Академик Виталий Лазаревич Гинзбург

"Физический минимум" на начало XXI века

Вступление

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».

Список "особенно важных и интересных проблем"

Макрофизика

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.

Микрофизика

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.

Астрофизика

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.

Макрофизика

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.

Особое внимание в последние годы привлекает к себе бозе-эйнштейновская конденсация (БЭК) газов. Это, несомненно, очень интересные работы. Длительное время, правда, на БЭК не обращали внимания и иногда даже сомневались в ее реальности. Но эти времена давно прошли, особенно после 1938 года, когда Ф. Лондон связал БЭК со сверхтекучестью 4 He. Стремление наблюдать БЭК в разреженном газе вполне понятно и оправдано. Другое дело, что наблюдение БЭК в газах Rb, Na, Li и, наконец, в H, осуществленное в 1995 году и позже, является очень большим достижением экспериментальной физики. Оно стало возможным только в результате развития методов охлаждения газов до сверхнизких температур и удержания их в ловушках. В бозе-эйнштейновском конденсате атомы находятся в когерентном состоянии, и можно наблюдать интерференционные явления, что привело к появлению понятия об «атомном лазере». Весьма интересна БЭК в двумерном газе.

В отношении нелинейной физики нужно, быть может, лишний раз подчеркнуть, что внимание к ней все усиливается. В значительной мере это связано с тем, что использование современной вычислительной техники позволяет анализировать задачи, об исследовании которых раньше можно было только мечтать.

Недаром XX век иногда называли не только атомным, но и лазерным веком. Совершенствование лазеров и расширение области их применения идет полным ходом. Особенно интересны сверхмощные лазеры. Так, уже достигнута интенсивность (плотность мощности) порядка 10 20–10 21 Вт/см 2. При такой интенсивности напряженность электрического поля порядка 10 12 В/см, т. е. оно на два порядка сильнее поля протона на основном уровне атома водорода. Магнитное поле достигает 10 9 –10 10 Э. При этом используются очень короткие импульсы длительностью до 10–15 с (т. е. до фемтосекунды). Использование таких импульсов открывает целый ряд возможностей, в частности, для получения гармоник, лежащих уже в рентгеновском диапазоне, и, соответственно, рентгеновских импульсов с длительностью в аттосекунды (1а = 10–18 с). Родственная проблема — создание и использование разеров и гразеров — аналогов лазеров, соответственно, в рентгеновском и гамма-диапазонах.

Проблема 13 — из области ядерной физики. Это, конечно, большая область, поэтому я выделил только два вопроса. Во-первых, это далекие трансурановые элементы в связи с надеждами на то, что отдельные изотопы в силу оболочечных эффектов живут долго (в качестве такого изотопа в литературе указывалось на ядро с Z = 114 и с числом нейтронов N = 184, т. е. с массовым числом А = Z + N = 298). Известные трансурановые элементы с Z < 114 живут лишь секунды или доли секунд. Появлявшиеся в литературе указания на существование в космических лучах долгоживущих (речь идет о миллионах лет) трансурановых ядер пока подтверждены не были. В начале 1999 года появилось сообщение о том, что в Дубне синтезирован 114-й элемент с массовым числом 289, живущий около 30 секунд. Поэтому возникла надежда на то, что элемент (114 289) действительно окажется долгоживущим. Во-вторых, упомянуты «экзотические» ядра. Это ядра из нуклонов и анти0нуклонов, какие-то гипотетические ядра с повышенной плотностью, не говоря уже о ядрах несферической формы и с некоторыми другими особенностями. Сюда примыкает проблема кварковой материи и кварк-глюонной плазмы.

Микрофизика

Проблемы с 14-й по 20-ю относятся к области, которую именую микрофизикой, хотя ее правильнее всего, по-видимому, называть физикой элементарных частиц.

