Е. А.,2007 проблемы современной физики icon

Е. А.,2007 проблемы современной физики



НазваниеЕ. А.,2007 проблемы современной физики
Дата конвертации05.07.2012
Размер265.86 Kb.
ТипДокументы

© Стрекалова Е.А.,2007


ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ


В данной работе рассмотрены проблемы, которые стоят перед физикой в текущую эпоху (начало XXI века). Она создана на основе статьи академика Гинзбурга В.Л. [1]. В работе Гинзбурга сформулировано 30 проблем, которые являются наиболее развивающимися или интересными в физической науке в современную эпоху. Сведения, содержащиеся в [1], дополнены здесь необходимыми определениями, пояснениями и дополнениями, так чтобы проблемы были понятны не только специалистам в области физики. Иногда они взяты из работы [2], в других случаях – из учебника [3], Интернета, журналов "La recherche", "Наука в России" и других. Ссылки на источники даны только если источник отличен от [1]; если дана цитата без ссылки, то это – цитата из [1].


^ I. Макрофизика.


1. Управляемый ядерный синтез.

Реакции ядерного синтеза происходят в недрах звезд. За счет выделения энергии в ходе этих реакций, по-видимому, светят звезды, в частности, Солнце. Возможны 2 процесса [3]:

1) водородный цикл

11p + 11p  12H + +10e + e ,


12H + 11p  23He +  ,


23He + 23He  24He + 2 11p ;

2) углеродный цикл.

По мере исчерпания запасов водорода начинается синтез более тяжелых элементов.

Ядерный синтез в условиях Земли приводит к взрыву (термоядерная бомба), т.к. идет неуправляемая нарастающая термоядерная реакция. Задача физиков и инженеров: взять ход реакции под контроль, чтобы получать энергию в промышленных масштабах, подобно атомным электростанциям, в которых осуществляется не ядерный синтез, а деление ядер.

Решение проблемы началось в СССР в 1950 г. Самое перспективное направление – система токамак. В ней водородная плазма-жгут удерживается в середине тороидальной камеры и закручивается системой магнитных полей, создаваемых катушками.

Международный проект токамака ITER близок к завершению. Проблемы переместились из физической в экономическую (нехватка денег) и инженерную области. Видимо, для ее решения потребуется еще 10 лет (считая с 1999г.)

"Надежды на возможности "холодного термояда" (например, в электролитических элементах) оставлены".

Плазма – это сильно ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы [3].


^ 2. Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость.

Сверхпроводимость – это явление скачкообразного повышения проводимости вещества (сопротивление практически обнуляется) при определенной температуре. Так, она наблюдается у металлов (Al, Pb, Zn и др.) при температурах Т ~ 0,14 ч 20 К , т.е. близких к абсолютному нулю. Для техники было бы важно получить вещества с более высокой температурой сверхпроводимости.


В 1986-87 гг. созданы такие материалы. Это купраты, соединения меди – керамика. Так, HgBa2Ca2Cu3O8+x сверхпроводит при Т = 135 К ( -138°С), а под большим давлением – при Т = 164 К. Но "механизм сверхпроводимости в купратах остается неясным". Существенную роль здесь, без сомнений, "играет электронно-фононное взаимодействие с сильной связью", но нужно еще "что-то".

Главный вопрос в этой области – это возможность создания материалов, сверхпроводящих при комнатной температуре.

Фонон – квант энергии звуковой волны – квазичастица – элементарное возбуждение в кристалле [3].


^ 3. Металлический водород. Другие экзотические вещества.

Считается, что водород при определенных условиях (температура, давление) должен переходить в состояние, которое можно назвать "металлический водород". В нем атомы водорода, лишенные электронных оболочек, образуют подобие кристаллической решетки, а электроны переходят в свободное состояние. В результате вещество становится хорошо проводящим электрический ток.

Считается, что из металлического водорода состоят ядра больших планет (Юпитер, Сатурн). В земных условиях металлический водород пока не получен, "даже под давлением 3 млн. атмосфер". Так, в 2002 году в опытах по сжатию водорода достигнуто давление ~ 3Мбар (сжатие с помощью алмазных наковален). Предполагается, что для получения металлического водорода потребуется 40 Мбар [4]. (1 атм  1 бар).

В одном эксперименте при сжатии водорода ударными волнами при Т ~ 3000К "обнаружен, по-видимому, переход в металлическую (т.е. хорошо проводящую) жидкую фазу".

Но исследования молекулярного водорода H2, воды H2O и ряда других веществ при высоких давлениях обнаружили у них ряд интересных особенностей. К "экзотическим" веществам можно отнести также фуллерены (см. ниже п.9) и некоторые другие вещества.


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

Эффект Холла – это возникновение в металле или полупроводнике с током плотностью j , помещенном в магнитное поле В , электрического поля в направлении, перпендикулярном B и j [3].

Квантовый эффект Холла наблюдается при протекании тока в двумерной электронной жидкости. В эксперименте был реализован тонкий слой полупроводниковой структуры (чередующиеся слои чистого и легированного полупроводника) на поверхности кремния. В нем исследовался эффект Холла в сильных магнитных полях (~5-10 Тл) [5].

Объяснение слов:

двумерная: слой полупроводников очень тонкий (нанометры); его можно считать двумерным;

электронная: нас интересуют носители тока – электроны;

электронная жидкость: совокупность электронов в этом случае обладает некоторыми свойствами жидкости (несжимаемость). Она названа жидкостью Лафлина [5];

квантовый: на линейном ходе зависимости проводимости от напряженности магнитного поля выявлены ступеньки: в сильных полях холловская проводимость квантуется [5];

жидкость Лафлина – новое, неизвестное ранее, квантовое состояние вещества.

