным для того, чтобы продолжать всемерно развивать микрофизику не только в интересах «чистой науки»
Но, с другой стороны, даже признание возможности нового переворота в отношении практической роли микрофизики в будущем нисколько не противоречит сказанному выше относительно сегодняшнего ее места. Кроме того, непонятно, почему должно считаться ересью или признаком плохого тона предположение (которое я не боюсь высказать), что самый блистательный в, каком-то смысле период в жизни микрофизики уже позади. Не все ведь обязаны верить в существование «бесконечной матрешки»; открыли одну куклу, а в ней лежит другая - и так без конца.
К сожалению, в вопросе о будущем микрофизики у меня нет никаких шансов убедиться в своей правоте, но зато, и в неправоте вряд ли придется покаяться - даже оптимисты не склонны ожидать нового радикального изменения роли микрофизики в науке еще при жизни нашего поколения.
АСТРОФИЗИКА
Экспериментальная проверка общей теории относительности
Общая теория относительности была в законченном виде сформулирована Эйнштейном в 1915 году. К этому же времени им уже были указаны также три знаменитых («критических») эффекта, могущих служить для проверки теории гравитационное смещение спектральных линий, отклонение световых лучей в поле Солнца и смещение перигелия Меркурия. С тех пор прошло больше полустолетия, но проблема экспериментальной проверки общей теории относительности остается животрепещущей, и продолжает находиться в центре внимания.
Дело в том, что, хотя все указанные Эйнштейном эффекты существуют и наблюдаются, достигнутая точность еще невелика.
Если будет показано, что с экспериментальной проверкой общей теории относительности в поле Солнца «все в порядке», то останется вопрос о справедливости ее в сильных полях или вблизи, и внутри сверхмассивных космических тел.
В том же случае, если бы в пределах солнечной системы надежно удалось установить хотя бы малейшие отклонения от предсказаний общей теории относительности, это явилось бы открытием исключительной важности.
Гравитационные волны
С точки зрения любой релятивистской теории гравитационного поля должны существовать гравитационные волны в вакууме, аналогичные электромагнитным волнам. Гравитационные волны должны испускаться любыми массами с отличным от нуля и переменным во времени квадрупольным моментом. Простейшими космическими объектами такого типа являются двойные звезды или планетные системы. Однако мощность гравитационного излучения невелика, а детектировать его крайне трудно.
Одной из важнейших сенсаций сегодняшнего дня является появившееся в печати утверждение о приеме космического гравитационного излучения. Интерпретация этих опытов вызывает возражения. Поэтому пет сомнений, как в необходимости продолжать исследования, так, и в том, что еще преждевременно делать, какие-либо далеко идущие выводы. Вместе с тем следует подчеркнуть, что благодаря этим работам проблема приема гравитационных волн m стадии обсуждений перешла наконец в экспериментальную фазу. В любом случае это - немалое достижение, а если действительно обнаружено мощное гравитационное излучение, то речь уже идет о замечательном и важнейшем открытии.
Космологическая проблема
Задача космологии - изучение пространства-времени «в большом», в больших масштабах, за длительное время. Тем самым космология неразрывно связана со всей внегалактической астрономией, и охватывает весьма широкую область исследований. Но «вопросом вопросов» в космологии является выяснение самого характера эволюции Вселенной во времени, выбор отвечающей действительности космологической модели.
Независимо от характера наблюдаемого расширения Вселенной совершенно ясно, что в прошлом оно не могло продолжаться вечно. И действительно, во всех однородных, и изотропных моделях расширение либо, когда-то возникало после фазы сжатия, либо начиналось в некоторый момент t=0. когда плотность вещества Q была бесконечна. Логически это допустимо, но, по мнению очень многих (в том числе, по моему мнению), является указанием на, какое-то неблагополучие, неприменимость или ограниченность теории, и т. п.
Космологическая проблема занимает в астрономии по своему характеру примерно такое же место, как микрофизика в физике. К тому же, здесь, по-видимому, в некотором смысле проблемы микромира смыкаются даже не с макрофизикой, а с астрофизикой, с космологией. По всей вероятности, для понимания этих вопросов нужны новые идеи; это область исканий, ошибок, попыток и новых попыток найти правильный путь.
Квазары, и ядра галактик
Можно ли ожидать отступлений от классических решений общей теории относительности где-либо или, когда-либо в космосе, помимо ранних (в смысле близости к моменту t = 0) фаз эволюции Вселенной? Такой вопрос может быть расширен, если заменить такие отступления более общей возможностью отхода от уже известных физических законов.