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 мы считаем неделимыми и в этом смысле элементарными. Кварки — их, не считая антикварки, 6 «ароматов» (flavours): u (up), d (down), с (charm), s (strangeness), t (top) и b (bottom); антикварки обозначаются с помощью черточки сверху (u — и т. д.). Далее элементарны лептоны: электрон и позитрон (е — и е +), m —+, t —+, соответствующие нейтрино n e, n m, n t. Наконец, элементарными являются 4 векторных бозона (фотон g, глюон g, Z 0, W —+).

Одна из самых актуальных задач физики элементарных частиц — поиски и, как все надеются, обнаружение хиггса — скалярного хиггс-бозона со спином 0. По оценкам, масса хиггса меньше 1000 ГэВ, но скорее даже меньше 200 ГэВ. Поиски ведутся и будут вестись на имеющихся и реконструируемых ускорителях (в ЦЕРНе и Фермилабе). Главная же надежда физики высоких энергий (возможно, и при поисках хиггса) — это ускоритель LHC (Large Hadron Collider), строящийся в ЦЕРНе. В нем будет достигнута энергия в 14 ТэВ (в системе центра масс сталкивающихся нуклонов), но только, видимо, в 2006–2007 гг. Другая важнейшая задача — поиски суперсимметричных частиц. Нельзя не отметить исследование проблемы CP-несохранения и, в силу справедливости СРТ-инвариантности (совместных пространственной инверсии Р, зарядового сопряжения C и обращения знака времени Т), также и несохранения T-инвариантности (неинвариантность при замене знака времени t на — t). Разумеется, это фундаментальный вопрос, в частности, с точки зрения объяснения необратимости физических процессов. Природа процессов с СР-несохранением пока неясна; идут поиски СР-несохранения при распаде B-мезонов. Распад протона пока не обнаружен. По последним данным, среднее время жизни протона, если определить его по реакции р е + +р 0, больше 1,6 x 10 33 года.

Относительно проблемы 17 подчеркну следующее. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что до расстояний порядка 10–17 см (чаще, правда, указывают длину в 10–16 см) и времен порядка 10–27 с существующие 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 l f и времени t f ~ l f /с, при которых вступает в строй «новая физика» и конкретно какие-то необычные пространственно-временные представления («зернистое пространство-время» и т. п.). Сегодня нет никаких оснований для введения длины l f ~ 10–17 см. С другой стороны, в физике известна и играет важную роль некоторая другая фундаментальная длина, а именно планковская, или гравитационная, длина l g = 1,6 х 10–33 см; ей отвечают время t ~ 10–43 с и энергия E g ~ 10 19 ГэВ. Нередко фигурирует и планковская масса m g ~ 10 –5 г. Физический смысл длины l g заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в 1915 году. Здесь нужно использовать квантовую теорию гравитации, еще не созданную в сколько-нибудь законченной форме.

Кстати, о терминологии. Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой. Схема, объединяющая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, называется Великим объединением. Вместе с тем реально используемая современная теория элементарных частиц, состоящая из теории электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, называется стандартной моделью (standard model). Наконец, теории, в которых Великое объединение (до конца еще не созданное) обобщается таким образом, что включает еще и гравитацию, называют суперобъединением. Такого удовлетворительного суперобъединения построить еще не удалось.

До того как перейти к проблемам астрофизики и близким к ним (номера 21–30 в «списке»), остановлюсь на проблеме 20: струны и М-теория. Это, можно сказать, фронтовое направление в теоретической физике на сегодняшний день. Кстати, вместо термина «струны» часто употребляют название суперструны (superstrings), во-первых, чтобы не было путаницы с космическими струнами, и, во-вторых, чтобы подчеркнуть использование представлений о суперсимметрии. В суперсимметричной теории каждой частице отвечает (содержится в уравнениях) ее партнер с другой статистикой: например, фотону (бозону со спином 1) отвечает фотино (фермион со спином S) 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 как на существующих или реконструируемых ускорителях, так и на LHC.

В квантовой механике и в квантовой теории поля элементарные частицы считаются точечными. В теории струн элементарные частицы — это колебания одномерных объектов (струн), имеющих характерные размеры порядка 10–33 см. Струны могут быть конечной длины (некоторый «отрезок») или в виде колечек. Струны рассматриваются не в 4-мерном («обычном») пространстве, а в многомерных пространствах, скажем с 10 или 11 измерениями.