В 1985 г. присуждена Нобелевская премия за открытие целочисленного квантового эффекта Холла, в 1998 г. – дробного квантового эффекта Холла.

Неожиданным следствием дробного эффекта Холла "является существование квазичастиц с дробными зарядами e*=e/3 … и другими дробными зарядами" (квазичастицы реально не существуют).

Двумерная электронная жидкость интересна не только для эффекта Холла, но и в других случаях.


^ 5. Некоторые вопросы физики твердого тела: (1) гетероструктуры в полупроводниках, (2) квантовые ямы и точки, (3) волны зарядовой и спиновой плотности, (4) мезоскопика.

(1) и (4). "Твердые тела … считались чем-то целым и неделимым. … Недавно выяснилось, что в твердом теле существуют области с различным химическим составом и физическими свойствами, разделенные резко очерченными границами" [6]. Поэтому твердое тело является гетерогенной системой (а не гомогенной).

Это приводит к тому, что физические свойства "конкретного образца резко отличаются от усредненных значений; … поверхность кристалла имеет свойства, отличные от его внутренней части. … Совокупность подобных явлений называется мезоскопикой" [6].

(2) Квантовые ямы и точки. Микроскопические полупроводниковые структуры – это квантовые ямы, нити и точки. Они должны стать основой нового поколения электронных и оптоэлектронных приборов.


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

Фазовые переходы I рода: связаны с поглощением или выделением теплоты, т.е. T = const, энтропия и объем изменяются. Это – хорошо известные плавление, кристаллизация и т.д. Фазовые переходы II рода: не связаны с поглощением или выделением теплоты и изменением объема. Примеры: возникновение ферромагнитного состояния из парамагнитного; переход металлов при Т~0К в сверхпроводящее состояние; превращение жидкого гелия (гелия I) при Т=2,2К в другую жидкую модификацию (гелий II) (сверхтекучую, т.е. вязкость = 0) [3]. Полная теория фазовых переходов II рода до конца не разработана.

Ведутся работы по экспериментальному исследованию фазовых переходов II рода. Так, в последние годы были открыты низкотемпературные сверхтекучие состояния 3He – Нобелевская премия за 1996 г (аналогичные состояния 4He были известны раньше).

Были развиты методы "охлаждения газов до сверхнизких температур" (Нобелевская премия за 1997 г.). В результате стало возможным "наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации (БЭК) в газах Rb, Na, Li" и Н, что является большим достижением экспериментальной физики. Бозе-эйнштейнов-ская конденсация – это фазовый переход II рода для бозонов; одно из свойств такого конденсата – комплекс частиц ведет себя как одна частица.

Важно, что в бозе-эйнштейновском конденсате атомы находятся в когерентном состоянии, "что привело к появлению понятия об "атомном лазере"".


^ 7. Физика поверхности. Кластеры.

Атомы и электроны на поверхности находятся в других условия по сравнению с объемом.

Обнаружено поверхностное магнитное упорядочение. Внимания заслуживают исследования инверсионных слоев на границе Si и SiO2, свойств электронов на поверхности жидкого гелия и другие проблемы [2].

"Хочется отметить повышенный ... интерес к кластерам из различных атомов и молекул (речь идет об образованиях, содержащих небольшое число частиц)". Кластеры – это микрочастицы, находящиеся на поверхности твердого тела. Они состоит из частиц адсорбата (инородное вещество) и некоторого количества частиц адсорбента (твердое тела).

В последние годы развиты экспериментальные методы (спектроскопия высокого разрешения, получение ультравысокого вакуума), которые стимулировали развитие физики поверхности.


^ 8. Жидкие кристаллы. Ферроэлектрики. Ферротороики.

Жидкие кристаллы – это жидкости, обладающие анизотропией свойств, связанной с упорядоченностью в ориентации молекул (одновременно и кристалл, и жидкость). Они находят широкое применение в технике в индикаторных устройствах, температурных датчиках, компьютерах (экраны мониторов). Жидкие кристаллы сейчас интенсивно исследуются.

Ферроэлектрики – это название сегнетоэлектриков в англоязычной литературе – вещества-диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, т.е. поляризованностью в отсутствие внешнего электрического поля.

При внесении сегнетоэлектрика в электрическое поле дипольные моменты доменов ориентируются по полю, а после прекращения действия поля поляризованность сегнетоэлектрика сохраняется. Следовательно, у них большие значения диэлектрической проницаемости: ?  104 для сегнетовой соли. Другой пример – титанат бария BaTiO3 [3].

Сегнетоэлектрики применяются в технике, например, в конденсаторах. Привлекают внимание исследования тонких сегнетоэлектрических пленок.

Кроме электрического и магнитного момента существует еще тороидальный момент – им обладает замкнутый тороидальный соленоид, по которому течет ток. Ферротороики – вещества, обладающие ненулевым собственным тороидальным моментом [4].


^ 9. Фуллерены. Нанотрубки.

Хорошо известны 3 аллотропные формы углерода: алмаз, графит и карбин. Фуллерены – это 4-я форма углерода Cn. Обычно n>20 .

Обычный фуллерен – C60. Он состоит из 60 атомов углерода; молекула сферической формы, атомы углерода в ней образуют шестиугольники, частично – пятиугольники. Радиус С60 – 0,357 нм [7].

В последнее время кроме него начали изучать C36, который может обладать очень высокой температурой сверхпроводимости (см. п. 2).