В каком-то смысле эго, видимо, извечный и волнующий довольно многих астрономов вопрос сводится ли астрономия к «земной» физике, к действующей в наших лабораториях физике? Аналогичный вопрос многие годы обсуждается в применении к биологии сводится все биологическое к фишке, к молекулярным представлениям, или пег? Дать на подобные вопросы априорного ответа, конечно, нельзя. Подход, который представляется самым естественным (и который фактически наиболее распространен), можно сформулировать так; давайте применять известную физику без ограничений. Если же на этом пути встретятся действительно непреодолимые трудности, то мы будем готовы проанализировать новые представления, пойти на, какую-то ломку или обобщение физических теорий. Вероятно, с такой формулировкой согласятся почти все, но это еще далеко не означает единства взглядов, ибо все дело в том, когда же считать трудности непреодолимыми.
Физики, занимающиеся астрономией, в этом отношении значительно более консервативны (как я убежден, в хорошем смысле этого слова), чем «чистые» астрономы. Складывается впечатление, что у некоторых астрономов имеется буквально, какая-то внутренняя потребность освободиться от «физических пут», выйти на простор исканий, не стесненных никакими ограничениями. В частности, подозревают, что «известная» физика неприменима к таким объектам, как квазары, и ядра галактик, но, по мнению большинства астрофизиков, еще совсем не исключена возможность объяснить все наблюдаемые в галактиках, и их ядрах, а также в квазарах явления, не прибегая к существенно новым физическим представлениям.
Вместе с тем сделанная выше ссылка на «большинство» невольно заставляет вспомнить Галилея, подчеркивавшего, что в вопросах науки мнение одного бывает дороже мнения тысячи. Поэтому я меньше всего собираюсь использовать пресловутое «большинство» в качестве аргумента в пользу неограниченного применения известных нам физических законов Речь идет только о констатации сложившейся ситуации. Последняя (если она правильно здесь отражена) сводится к тому, что даже «астрономическое общественное мнение», не говоря уже о «физическом общественном мнении», еще ни в, какой мере не согласилось с доводами в пользу необходимости вводить существенно новые физические представления для понимания процессов в ядрах галактик, и в квазарах. Как уже говорилось, именно там подозревают существование отклонений от известных физических законов (общая теория относительности, квантовая теория, закон сохранения числа барионов, и т. д.). Проверка такой возможности, даже не говоря о создании более полной теории галактических ядер, и квазаров, составляет проблему выдающегося значения.
Нейтронные звезды, и пульсары "
Гипотеза о существовании нейтронных звезд была высказана в 1931 году. Попытки обнаружить нейтронные звезды сначала казались почти безнадежными, потом появились надежды заметить такие звезды, пока они горячи (7 ~ 10е - К)7 градусов), по их рентгеновскому излучению Фактически же нейтронные звезды были открыты в 1967 - 1968 голах по их специфическому периодическому радио излучению - мы имеем в виду обнаружение пульсаров, идентификация которых с нейтронными звездами сейчас общепринята
Нейтронные звезды, и пульсары - эго один из фокусов (в смысле фокуса лучей, а не результата ловкости рук) современной физики и астрономии; их исследование будет, вероятно, оставаться в центре внимания еще многие годы.
Происхождение космических лучей, и космического гамма и рентгеновского излучения уже более пятидесяти лет назад было установлено, что на Землю из космоса приходит сильно проникающее излучение - космические лучи. Природа этого излучения долгие годы оставалась неясной. Но сейчас известно, что космические лучи - это заряженные частицы протоны, ядра, электроны, и позитроны. Из космоса к нам приходят также рентгеновские, и гамма-лучи и, несомненно, нейтрино. Сейчас принято, однако, называть космическими лучами только заряженные частицы космического происхождения (такое условие тем более оправдано, что в области больших энергий роль заряженных частиц является доминирующей, например, по величине потока или энерговыделению). Проблема происхождения космических лучей дискутируется десятилетия, но остается достаточно «важной, и интересной», поскольку споры на этот счет продолжаются, а большое значение самого вопроса не вызывает сомнений. То же можно сказать о происхождении космических гамма и рентгеновских лучей.
Нейтринная астрономия
Гипотеза о существовании нейтрино была высказана Паули в 1931 году. Только через четверть века - срок немалый в наше бурное время! - нейтрино удалось зарегистрировать вблизи ядерных реакторов. Естественно, возник, и такой вопрос нельзя ли так же регистрировать нейтрино внеземного происхождения?
Поскольку источниками звездной энергии являются ядерные реакции, совершенно очевидно, что нейтрино должны испускаться всеми звездами. В первую очередь речь идет, конечно, о Солнце. Попытки детектировать солнечные нейтрино предпринимаются уже несколько лет, но пока не привели к положительным результатам. Впрочем, даже уточнение верхнего предела нейтринного потока оказалось весьма цепным Зарождение нейтринной астрономии - большое событие, поскольку прием нейтрино - это единственный известный способ заглянуть в центральные области звезд.