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 6 типов (ароматов) кварков и 6 лептонов; почему масса электронного нейтрино очень мала; почему m- и t-лептоны отличаются по своей массе от электрона именно в известное из эксперимента число раз; как определить из теории постоянную тонкой структуры a = 1/137 и ряд других постоянных и т. д. Другими словами, как ни грандиозны и впечатляющи достижения физики, нерешенных фундаментальных проблем предостаточно. Теория струн еще не ответила на подобные вопросы. Все, что в ней происходит, — это, скорее, «физнадежды», как любил говорить Л. Д. Ландау, а не результаты. Но чувствуется, что эта теория — нечто глубокое и развивающееся.

Астрофизика

К астрофизике относим проблемы 21–30, что в некоторых случаях весьма условно. В частности, и даже в особенности, это относится к вопросу об экспериментальной проверке ОТО — общей теории относительности. Эффекты ОТО в пределах Солнечной системы весьма малы. Именно поэтому проверка, с успехом начатая в 1919 году и продолжающая до сих пор, не приводит к точностям, к которым мы привыкли в атомной физике.

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 + 0,001. В общем ОТО проверена в слабом гравитационном поле с погрешностью до сотой доли процента; при этом никаких отклонений от ОТО не обнаружено. Особо стоит вопрос о проверке принципа эквивалентности; его справедливость подтверждена с точностью 10–12.

В астрофизике отклонение лучей в поле тяжести все шире используется при наблюдении «линзирования», т. е. фокусировки электромагнитных волн под действием гравитационного поля, в применении как к галактикам (они линзируют свет и радиоволны квазаров и других галактик), так и к звездам (микролинзирование более удаленных звезд). Разумеется, речь при этом не идет о проверке ОТО (точность измерений сравнительно невелика), а об ее использовании.

Когда-то наблюдать гравитационные линзы считалось практически невозможным. Однако в 1979 году было обнаружено линзирование одного из квазаров. В настоящее время наблюдение линзирования и микролинзирования — довольно широко используемый астрономический метод. В частности, данные о линзировании позволяют определить постоянную Хаббла.

По-настоящему актуальна проверка ОТО в сильных гравитационных полях — для нейтронных звезд и вблизи черных дыр и вообще для черных дыр. Так, недавно предложен метод проверки ОТО в сильном поле по колебаниям излучения в двойной звезде, одна из компонент которой является нейтронной звездой. Хотя черные дыры и можно было вообразить себе в дорелятивистской физике, но по сути дела — это замечательный релятивистский объект. Можно отметить, что их обнаружение подтверждает ОТО. Однако, насколько я себе представляю ситуацию, нельзя утверждать, что известное о черных дырах подтверждает именно ОТО, а не некоторые отличающиеся от нее релятивистские теории гравитации.

Существенной проверкой ОТО является исследование двойных пульсаров. Оно показало, что потеря энергии двумя движущимися нейтронными звездами, образующими двойную систему, находится в полном согласии с ОТО при учете гравитационного излучения (интенсивность которого была вычислена Эйнштейном в 1918 году). Ни один квалифицированный физик не сомневается в существовании гравитационных волн. Но имеется проблема (она фигурирует в списке под номером 22) — прием гравитационных волн, приходящих из космоса. Задача технически очень сложна, для ее решения строятся гигантские установки. Так, система LIGO (Laser interferometer gravitational-wave observatory, США) состоит из двух далеко разнесенных «антенн» длиной 4 км каждая. В этой установке можно будет заметить происходящее под действием приходящей гравитационной волны смещение зеркал на 10–16 см, а в дальнейшем и меньшие смещения. В ближайшие годы LIGO и аналогичные установки, строящиеся в Европе и Японии, вступят в строй. Так будет положено начало гравитационно-волновой астрономии.