Углеродные нанотрубки – это несфероидальные фуллерены, протяженные цилиндрические структуры из атомов углерода, толщиной также в нанометры. Внутрь нанотрубок можно помещать сверхпроводящие кристаллы, что открывает большие возможности [7].

Фуллерены относятся к числу экзотических веществ (см. п. 3). Эта область находится в расцвете.

Сферические фуллерены предполагают использовать для создания фотоприемников, в качестве сверхпроводящих материалов, в качестве основы для запоминающей среды с высокой плотностью информации. Области применения нанотрубок также обширны [7].


^ 10. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.

Сверхсильные магнитные поля создаются в коре нейтронных звезд, которые будут рассмотрены в п.24. Кора нейтронных звезд – это не только нейтроны, а нейтроны и протоны. Пульсары – вращающиеся нейтронные звезды. "У большинства пульсаров ... поле ~1012Э". В подклассе магнетаров – еще выше – 1015­­-1016Э.

Магнитное поле считается "сильным", если

Н > ~3·109 Z2 Э

(Z – атомный номер вещества). В сильных полях атомы не похожи на привычные нам образы. В них электронная оболочка вытягивается в узкую иглу [2].

В условиях Земли подобные эффекты моделируют в полупроводниках: магнитное поле, действующее на экситон в полупроводнике, является сильным уже при

Н > ~3·105 Э [2].


^ 11. Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы.

Нелинейная физика занимает "10-20% ... материала" в физической периодике, и интерес к ней усиливается.

Нелинейные математические задачи, моделирующие соответствующие физические проблемы, решаются с использованием вычислительной техники, прогресс которой "позволяет анализировать задачи, об исследовании которых раньше можно было только мечтать".

Турбулентность – это беспорядочные движения в потоках жидкости, газа, плазмы, в результате которых параметры изменяются случайным образом.

Солитон – это устойчивая локализованная структура поля (сгусток поля или разряжение); структурно устойчивая уединенная волна, распространяющаяся в нелинейной среде. Подобно частицам, при столкновении друг с другом солитоны не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою структуру неизменной.

Хаос. Фазовые траектории в нелинейной системе, если объем системы ограничен, не могут разойтись на бесконечно большое расстояние и запутываются – возникает динамический хаос.

Но могут существовать так называемые странные аттракторы – это множество притягивающих к себе траекторий в фазовом пространстве. Это – типичный результат решения систем нелинейных дифференциальных уравнений [8].


^ 12. Сверхмощные лазеры, разеры, гразеры.

Лазер предназначен для генерации электромагнитных волн, которые обладают на выходе когерентностью, строгой монохроматичностью, большой плотностью потока энергии и малым угловым расхождением в пучке [3]. Лазер создан в середине ХХ в .

Сейчас проблема – это создание сверхмощных лазеров. "Уже достигнута ... плотность мощности 1020 – 1021 Вт/см2". "При этом используются очень короткие импульсы – ... до 10-15с".

"Родственная проблема – создание ... разеров и гразеров – аналогов лазеров, соответственно, в рентгеновском и гамма-диапазонах". В этих диапазонах трудно получить инверсную населенность уровней, на которой работают классические лазеры, поэтому ищутся обходные пути [2].


^ 13. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра.

"Известные трансурановые элементы с Z<114 живут лишь секунды или доли секунды". Существуют надежды на то, что отдельные изотопы с Z  114 живут долго. В 1999г. было сообщение, "что в Дубне синтезирован 114 элемент с массовым числом 289, живущий около 30 секунд" ([1], 1999г.)

В [9] (2006 г.) сообщено следующее. "За последние 5 лет здесь (в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне – Стрекалова Е.А.) синтезировали 17 изотопов новых химических элементов с атомными номерами от 112 до 118".

Под экзотическими ядрами понимаются пока гипотетические "ядра из нуклонов и антинуклонов, … ядра с повышенной плотностью", ядра несферической формы. "Сюда же примыкает проблема кварковой материи и кварк-глюонной плазмы".


^ II. Микрофизика.


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

"На определенном этапе элементарными считались … нуклоны и мезоны. Сейчас же известно, что они состоят (правда, в несколько условном смысле) из кварков и антикварков". Так, протоны и нейтроны "сделаны" из 3-х кварков, мезоны – из 2-х кварков. Высказывались предположения, что и кварки состоят из преонов. Но "на сегодняшний день мы считаем неделимыми" (элементарными):

а) кварки и антикварки 6 типов-ароматов u, d, c, s, t, b ;

б) лептоны – электрон и позитрон (e, e+) ;

  • мюоны ?+ , ? (масса 206,8 me) ;

  • таоны ?+ , ? (масса 3487 me ) [3];

  • соответствующие нейтрино ?e, ??, ?? и антинейтрино ;

в) векторные бозоны – фотон ? ; глюон g ; частицы Z0 ; W+ , W.

Недавно определена последняя из масс кварков – масса кварка "t" , она составляет 178 ГэВ (в 200 раз больше, чем у протона) [10].

"Одна из самых актуальных задач … физики элементарных частиц – поиски … скалярного хиггс-бозона со спином 0" и массой <1000 ГэВ или даже < 200 ГэВ.

"Главная … надежда физики высоких энергий … – ускоритель LHC" (коллайдер), строящийся в ЦЕРНе.

На основе кварковой модели построена квантовая хромодинамика – теория сильного взаимодействия (одного из 4-х фундаментальных взаимодействий (см. п.15)). Сильное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в ядре [3] (иначе происходило бы электрическое взаимное отталкивание протонов). Проблема – в ее развитии.