Нейтринная астрономия «стучится в дверь», она представляет собой одну из самых интересных новых областей научных исследований, обещающую принести ценные' результаты, а быть может, и открытия.
Несколько замечаний о развитии астрономии.
Только за десять последних лет в астрономии сделано пять открытий первостепенного значения (квазары, реликтовое тепловое излучение, рентгеновские «звезды», космические мазеры на линиях молекул ОН, Н2О, и др., пульсары). В физике за тот же период можно указать, пожалуй, только на два события сопоставимой важности - открытие различии между электронными и мюонными нейтрино, и обнаружение нарушения СР-инвариантности. Если отнести к астрономии также часть достижений в области космических исследований (изучение Луны и планет), то победное шествие астрономии в наши дни станет еще более впечатляющим.
Различные научные направления, если говорить о качественной стороне дела, развиваются неравномерно. Конкретно можно констатировать, что астрономия после второй мировой войны вступила в период особенно блистательного развития, в период второй астрономической революции (первая такая революция связывается с именем Галилея. начавшего использовать телескопы). Мне хочется высказать несколько замечаний на этот счет.
Во-первых, успехи астрономии, несомненно, обусловлены развитием физики, и космической! техники, позволившими использовать фантастически чувствительную аппаратуру и поднимать ее за пределы атмосферы. Во-вторых, содержание второй астрономической революции можно видеть в процессе превращения астрономии из оптической во всеволновую. В-третьих, как ни замечательны последние астрономические открытия, они еще не вывели нас за пределы известных физических представлений, и законов.
Что будет дальше, какова тенденция развития астрономии? Пытаться дать ответ на такие вопросы очень рискованно. Но, как мне кажется, лучше ошибиться, чем молчать из осторожности. Поэтому позволю себе сделать некоторый прогноз, впрочем, мало на, что претендующий.
Можно думать, что в настоящем десятилетии (или максимум к 1985 году) вторая астрономическая революция завершится - астрономия станет всеволновой, а те открытия, которые в, каком-то смысле «лежали на поверхности», будут сделаны. После этого должен наступить более мирный период (речь идет об изучении далеких объектов; исследования планет и проблемы внеземных цивилизаций мы здесь не касаемся). Другими словами, пройдет героический период, и в астрофизике произойдут и вменения (пусть лишь на время), в некоторой мере аналогичные наблюдающимся сейчас в микрофизике. Впрочем, нельзя не отметить, что у астрономии имеются богатые резервы, связанные с возможностью расцвета нейтринной астрономии, и астрономии гравитационных волн
Наконец, главный вопрос (по крайней мере главный с точки зрения физиков). приведет ли астрономия к столь желанному для ряда ее представителей изменению фундаментальных физических представлений? Примерами таких изменений могли бы явиться необходимость введения скалярного поля в релятивистскую теорию тяготения, обнаружение изменения физических констант со временем или отклонений от известных физических законов при больших плотностях, внутри или вблизи огромных масс (ядра галактик, квазары, нейтронные звезды) и т. п.
Поиски новых фундаментальных идей, и представлений в астрономии (включая космологию) заслуживают, конечно, самого пристального внимания, но по самой сути дела предвидеть здесь ничего не дано. Тем самым поставленный выше «главный вопрос» остается без ответа. Могу лишь отметить, что сам я нисколько не был бы удивлен (и, более того, склонен верить именно в такую возможность), если бы «новая» физика в астрономии оказалась существенной лишь в космологии и для понимания заключительной фазы гравитационного коллапса.
Заключение - Условность, и спорность любого списка особенно «важных и интересных проблем» уже подчеркивались. Во избежание недоразумения следует отметить, что заниматься вопросами, не включенными в «список», также совершенно необходимо. Не говоря уже об отсутствии сколько-нибудь жестких перегородок между множеством различных физических, и технических вопросов, исследований и разработок, достаточно вспомнить о том, как рождается новая «особенно важная проблема». В большинстве случаев её родителями, как, и источниками или причинами открытий, являются «рядовые» проблемы, подобно тому, как гении рождаются у обыкновенных родителей. Вряд ли кто-либо назвал бы в тридцатые годы особенно важным изучение люминесценции жидкостей под влиянием гамма-лучей. Но именно на этом пути был открыт эффект Вавилова - Черенкова. То же можно сказать об эффекте Мёссбауэра, ряде последних астрономических открытий (например, обнаружении пульсаров) и т. д.
Иными словами, многие замечательные открытия, и научные достижения оказываются непредвиденными и неожиданными.
Таким образом, если определенная концентрация внимания на известных, особенно важных проблемах сегодняшнего дня естественна, и разумна, то это никак не должно приводить к забвению других направлений и негармоничному развитию физики, и астрофизики в целом.