Замечу, что радиоастрономия родилась в 1931 году, а начала интенсивно развиваться после 1945 года. Галактическая рентгеновская астрономия возникла в 1962 году. Гамма-астрономия и нейтринная астрономия еще моложе. С развитием гравитационно-волновой астрономии будет освоен последний известный «канал», по которому мы можем получать астрофизическую информацию. Как и в других случаях, весьма важны будут совместные (одновременные) измерения в различных «каналах». Речь может идти, например, об исследовании образования сверхмассивных черных дыр совместно в нейтринном, гравитационно-волновом и гамма-«каналах».

Совокупность проблем, указанных в списке под номером 23, — это, пожалуй, самое главное в астрофизике. Сюда отнесена и космология. Несомненно, космологическая проблема — великая проблема. Внимание она привлекала к себе всегда: ведь системы Птолемея и Коперника — это тоже космологические теории. В рамках физики XX века космология в теоретическом плане создавалась в работах Эйнштейна (1917 г.), Фридмана (1922 и 1924 гг.), Леметра (1927 г.) и затем многих других. Но до конца 40-х годов все наблюдения, существенные с космологической точки зрения, велись в оптическом диапазоне. Поэтому от крыт был лишь закон красного смещения, и тем самым установлено расширение Метагалактики (работы Хаббла, которые датируются 1929 годом, хотя красное смещение наблюдалось и ранее, и не только Хабблом). Энергичное развитие космологии началось только после того, как в 1965 году было открыто реликтовое тепловое радиоизлучение с температурой около 2,7 К. В настоящее время именно измерения в радиодиапазоне играют наиболее важную роль среди наблюдений, имеющих космологическое значение.

Одной из основных, а может быть и главной, задачей в космологии является определение характера эволюции Вселенной. Важный результат, известный уже довольно давно, заключается в том, что в эволюцию Вселенной вносит вклад не только «обычное» барионное вещество (и, конечно, электроны), но еще что-то, что называют скрытой, или темной, массой (dark matter). Кроме этого, предполагается и влияние некоторой «вакуумной материи», называемой также «темной энергией».

Обращаясь к проблеме 24 (нейтронные звезды и пульсары, сверхновые), замечу, что гипотеза о существовании нейтронных звезд, насколько знаю, была высказана в 1934 году. Вначале казалось, что нейтронные звезды (характерный радиус 10 км, масса порядка массы Солнца) обнаружить почти невозможно. Сейчас даже одиночные нейтронные звезды, не говоря уже о двойных звездах, изучаются в рентгеновских лучах. Однако еще до этого в 1967–1968 годах было открыто радиоизлучение нейтронных звезд — пульсаров.

Сейчас известно около 1000 пульсаров с периодом радиоимпульсов (это также период вращения звезды) от 1,56 x 10 –3 с до 4,3 с. У миллисекундных пульсаров магнитное поле (на поверхности) порядка 10 8– 10 9 Э. У большинства пульсаров с периодом радиоимпульсов от 0,1 с до 1 с поле порядка 10 12 Э. Кстати, существование в природе столь сильных магнитных полей тоже важное открытие. В последнее время обнаружены нейтронные звезды с еще более сильными полями (магнетары), достигающими по оценкам 10 15–10 16 Э(!). Радиоизлучение эти магнетары не испускают, но наблюдаются в мягких гамма-лучах.

Черные дыры и особенно космические струны — еще значительно более экзотические объекты, чем нейтронные звезды. Космические струны (не следует, конечно, их путать с суперструнами) — это некоторые (не единственно возможные) топологические «дефекты», могущие возникать при фазовых переходах в ранней Вселенной. Они представляют собой нити, могущие быть замкнутыми (кольца) космических масштабов и с характерной толщиной порядка 10–29– 10–30 см. Космические струны еще не наблюдались, даже «кандидаты» на эту роль мне неизвестны. Поэтому я было включил космические струны в «список» рядом с черными дырами, но поставил знак вопроса.

Совсем иначе дело обстоит с черными дырами — они являются важнейшими астрономическими и физическими объектами. Несмотря на то что «схватить черную дыру за руку» очень трудно, в их существовании и большой роли в космосе сегодня невозможно сомневаться. Любопытно, что черные дыры в некотором смысле были предсказаны еще в конце XVIII века Митчеллом и Лапласом.