Кварк-глюонная плазма – это плазма из кварков и глюонов. Считается, что это – промежуточное состояние вещества после Большого Взрыва в ранней Вселенной [11] . Сейчас ее получают с помощью мощных ускорителей на встречных пучках и исследуют.

Бозоны, частицы с целым или нулевым спином, подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, в отличие от фермионов – частиц с дробным спином (статистика Ферми) [3].


^ 15. Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий. W и Z0 – бозоны. Лептоны.

В природе существует 4 вида фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.

Когда-то 2 вида взаимодействий : электрическое и магнитное – были объединены в одно с помощью уравнений Максвелла. Было доказано, что эти взаимодействия – две стороны единого электромагнитного. "Переносчики" электромагнитного взаимодействия – фотоны.

Сейчас создается единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий. Слабое ответственно за взаимодействия частиц, происходящие с участием нейтрино (например, -распад) и некоторые другие [3]. Лептоны участвуют только в 2-х видах взаимодействий – электромагнитном и слабом. Лептоны перечислены в п.14. "Переносчиками" слабого взаимодействия служат W и Z0 – бозоны.

Экспериментальным доказательством возможности объединения электромагнитного и слабого взаимодействий стало открытие W и Z0 – бозонов в 1983 году.


^ 16. Стандартная модель. Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи.

Стандартная модель – "реально используемая современная теория элементарных частиц, состоящая из теории электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики" (независимо друг от друга).

^ Великое объединение – схема, до конца еще не созданная, "объединяющая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия".

Суперобъединение – теория, в которой "великое объединение … обобщается таким образом, что включает еще и гравитацию". Обсуждаемая в п.20 "теория суперструн претендует на роль суперобъединения, но цель пока … не достигнута". Чтобы объединить гравитацию с другими взаимодействиями, необходимо построить ее квантовую теорию.

Из великого объединения вытекает поразительная возможность – протон может оказаться нестабильным. Протон – одна из самых стабильных элементарных частиц. Согласно последним экспериментальным данным время его жизни "больше 1,6·1033 года". Для сравнения: время существования Вселенной ~1010 лет. "Распад протона пока не обнаружен" [1]. Обнаружение распада протона подтвердит теорию великого объединения [2].

Долгое время считалось, что масса нейтрино равна нулю. Однако поскольку в 60-е годы возникло предположение о нейтринных осцилляциях, т.е. о возможных превращениях разных типов нейтрино друг в друга, то, как следствие, масса нейтрино должна быть отлична от нуля. Осцилляции, по-видимому, наблюдались в опытах 1998 г. Это – большой успех в физике. Массы нейтрино оценивают как

m? ~ 10-5 эВ, m? ~ 10-3 эВ, m? ~ 10 эВ [1].

Важный вопрос: почему масса электронного нейтрино очень мала.

Магнитные монополи. Проблема : найти частицы, которые несли бы магнитный заряд одного типа (+ или –), подобно электрическим зарядам, если это, конечно, возможно.


^ 17. Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры.

"В физике известна … планковская (гравитационная) длина lg ~  (G ħ) / c3 = 1,6·10-33см" (G – гравитационная постоянная); ей отвечает энергия Eg ~ 1019 ГэВ (E = ħc/l ). Физический смысл lg: при l < lg "уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации, в частности, общей теорией относительности. … Здесь нужно использовать квантовую теорию гравитации, еще не созданную".

С другой стороны, при расстояниях l > lf0 ~ 10-17см хорошо работает вся известная физика, например, квантовая электродинамика. Возник вопрос: не отказывает ли физика при какой-то длине между lf0 и lg (гипотеза о зернистом пространстве-времени и т.д.)? Существует гипотеза, что никакой иной фундаментальной длины, кроме lg, не существует. Но она не доказана.

Данные 2002 года: в современных теориях предполагается, что пространственных измерений не 3, а больше. Дополнительные измерения свернуты в кольца. Предполагалось, что размеры свернутых измерений порядка планковской длины. Сейчас есть гипотеза, что эти размеры намного больше. Возможно, это и будет новой фундаментальной длиной [4].

Чтобы экспериментально подтвердить или опровергнуть существование новой фундаментальной длины, нужно получить частицы соответствующих энергий и исследовать их взаимодействия. Это требует строительства новых мощных ускорителей на встречных пучках (коллайдеров). Строящийся LHC упоминался в п.14. "На нем … будет достигнута энергия … 14 ТэВ, что соответствует длине l ~ 10-18 см" (1 ТэВ (тэраэлектронвольт) = 1012 эВ).

Это также исследование частиц в космических лучах; "зарегистрированы частицы с … энергией 3·1020 эВ (в лабораторной системе отсчета; протон с такой энергией при столкновении с покоящимся нуклоном … имеет энергию ~ 800 ТэВ и l ~ 10-20 см). Однако таких частиц крайне мало".


^ 18. Несохранение СР – инвариантности.

"Мир оказался несимметричным" [6]: в 1956 г. было открыто, что при замене "правого" на "левое" характер взаимодействия частиц изменяется. Но затем эксперименты показали, "что все взаимодействия инвариантны относительно СР-сопряжения, т.е. при замене правого на левое с одновременной сменой частицы на античастицу" [6].

И все же отдельные процессы идут с СР-несохранением: распад мезона К20  ? + + ? (Нобелевская премия 1980 г.) Природа таких процессов неясна.

Нужно ответить также на вопрос, существует ли Т-инвариантность (при обращении знака времени).


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

Сверхсильние магнитные поля были рассмотрены в п.10.

Изучение свойств физического вакуума – очень актуальная проблема. Вакуум – одна из трех фундаментальных составляющих Вселенной (барионы (наш мир из известных нам частиц) + вакуум + темная материя), причем наиболее значительная. "Это буквально "новый эфир"".

В сильных электрических полях разрушается атом: срываются электронные оболочки. В полях > ~ 1016 В/см разрушаются не только атомы, но и сам вакуум.

Из вакуума рождаются пары элементарных частиц ( e+, e ), происходят другие явления (нулевые колебания электромагнитного и других полей) [1,2].

На вакуум действует также сильное магнитное поле: он ведет себя подобно нелинейной анизотропной среде при H > ~ 1014 Э.

Интересны проблемы фазовых переходов в вакууме, в т.ч. в ранней Вселенной.


^ 20. Струны. М-теория.

"Это … фронтовое направление в теоретической физике на сегодняшний день".

В теории струн, или суперструн, элементарные частицы не точечные, как в квантовой механике, а представляют собой "колебания одномерных объектов (струн), имеющих характерные размеры ls ~ lg ~ 10-33см" (или, возможно, ls ~ 100 lg ). Струны могут быть "отрезками" или "в виде колечек". Они рассматриваются не в обычном 4-мерном пространстве-времени, а в многомерных пространствах (10-11 измерений). Теория струн суперсимметрична, т.к. каждой частице отвечает ее партнер с другой статистикой (фотон (бозон со спином 1)  фотино (фермион со спином 1/2)). Суперсимметричные партнеры еще не обнаружены, хотя это могло бы экспериментально подтвердить теорию струн.

Теории струн уже 30 лет, но она до сих пор не ясна окончательно. В то же время она позволила бы найти ответы на ряд фундаментальных физических вопросов (квантовая теория гравитации, почему кварков – 6 типов, почему масса электронного нейтрино очень мала и т.д.).

Авторы теории "говорят … о намеках на некоторую более общую теорию" – М-теорию (М – от слов magic или mysterious – магическая или мистическая).


III. Астрофизика.


^ 21. Экспериментальная проверка общей теории относительности.

ОТО – простейшая релятивистская теория гравитации. Существуют и другие теории. Экспериментальное подтверждение ОТО, хотя и с небольшой точностью, было получено еще в 1919г.

Эффекты ОТО определяются разложением в ряд компонент метрического тензора

g00 = 1 + 2?/c2 +…, g11 = g22 = – (1–2?/c2) +…,

где ? – ньютоновский гравитационный потенциал. В относительно слабом гравитационном поле Солнца, при исследовании отклонения радиоволн, с учетом лишь 1-го члена ряда 2?/c2 проведена проверка ОТО с точностью в сотые доли процента. Хотелось бы в дальнейшем учесть следующие члены ряда, получить бульшую точность, но маловероятно, что будут отклонения от ОТО.

По-настоящему актуальна проверка ОТО в сильных гравитационных полях – "для нейтронных звезд … и вблизи черных дыр". Хотя само обнаружение черных дыр подтверждает ОТО, но "нельзя утверждать, что известное о черных дырах подтверждает именно ОТО, а не некоторые отличающиеся от нее релятивистские теории гравитации".


^ 22. Гравитационные волны, их детектирование.

В 1993 г. присуждена Нобелевская премия за исследование двойного пульсара PSR 1916+16 , которое показало, что его потеря энергии "находится в полном согласии с ОТО при учете гравитационного излучения", т.е. количественно подтверждено существование гравитационных волн. Хотя в их существовании не сомневался ни один физик.

Сейчас в США строится система LIGO, гигантская установка (2 далеко разнесенные антенны длиной 4 км каждая) для приема гравитационных волн. Таким образом будет положено начало гравитационно-волновой астрономии, и "будет освоен последний … канал, по которому мы можем получать астрофизическую информацию" (наряду с оптической, радио-, рентгеновской, гамма- и нейтринной астрономией).


^ 23. Космологическая проблема. Инфляция. ?-член и квинтэссенция. Связь между космологией и физикой высоких энергий.

Совокупность этих проблем – "пожалуй, самое главное в астрофизике".

Главные первоначальные открытия в космологии (открытия середины 20 в.): красное смещение в спектрах (что говорит о расширении Вселенной) и существование реликтового излучения в радиодиапазоне с Т = 2,7К, что говорит о том, что Вселенная имела начало (Большой Взрыв).

В 1981г. было показано, что до времен t~10–35c Вселенная развивалась несравненно быстрее, чем это предполагала использовавшаяся до этого фридмановская модель [1]. Этот период называется инфляцией, или раздуванием. Сейчас изучаются процессы, происходившие в ранней Вселенной. "После инфляции Вселенная развивается по фридмановской модели", которая предполагает изотропность и однородность пространства.

Важнейший параметр фридмановской модели (современный мир): ? = ?/?с (? – плотность материи, ?с – плотность, отвечающая модели с евклидовой метрикой с неограниченным расширением). Одна из основных задач космологии – "определение величины ? …. Если ? > 1, то расширение Вселенной прекратится и сменится сжатием …; если ? < 1 … – расширение безгранично".

Эйнштейн ввел в уравнения ОТО некий ?-член, учитывающий отталкивание (антигравитацию). Но затем он отказался от него; многие ученые (Паули, Ландау) также были против. Но сейчас физики были вынуждены вернуться к ?-члену [1], т.к. он позволяет учесть влияние открытой "вакуумной материи", наряду с влиянием барионной (наша обычная материя) и некоей темной (dark), или скрытой, материи, также открытой недавно. "В настоящее время … ? записывают в форме: ? = ?b + ?d + ??", причем, по оценкам, ?b ~ 0,03 , ?d ~ 0,3 , ?? ~ 0,7 [1]. Вопрос о том, больше или меньше единицы ?, пока не решен. Здесь в исследованиях возможен большой прогресс.