Наблюдаются, или, если быть очень осторожными, по всей вероятности, наблюдаются, черные дыры двух типов — со звездными массами меньше или порядка 100 масс Солнца и гигантские дыры в галактиках и квазарах с массами порядка (10 6– 10 9) масс Солнца. Дыры со звездными массами находят в основном в результате наблюдения двойных систем.

Вопрос об образовании галактик (проблема 26) составляет особую главу космологии. Ее содержание в теоретическом плане состоит в анализе динамики неоднородностей плотности и скорости вещества в расширяющейся Вселенной. В результате роста крупномасштабных неоднородностей вещества во Вселенной появляются галактики и скопления галактик.

Теперь остановлюсь на вопросе о темной материи. По сути дела, это очень крупное и неожиданное открытие, история которого, насколько знаю, восходит к 1933 году. Количество светящейся материи определяется в результате наблюдений в основном в видимом свете. Полное же количество гравитирующей материи сказывается на динамике — движении звезд в галактиках и галактик в скоплениях. Вне всяких сомнений, установлено, что во Вселенной имеется несветящаяся материя, проявляющаяся в силу своего гравитационного взаимодействия. Темная материя распределена отнюдь не равномерно, 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, часто именовавшейся ранее также 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 разных типов.

Происхождение космических лучей (проблема 28), открытых в 1912 году, много лет оставалось загадочным. Но сейчас можно не сомневаться в том, что основными их источниками являются сверхновые звезды. Наиболее интересной представляется проблема происхождения космических лучей со сверхвысокими энергиями, превышающими 10 16 эВ. Наивысшая наблюдавшаяся в космических лучах энергия составляет 3 x 10 20 эВ. Ускорить частицы (скажем, протон) до такой энергии нелегко, но, по-видимому, возможно, особенно в активных ядрах галактик. Однако есть ряд трудностей, которые не позволяют удовлетворительно ответить на вопросы о происхождении космических лучей с самой высокой энергией. Проблема 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), оснащенных приборами, могущими регистрировать мягкие гамма-лучи и предназначенные для контроля над соглашением, запрещающим атомные взрывы в атмосфере. Взрывы не производились, но были зафиксированы гамма-всплески неизвестного происхождения. Их типичные энергия (0,1–1) МэВ и длительность — секунды. Об этом открытии было сообщено лишь в 1973 году. Гамма-всплески с тех пор энергично изучались, но их природа долгое время оставалась неясной. Сейчас можно констатировать, что гамма-всплески — следствие мощнейших взрывных явлений, наблюдаемых во Вселенной, не считая, конечно, самого Большого взрыва (Big Bang). Речь идет об энерговыделении до примерно 10 51 эрг только в гамма-диапазоне. Это существенно больше, чем оптическое излучение при взрывах сверхновых. Поэтому некоторые источники гамма-всплесков называли гиперновыми. Кандидаты на роль таких «источников»: слияние двух нейтронных звезд, какое-то столкновение или слияние массивной звезды с нейтронной и т. п.

Осталось обсудить последнюю, 30-ю проблему «списка» — нейтринную физику и астрономию. Напомню, что гипотеза о существовании нейтрино была высказана Паули в 1930 году. Длительное время считалось, что детектировать нейтрино практически невозможно. Вопрос о массе нейтрино возникал, вероятно, с самого начала, но было ясно, что масса, например, электронного нейтрино если и отлична от нуля, то очень мала по сравнению с массой электрона. Так или иначе, вопрос о массе нейтрино остается актуальным.

Солнце и звезды, как известно, излучают за счет происходящих в их недрах ядерных реакций и, следовательно, должны испускать нейтрино. Такие нейтрино, имеющие энергию около 10 МэВ, могут в настоящее время регистрироваться лишь от Солнца. Еще несколько лет назад считалось, что измеряемый поток нейтрино от Солнца существенно меньше вычисленного. Но сейчас построены и начали эксплуатироваться несколько совершенных установок для детектирования солнечных нейтрино с различными энергиями. Результаты наблюдений самых последних лет позволяют утверждать, что проблема солнечных нейтрино в основном решена.