Термин квинтэссенция обозначает вещество с уравнением состояния p=w , где p - давление, - плотность энергии, а w - постоянный коэффициент. В большинстве теорий |w| ? 1. Для -члена p = - . При w ? -1/3 Вселенная, заполненная подобным веществом, будет испытывать инфляционное расширение [8].

Следствием того, что ?-член так велик, является ускорение расширения нашей Вселенной с положительным ускорением (данные 2002 года на основании сопоставления характера анизотропии реликтового излучения и данных о кластеризации галактик) [4,12].

Большое значение имеет определение постоянной Хаббла H, связывающей скорость космологического расширения v с расстоянием до соответствующего объекта v = Hr. В нашу эпоху H = 55 ч 70 (км с-1 Мпс-1) [1]­­.

"Ранняя Вселенная оказалась тесно связанной с физикой элементарных частиц" (высоких энергий). "В космических лучах зафиксирована энергия до 3·1011 ГэВ", а самые большие ускорители дадут (к 2005г.) лишь 1,4·104 ГэВ [1] (Г – гига – 109).


^ 24. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды.

Звезда в конце своего пути претерпевает изменения одним из двух способов в зависимости от массы: (1) относительно спокойный путь; (2) взрыв сверхновой звезды ( при Мядра звезды > ~1,4МС [13]). В [14] дано другое значение массы, до которой звезда развивается относительно спокойно: 8МC.

Вспышка сверхновой звезды – это взрыв звезды большой массы в конце ее эволюции, который сопровождается "радикальной перестройкой ее внутренней структуры" [13], в результате которой возникают тяжелые элементы, "ускоряются космические лучи, возникает электромагнитное излучение всех диапазонов" [1]. Вспышка сверхновой в Галактике происходят, в среднем, 1 раз в 30 лет.

Если масса ядра звезды (т.е. вещества, участвующего в термоядерных превращениях) ~1,4·МС < M < ~3MС, то более вероятно, что на месте взрыва сверхновой образуется нейтронная звезда [15]. Иногда она сильно вращается, тогда возникает пульсар (периодически изменяющее излучение). Наше Солнце в конце своего пути станет белым карликом (взрыва сверхновой не будет). Звезды с более тяжелыми ядрами, чем 3МС, коллапсируя, "превращаются в черную дыру" [1,15].

Плотность нейтронных звезд – "от 1011г/см3 на поверхности до 1015г/см3 в центре". Состав таких звезд неоднороден (ядра атомов ? нейтроны ? пионы ? кварковое вещество с углублением внутрь звезды).

Пульсары имеют сильные магнитные поля H ~ 1012Э. Обнаружены так называемые магнетары с полями до 1015 – 1016 Э [1]. Создание теории излучения пульсаров оказалось трудным, но, в целом, она построена. Анализ вещества нейтронной звезды составляет проблему сегодняшнего дня.


^ 25. Черные дыры. Космические струны.

"Черные дыры и ... космические струны – еще более экзотические объекты, чем нейтронные звезды."

В существовании и большой роли черных дыр "сегодня невозможно сомневаться". Для каждой массы М существует некий радиус rg такой, что если вся масса М сосредоточена внутри радиуса rg = 3М/МС км, то ничто, даже свет, не может вырваться за пределы rg. Для этого плотность вещества должна быть очень высокой. Для Солнца rg = 3км.

"Наблюдаются ... по всей вероятности ... черные дыры двух типов: со звездными массами М < ~100МС" , наблюдаемые как компоненты двойных систем, и гигантские черные дыры в ядрах галактик и квазарах (М ~ (106 – 109)М [1]).

Звездные черные дыры образуются при взрыве сверхновых с массой М > ~ 3МC . "Возможно существование реликтовых минидыр, образовавшихся на ранних этипах эволюции Вселенной."

Космические струны (не путать со струнами из п.20) – "это некоторые ... топологические (пространственные – Стрекалова Е.) "дефекты", могущие возникать при фазовых переходах в ранней Вселенной. Они представляют собой нити, могущие быть замкнутыми (кольца) космических масштабов и с характерной толщиной ... ~10-29-10-30см. ... Космический струны еще не наблюдались".


^ 26. Квазары и ядра галактик. Образование галактик.

"Гигантские черные дыры находятся в ядрах галактик и квазаров". Квазары – это далекие очень яркие объекты, в т.ч. яркие именно в радиодиапазоне. Раньше считалось, что это внегалактические объекты. Сейчас установлено, что квазар всегда находится внутри галактики, которую трудно наблюдать на его фоне. Квазаром называется ансабль: массивная черная дыра в активном ядре галактики + окружающий ее горячий диск из поглощаемого черной дырой вещества, который и излучает огромное количество энергии [16].

Ядра галактик могут быть плотными скоплениями звезд, сверхзвездами или черными дырами. Последнее более вероятно, особенно для т.н. ярких ядер галактик. Для нашей Галактики расчеты и "наблюдения поля скоростей звезд вблизи галактического центра показали, что движение происходит вокруг массы с размерами, меньшими световой недели", что доказывает, "что в центре Галактики находится именно черная дыра с массой ... М ~ 2,6·106МС".

^ Образование галактик. Космология считает, что в расширяющейся Вселенной возникают неоднородности "плотности и скорости вещества", которые в конце концов приводят к образованию Галактик и их скоплений. Галактики – сравнительно молодые образования; они появились через 108-109 лет после начала расширения Вселенной. Всего же с тех пор прошло (10-15)·109 лет.