Нейтринная астрономия — это не только солнечная астрономия. Сейчас ведется мониторинг, и если нам повезет и вблизи Солнца (в Галактике или в Магеллановых Облаках) вспыхнет еще одна сверхновая, то будет получен богатый материал (сверхновые в Галактике вспыхивают в среднем примерно раз в 30 лет, но эта цифра неточна, и, главное, вспышка может произойти в любой момент). 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 с энергиями нейтрино, превышающими 10 12 эВ. Наиболее вероятные источники: ядра галактик, слияние нейтронных звезд, космические топологические «дефекты».

О трех «великих» проблемах

Для известной полноты картины хочу упомянуть еще о трех проблемах (или круге вопросов), которые остались за пределами изложенного.

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.

Что касается «стрелы времени», не вижу каких-то новых экспериментов, могущих способствовать прогрессу в понимании. Интуитивно думаю, что важно несохранение СР, а тем самым и Т-инвариантности. Но все это еще недостаточно исследовано и осознано.

Хочу отметить, что обсуждение основ нерелятивистской квантовой механики сохраняет известную актуальность и не следует им пренебрегать. Значительная, если не подавляющая часть критиков квантовой механики не удовлетворены вероятностным характером части ее предсказаний. Они хотели бы, видимо, вернуться и при анализе микроявлений к классическому детерминизму и, наглядно говоря, узнать в конце концов, куда именно попадает каждый электрон в известных дифракционных опытах. Сейчас надеяться на это нет никаких оснований.

Теперь о связи физики с биологией. С конца XIX века и примерно до 60-х или 70-х годов XX века физика была, можно сказать, первой 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 естествознания. Развитие физики привело в середине XX 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 — это уже физические проблемы, для биологии и других естественных наук непосредственного значения не имеющие. В то же время биология, используя в основном все более совершенные физические методы, быстро прогрессировала и, после расшифровки в 1953 году генетического кода, начала особенно бурно развиваться. Сегодня именно биология, особенно молекулярная биология, заняла место лидирующей науки. Можно не соглашаться с подобной терминологией и маловажным, по существу, распределением «мест» в науке. Я хочу лишь подчеркнуть факты, не всеми физиками, особенно в России, понимаемые. Для нас физика остается делом жизни, молодой и прекрасной, но для человеческого общества и его развития место физики заняла биология.

Мы полагаем в настоящее время, что знаем, из чего устроено все живое — из электронов, атомов и молекул. Знаем строение атомов и молекул, а также управляющие ими и излучением законы. Поэтому естественна гипотеза о редукции — возможности все живое объяснить на основе физики, уже известной физики. Конкретно, основными являются 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, будет безоговорочно решена только после создания «жизни в пробирке».

О будущем нельзя не думать с завистью — сколь много важного и интересного мы узнаем даже в ближайшие лет десять! Думаю, что в пределах 20–30 лет мы получим ответы на все упомянутые выше вопросы, за исключением, быть может, фундаментальных проблем физики элементарных частиц (суперструны и т. д.) и квантовой космологии вблизи классических сингулярностей. В этих двух направлениях я просто не берусь ничего предвидеть.

И еще. Распространенные в последние годы довольно пессимистические прогнозы в отношении развития физики и астрофизики в обозримое время представляются мне плодом недостаточной информированности, некомпетентности или просто недоразумения.

Более подробно затронутые в этой статье проблемы изложены в главе «Какие проблемы физики и астрофизики представляются особенно важными и интересными в начале XXI века» в книге В. Л. Гинзбурга «О науке, о себе и о других». М., изд-во «Физматлитература», 2003 г. (3-е издание).

Content

Академик Виталий Лазаревич Гинзбург
"Физический минимум" на начало XXI века

Вступление

Список "особенно важных и интересных проблем"

Макрофизика

Микрофизика

Астрофизика

Макрофизика

Микрофизика

Астрофизика

О трех «великих» проблемах