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

"Это очень крупное и неожиданное открытие". Оно было сделано из сравнения скоростей звезд, вычисленных из условия, что вся масса Галактики светит в оптическом диапазоне, и реально существующих скоростей. Оказалось, что они различны: реальная зависимость v(r) "существенно отлична от закона v(r) = const / ", который получается из учета только светящейся массы. Таким образом "во Вселенной имеется несветящаяся материя, проявляющаяся в силу своего гравитационного взаимодействия" (dark matter, или скрытая масса).

Были отвергнуты предположения о том, что скрытая масса – это нейтральный водород, коричневые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. "Установившееся мнение на сегодня ... : темная материя имеет, в основном, небарионную природу", т.е. отлична от нашей материи.

"Наиболее естественный кандидат – нейтрино". Но у электронного нейтрино слишком малая масса. Вопрос о ?? сейчас обсуждается. "Популярна гипотеза, согласно которой роль темной материи играют гипотетические частицы WIMPы". Но что это за частицы и как их обнаружить – пока неясно.


^ 28. Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией.

Космические лучи (к.л.) открыты в 1912 году. Это – потоки заряженных элементарных частиц, приходящих из космоса; в основном, протоны (90%), ?-частицы (9%) [2]. "Сейчас можно не сомневаться в том, что основными их источниками являются сверхновые звезды".

Относительно космических лучей с энергиями <1015–1016 эВ все в целом ясно. "Не до конца ясна ... ситуация в области энергий ... > 1019 эВ" (ультравысокоэнгергичные к.л.). "Наивысшая наблюдавшаяся в к.л. энергия составляет ... 3·1020 эВ". Дискутируется вопрос о том, возникают ли высокоэнергетические к.л. в Галактике или имеют метагалактическое происхождение.

Как могли возникнуть и, главное, дойти до нас такие лучи, ведь они должны терять энергию при взаимодействии с реликтовым излучением? Возможно несколько вариантов. Частицы могли бы ускоряться активными ядрами галактик или "космическими струнами и некоторыми другими "топологическими дефектами"". Но известные активные ядра, видимо, не могут обеспечить такую высокую энергию, а топологические дефекты пока не обнаружены. Другая гипотеза: первичными высокоэнергетическими частицами "являются не "обычные" частицы, а какие-то пока неизвестные", которые не претерпевают потерь, "а ближе к нам или даже в земной атмосфере" превращаются в обычные частицы. Наконец, их источником может быть скрытая масса.


^ 29. Гамма-всплески. Гиперновые.

Гамма-всплески – это короткие (порядка нескольких секунд) единичные энерговыделения, имеющие максимум в гамма-лучах. Источники расположены в пространстве изотропно, следовательно, они не могут быть галактического происхождения; они могут находиться в гало Галактики или в Метагалактике [1]. (Гало – это сфера с диаметром, приблизительно равным диаметру плоской Галактики).

Основная трудность: нужно быстро "посмотреть" вслед гамма-всплеску в другом диапазоне (например, в видимом и близких к нему), чтобы определить красное смещение объекта и, следовательно, расстояние до него, а также другие характеристики объекта.

Например, общее энерговыделение объекта GRB 990123 W~3·1054 эрг [1]. Это очень много, превышает оптическое излучение при взрывах сверхновых. "Поэтому некоторые источники гамма-всплесков начали называть гиперновыми". "Гамма-всплески – самое мощное взрывное явление, наблюдаемое во Вселенной, не считая, конечно, самого Большого Взрыва".

Что вызывает такие всплески, неясно. Обсуждаются: "слияние двух нейтронных звезд", вспышки на нейтронных звездах и т.д. "Открытие космологической (т.е. внегалактической – Стрекалова Е.) природы гамма-всплесков ... является самым выдающимся достижением астрофизики ... за много последних лет (пожалуй, после открытия пульсаров в 1967-68гг.)".

Достижения 2002 года: а) связь гамма-всплесков со сверхновыми (все-таки); б) коллимация излучения всплесков, что снижает оценки их энерговыделения до 5·1051 эрг [4].


^ 30. Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции.

Существует 3 вида нейтрино ?e, ??, ?? и 3 вида антинейтрино. Нейтринные осцилляции – это "взаимные превращения нейтрино разных типов" друг в друга. Для осцилляции необходимо, чтобы масса нейтрино хотя бы одного сорта была отлична от нуля. О массе нейтрино см. п.16. "Осцилляции ищут уже 30 лет, и в 1998 г," по-видимому, экспериментально доказано "превращение ?? в ??".

Количество нейтрино, приходящих от Солнца, в 2-3 раза меньше, чем должно быть по расчету. Это, видимо, объясняется осцилляциями. "Проблема солнечных нейтрино будет, в основном, решена в ближайшие годы".

Нейтринная астрономия становится также внесолнечной. Ведется прием нейтрино от сверхновых; стоит задача "детектирования реликтовых нейтрино с малыми энергиями, быть может, вносящими вклад в темную материю", а также нейтрино высоких энергий > ~1012 эВ.


"Еще о трех "великих" проблемах."


^ А. О возрастании энтропии, необратимости и "стреле времени".

Ландау: "Вопрос о физических основаниях закона монотонного возрастания энтропии остается ... открытым". Ясности здесь до сих пор нет. "Открытие в 1964 г. несохранения СР-четности (а, следовательно, и несохранения Т-четности, т.е. необратимости времени) явно имеет отношение" к этой проблеме [1].


^ В. Проблема интерпретации и понимания квантовой механики.

Все эксперименты последних лет "свидетельствуют о полной справедливости ... квантовой механики". "Вместе с тем ... обсуждение основ нерелятивистской квантовой механики сохраняет известную актуальность". "Значительная ... часть критиков не удовлетворены вероятностным характером" части предсказаний квантовой механики.


^ С. Связь физики с биологией и, конкретно, проблема редукционизма.

"Сегодня ... биология, особенно молекулярная биология, заняла место лидирующей науки". Тогда как до 70-х годов ХХ века физика доминировала. Относительно связи биологии с физикой нужно отметить два момента.

"Во-первых, современные биологические и медицинские исследования невозможны без самого широкого использования физических методов и аппаратуры".

"Во-вторых, вопрос о редукционизме – это одновременно великая физическая и биологическая проблема, и она ... будет одной из центральных в науке XXI века".

Сейчас считается общепринятым, что все живое устроено "из электронов, атомов и молекул". Мы "знаем ... управляющие ими и излучением законы". Поэтому существует гипотеза (общепринятая) о редукции – "возможности все живое объяснить на основе физики". Но возникают две основные проблемы: о происхождении жизни и о появлении сознания и мышления. "Здесь имеется какой-то скачок, фазовый переход". Верующие в Бога считают, что этот скачок произвел Бог. Вопросы остаются открытыми. Может быть, "мы даже на фундаментальном уровне не знаем чего-то необходимого для редукции".


20.05.06


^ ССЫЛКИ НА ЛИТЕРАТУРУ


1. Гинзбург В.Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже на пороге XXI века)? – Успехи физических наук, т.169, № 4, 1999.

2. Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. – М:Бюро Квантум, 1995.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.:Высшая школа, 2000.

4. Гинзбург В.Л., 2002 г. www.astronet.ru/db/msg/1177434

5. Эффект Холла – дважды Нобелевский лауреат. – http://perst.isssph.kiae.ru/Inform/tem/TORJESTVO/98-99/n.asp?file=TORJ.htm&label=A22 .

6. Гинзбург В.Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас, на пороге XXI века, особенно важными интересными? - Наука и жизнь, 1999, № 11-12.

7. Фуллерены – новая аллотропная форма углерода. - http://ktf.krk.ru/courses/fulleren/g1.htm

8. www.astronet.ru

9. Сисакян А. Объединенному институту ядерных исследований в Дубне (ОИЯИ) ? 50 лет. – Наука в России, № 2, 2006.

10. Взвесить "top", чтобы найти "Higgs". - La recherche, № 381, 2004.

11. В начале Вселенной была почти совершенная жидкость. - La recherche, № 387, 2005.

12. Ускорение космологического расширения. – 2002. - http://astronet.ru/db/msg/1176838

13. Шкловский И.С. Проблемы современной астрофизики. – М.:Наука,1982.

14. Большая Российская энциклопедия. – М.:Большая Российская энциклопедия,2005. - Т.2.

15. Черепащук А.М., Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. – Фрязино:Век2,2004.

16. Первый случай изолированного квазара. – La recherche, №391, 2005.







Похожие:

Е. А.,2007 проблемы современной физики iconПисьмо к коллеге: Проблемы современной габитоскопии и габитоскопических учетов /2009 г./ Итак, проблемы: Технические: Те программные продукты, которые пытаются «впихнуть»
Письмо к коллеге: Проблемы современной габитоскопии и габитоскопических учетов /2009 г
Е. А.,2007 проблемы современной физики iconОглавление Предисловие Введение Глава Методологический кризис современной физики
Роль теории относительности Эйнштейна и квантовой механики в подготовке нового кризиса физики
Е. А.,2007 проблемы современной физики iconИнформационное письмо
Международной научной конференции, посвященной 80-летию профессора В. С. Юрченко «Предложение и Слово: актуальные проблемы современной...
Е. А.,2007 проблемы современной физики iconВ свете современной экономической теории
Сегодня Российская экономика характеризуется четырьмя её извеч­ными проблемами: инфляция, отраслевой монополизм, бюрократизм и кор­рупция...
Е. А.,2007 проблемы современной физики iconЭкологические проблемы современной россии и пути их решения
Ознакомьтесь с деятельностью Гринпис в современной России, подумайте и предложите свои решения экологических проблем
Е. А.,2007 проблемы современной физики iconМетодологический кризис современной физики
Как известно, в конце XIX – начале ХХ столетий в физике произошел кризис. Этот кризис выразился в том, что по мере осознания следствий,...
Е. А.,2007 проблемы современной физики iconБ. Дж. Уоллес проблема пространства и времени в современной физике
Статья из сборника "Проблемы исследования Вселенной", вып. 15. Проблемы пространства и времени в современном естествознании. Спб.,...
Е. А.,2007 проблемы современной физики iconЛ. А. Полыковкого по проблемам бессмертия Федоровская концепция воскрешения в свете современной науки // в сборнике Нетрадиционные виды энергии и проблемы энергоинверсии тезисы
Федоровская концепция воскрешения в свете современной науки // в сборнике "Нетрадиционные виды энергии и проблемы энергоинверсии...
Е. А.,2007 проблемы современной физики iconФундаментальная физика и философия © Моисеев Б. М., 2010
Показана беспомощность современной философии при анализе фундаментальной физики и путей ее развития
Е. А.,2007 проблемы современной физики iconУрок физики в 11 классе по теме «Формула тонкой собирающей линзы» моу лицей №66 г. Липецка учитель физики Ненахова Альбина Николаевна 2007 г
Цель урока: научить учащихся связывать фокусное расстояние линзы с расстоянием от предмета до линзы и от изображения до линзы, вывести...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов