Вопрос 19

СОВ. ФИЗ. ИСТ.ФИЗОТКРЫТИЙ КОНЦА XX в.

За последние десятилетия сделано немало открытий, часть которых имеет всеобщий характер. Ушедший XX в. можно смело называть эпохой величайших открытий в физике (зарождение квантовой теории и теории относительности, открытие нейтрона, позитрона и кварка, сверх­проводимость и сверхтекучесть). Появились новые направления: физики высоких энергий, высоких давлений, высоких и низких температур, астрофизика и множество других. Физика в XX в. развивалась очень быстро, поэтому и объем относящейся к ней информации рос невиданными темпами, что существенно затрудняет восприятие со­временных достижений физики. Проблемы современной фи­зики можно условно разделить на три области в зависимости от масштаба объекта изучения: макрофизику, микрофизику и мегафизику. Каждая из них не только решает свои собственные задачи, но и располагает специфическими законами, математическим ап­паратом, методами исследования и инструментарием. Именно масштаб объектов в пер­вую очередь определяет характер физических законов, действую­щих в данной области.Приведенное деление физики на три области ни в коей мере не нарушает ее единства. Осуществляются плавные переходы от одного разде­ла к другому. И, главное, фундаментальные законы (например, симмет­рии и законов сохранения), справедливы для физики в целом.Управляемый термоядерный синтез. Эти исследования, начало которым положено еще в 40—50-е гг. XX в., имеют большое значение, так как синтез навсегда решит энергетическую и многие экологические проблемы Земли. При слиянии лег­чайших атомных ядер — водорода, дейтерия, трития — может выделиться огромная энергия. Чтобы это реализовать, необходи­мо нагреть водородную смесь до температуры свыше 10⁷ К — иначе ядра не смогут сблизиться до расстояний, на которых начинают действовать ядерные силы (по этой причине подоб­ные реакции называют термоядерными). Управляемым термоядерным синтезом в СССР занимались под руководством И. В. Курчатова. И. Е. Тамм в СССР и Л. Спитцер в США высказали идею удержания высокотемпературной плаз­мы магнитным полем. Первый из них предложил конструкцию токамака, а второй — стелларатора. В России создана установка, в которой удалось получить температуру 1,5 • 10⁷К. Ведутся исследования лазерного тер­моядерного синтезаВысокотемпературная сверхпроводимость. Сверхпроводимость, сверхтеку­честь открыты Г. Каммерлинг-Оннесом. Затем начался период экспериментов, направленных на изучение сверх­проводников с наивысшей температурой Т_с сверхпроводящего перехода. Созданием теории занимались выдающиеся ученые-теоретики — Л.Д.Ландау и В.Л. Гинзбург, Гейнц и Фриц Лондоны. Исчерпывающую микроскопическую теорию сверхпроводимо­сти создали физи­ки Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер, отмеченные за это Нобелевской премией в 1972 г.С появлением этой теории начался новый этап в развитии сверхпроводимости. Тео­рия стала способной объяснить большинство эффек­тов, связанных со сверхпроводимостью и предсказать новые явления. Брайан Дэвид Джозефсон предсказал необычный вид туннелирования, который реализуется в системах с так называемой слабой сверхпроводимостью (туннельных переходах, точечных контактах и т.п.). Предсказанные Джозефсоном явле­ния стали основанием для присуждения ученому Нобелевской премии за 1974 г. Имеет место возможность существования равновесных сверхпроводников с Т_с ~ 300 К, хотя для этого необходимы специ­фические, довольно трудно реализуемые условия. Такие материалы были получены Й. Г. Беднорцом (Германия) и К.А.Мюллером (Швейцария) — Нобелевские лау­реаты 1987 г.Открытие новых высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) ознаменовало начало очередного этапа в истории сверх­проводимости. Но до конца не ясен механизм сверхпроводимости в некоторых материалах, остается от­крытым вопрос о техническом применении новых сверхпроводников.Но главная проблема в данной области науки — возможность создания комнатной температурной сверхпроводимости (КТСП). Сверхпроводимость относится к физике низких температур, это единственное направление физики, где достижения человека превышают возможности при­роды. В лабораториях получены такие значения низких темпера­тур, которые не встречаются нигде во Вселенной. История этого раздела физики пишет­ся именно сейчас.Экзотические вещества. Экзотические вещества - вещества, свойства которых кажутся нам сейчас совершенно фантастическими. Процесс создания их уже идет (например, жидкие кристаллы, а также синтез фуллеренов — специфической формы углерода). Жидкие кристаллы были открыты австрийским бота­ником Ф. Рейницером и немецким физиком О. Леманом. Они обна­ружили, что вещества в жидкокристаллическом состоянии обла­дают текучестью, как обычные жидкости, и в то же время их оп­тические свойства поразительно похожи на свойства твердых кристаллов. Сейчас интерес к жидким кристаллам обусловлен, прежде всего, возможностью их эффективного применения в си­стемах обработки и отображения информации.Наиболее интересным жидким кристаллом сейчас считается сверхтекучий ³Не, за открытие которого американским ученым Д. М.Ли, Д. Д. Ошероффу и Р. С. Ричардсону была присуждена Нобе­левская премия за 1996 год. Он имеет свойства, которые яв­ляются комбинацией свойств сверхпроводника, магнетика и жид­кого кристалла. Понятие сверхтекучести — отсутствия вязкости — ввел в физику в 1937 г. П.Л.Капица после открытия этого совершенно необычного свойства у жидкого ⁴Не.Физика поверхностей. Двумерная электронная жидкость. Процессы и явления на поверхности ве­дутся уже давно, и за последние десятилетия здесь достигнуты значительные успехи. К проблемам физики поверхностей очень близко примыкает еще одна тема — физика систем с пониженной размерностью (исследования двумерной электронной жидко­сти). Здесь идет речь о реализации очень тонкого прово­дящего слоя (толщиной около 10^-6 см), где движение электронов ограничено в вертикальном направлении. Такие системы называются двумер­ными. Возможны и одномерные системы, представляющие собой длинные и тонкие нити; их исследование тоже интенсивно ведет­ся, хотя успехи здесь пока скромные.Целочисленный квантовый эффект Холла был обнаружен Клау­сом фон Клитцингом. В довольно сильном магнитном поле (В ~ 20 Тл) и при очень низких температурах (Т~ 8 мК) на зави­симости сопротивления Холла R_H от магнитного поля обнаружи­ваются отчетливые «ступени», т.е. R_H принимает квантованные значения, определяемые только фундаментальными постоянны­ми. За это открытие К. фон Клитцингу в 1985 г. присуждена Нобе­левская премия.В двумерном электронном «газе» (фактически, жид­кости), был открыт дробный квантовый эффект Холла (америк. уч. Д. Цуи, X. Штёрмер и А. Госсард). Выяснилось, что могут существовать и дробные значения сопротивления Холла; при этом знаменатели дробей всегда нечетны. Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктуры в полупроводниках, переходы металл—диэлектрик). Присуждение Нобелевской премии за 2000 г. академику Ж.И.Алферову стиму­лировало возобновление общественного интереса к полупроводниковым структурам. Современную цивилизацию невозможно представить без радиоэлектронных устройств, основанных на полупроводниковых элементах. По­этому микро- и наноэлектроника - наиболее важные проблемы физики.

Гетероструктуры — полупроводни­ковые переходы, сформированные как контакты различных по химическому составу полупроводников. Бла­годаря наличию эффектов сверхинжекции, оптического на­копления и др. удалось создать полупроводниковые лазеры, фото­электрические преобразователи и другие радиоэлектронные при­боры. Они нашли широкое применение — от космических станций до бытовой и аудиоаппаратуры.Дальнейшее развитие этого направления — зонная инженерия (в физике принято название — «гетероструктуры с кванто­выми точками»). В тонкой пленке (матрице) образуются «точки» нанометрового масштаба, заполненные другим полупроводником. Такая «точка» ведет себя как «одноэлектронный атом». Имея систему, где «точки» расположены в определенном порядке, можно получать гетерострук­туры, которые будут использоваться для создания все более совершенных в тех­нологическом плане радиотехнических устройств.Это одна из наиболее динамично развивающихся областей исследований в физике твердого тела, которая способствует техническому прогрессу. Фазовые переходы второго рода иродственные им. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах. Проблема фазовых переходов может быть названа проблемой века (по крайней мере, в области макрофизики), хотя ученые работа­ют над ее решением уже более ста лет (Л.Д.Лан­дау, Энрико Ферми, Кеннета Вильсона (Но­белевского лауреата 1982 г.)). В настоящее время наибольший интерес физики проявляют к критическим точкам, фазовым пе­реходам второго рода и близким к ним. Созданы методы, позволяющие описывать поведение веще­ства вблизи критических точек и точек переходов второго рода. Все большее внимание привлекают к себе экзотические фазовые переходы, например, в атомарном водороде, переход в сверхтекучее состояние в моле­кулярном водороде, переходы в магнетиках, в жидких и кванто­вых кристаллах, в сверхплотном веществе, например в нейтрон­ных звездах.Особое внимание уделяется бозе-эйнштейновской конденсации в газах, в частности в атомарном водороде, находящемся в маг­нитном поле. Исследования в этой области — фундаментальные для физики. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях. П.Л.Капица в свое время начал широкие эксперименты по созданию сильных магнитных полей и воздействию их на вещество. Изучение поведения вещества в силь­ных магнитных полях имеет весьма значительные технические пер­спективы. В сильном магнитном поле (В ~ 3 • 10⁵ Тл) сильно меняются свойства атома. Сейчас в лаборатории удалось пока создать лишь поля с В ~ 20 Тл. Доминирования магнитного поля над электрическим можно добиться и в земных условиях. Так, для экситонов (связанных электрона и дырки, вращающихся около общего центра масс) магнитное поле является таковым при условиях, уже сейчас доступных экспериментаторам. Это позволяет изучать экситонное вещество, в первую очередь так называемую экситонную жидкость. Это, фактически, дает возможность ученым моделировать ряд объектов мегафизики. Нелинейная физика. Солитоны. Хаос. Нелинейных явлений в природе значительно больше, чем линейных. Поэтому сейчас активно изучаются: хаотиче­ское поведении систем, солитоны, странные аттракторы и т.д.Солитоны — одиночные волны, которые распространяются в нелинейной среде без затухания. Они, как показывает опыт, широко распространены в природе. Характерный пример — широко известные разрушительные волны — цунами.Странный аттрактор — та область фазового пространства, в которой фазовые траектории формируются хаотически и при ма­лейшем изменении начальных условий разбегаются, так что си­стема теряет устойчивость. Солитоны и хао­тические явления — это только отдельные примеры нелинейных явлений, которые в XXI в. будут, по мнению многих ученых, глав­ными темами в макрофизике.Разеры, гразеры, сверхмощные лазеры. Современная физика лазеров, а также связан­ные с ней нелинейная оптика и голография, своим рождением в многим обязаны русским и советским ученым. Сейчас есть несколько направлениииий развития лазерной физики и техники. Во-первых, это укорочение длины волны. Первые лазеры были созданы в микроволновом диапазоне. Потом появились оптические лазеры, затем — ультрафиолетовые. Разработаны короткоживущий рентгеновский лазер (разер) с накачкой от взрыва атомной бомбы, долгоживущий рентгеновский лазер, который будет давать пиковую мощность в 10¹⁰ раз большую, чем у существующих ныне источников рентгеновских лучей. Известны также проекты гразеров — лазеров у-диапазона.Вторая задача — резкое увеличение мощности и сокращением длительности лазерного импульса. Третья задача — увеличение когерентности. Уже созданы лазеры оптического диапазона, когерентность излучения которых такова, что позволяет получить интерференционную картину от двух лазерных лучей, направленных в одно и то же место экрана, без использования интерференционных схем. Если термоядерный синтез удастся осуществить с помощью лазеров, это может значительно изменить многие стороны на­шей жизни. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. Стандартная модель. Ве­ликое объединение. Суперобъединение. Фундаментальная длина. Микрофизику называют еще иногда физикой элементарных частиц. Элементарными (или фундаментальными) называют ча­стицы, которые — как принято считать на современном уровне знания — не состоят из более простых частиц. Было их от­крыто великое множество — это 12 элементарных фермионов и 4 бозона. В научно-популярной литературе фундаментальные фермионы принято рассматривать как «кирпичи» мироздания, а четыре век­торных бозона — как переносчики взаимодействий, некий «клей», их скрепляющий. Физика элементарных частиц базируется также на понятии о фундаментальных взаимодействиях:гравитационном,электромагнитном, сильном и слабом. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры. Фазовые переходы в вакууме. Большинство откры­тых в последнее время элементарных частиц изучаются в экспе­риментах на ускорительных накопительных установках со встреч­ными пучками, которые называются коллайдерами. Коллайдер - вакуумированная кольцевая труба, в которой навстречу друг другу вращаются две системы частиц (встреч­ные пучки). В определенных местах эти частицы сталкиваются, и там, где это происходит, установлены специальные детекторы, которые регистрируют продукты этого столкновения.Подтверждение стринг-теории (теории одномерных струн). Это сегодня самое передовое направление в теоретической физике, успехи которого сильно зависят от экспериментов с частицами сверхвысоких энергий. Физика мегамира. Всеволновая астрономия. Астрономия, или как теперь принято говорить мегафизика, во многом определяет развитие современной физики. Это обусловлено тем, что астрономия из науки сугубо оптической превратилась во всеволновую. Гигантские возможности предоставляет мегафизике современное приборо­строение. Существуют астрофизические комплексы, при созда­нии которых используется весь арсенал средств современной фи­зики и техники. Даже военная и космическая техника, которые, как принято считать, являются вершинами современных высоких технологий, уступают всеволновой астрофизике. Эта тенденция сохранится и в наступившем третьем тысячелетии.Нейтронные звезды и пульсары. Черные дыры. Сверхновые звез­ды. Квазары и ядра галактик. Космические струны. Изучение ней­тронных звезд, пульсаров, квазаров — характерный пример со­временного подхода к познанию мегамира. Несмотря на гигант­скую удаленность этих объектов от Земли, ученым удается ис­следовать даже детали их строения. Использование мощнейшего арсенала средств всеволновой астрономии, знание законов со­временной физики и их нестандартное применение позволяют с высокой точностью определить, например, свойства вещества и строение нейтронных звезд, механизмы радиоизлучения пульса­ров и т. п. Именно здесь и накапливается та информация, которая в дальнейшем должна привести к определению специфических законов мегафизики. Этот процесс уже происходит, о чем свиде­тельствует, например, интенсивное теоретическое изучение кос­мических струн — удивительного объекта, присущего только мегамиру.Учеными Джоселин Беля и Энтони Хьюишем было открыто радиоизлучение нейтронных звезд — пуль­саров. Излучение этих объектов меняется (отсюда и на­звание — пульсары) с такой стабильной частотой, что сначала эти импульсы излучения были приняты за сигналы внеземных цивилизаций. Физическая природа пульсаров была вскоре объяс­нена Георгием Гамовым. Пульсары - быстро вращающиеся намагниченные нейтронные звезды. Возникновение быстрого вращения и огромного магнитного поля при превращении обычной звезды в нейтронную легко объясняется на основе простейших сообра­жений о сохранении момента количества движения и магнитного потока.Пульсары открыты сейчас также в рентгеновском и гамма-диа­пазонах. Ныне известно около 1000 пульсаров. В последнее время обнаружены нейтронные звезды с еще более сильными полями (магнетары). Радиоизлучения у магнетаров нет, но они испускают мягкое гамма-излучение. Черные дыры. Несмотря на то, что наблюдать их явным об­разом пока невозможно, в их существовании и большой роли в космосе сегодня никто не сомневается. Есть, правда, возможность идентифицировать невидимую компоненту двойной системы как нейтронную звезду. Черную дыру можно зафиксировать и по излу­чению, идущему из области, где находится падающее на нее или вращающееся вокруг нее вещество (аккреционный диск). В Галак­тике обнаружено уже довольно много черных дыр, идентифици­рованных указанными выше способами.Квазары (квазизвездные радиоисточники QSR) являются частью более широкого класса объек­тов (QSO) — квазизвездных источников. Квазары и квазизвезд­ные объекты — это ядра гигантских галактик, окруженные звез­дами, компактные и крайне яркие источники. Их свечение связа­но с высвобождением гравитационной энергии. Это могут быть компактные звезд­ные скопления или черные дыры. Наиболее популярна сейчас модель массивной черной дыры. Исследования в этой области энер­гично продолжаются.Космические струны — представляют собой нити, которые могут быть замкнутыми (кольца), космических масштабов и с характерной толщиной. Космические струны пока не на­блюдались, они — объект интенсивных теоретических исследо­ваний. Все сказанное ясно свидетельствует о том, насколько интерес­ны и содержательны проблемы мегафизики. Космологическая проблема. Связь между космологией и физи­кой высоких энергий. Экспериментальная проверка общей теории относительности. Гравитационные волны, их детектирование. В рамках физики XX в. космология в теоретическом плане создавалась в работах А.Эйнштейна, А. Фридмана, Леметра. До конца 40-х гг. все наблюдения космологи­и велись в оптическом диапазоне. Эдвин Хаббл открыл закон красного смещения и тем самым уста­новил, что Метагалактика расширяется. Артур Пензиас и Роберт Вильсон открыли реликтовое тепловое радиоизлучение с темпе­ратурой Т_г = 2,7 К. По наиболее распространенному мнению, Вселенная расши­ряется однородно и изотропно. Что же будет дальше? Имеется три варианта сценария: 1) Вселенная будет расширяться всегда; 2) Вселенная будет расширяться, затем остановится и перейдет в стационарное состояние; 3) после расширения Вселенная начнет сжи­маться и снова придет к сингулярности. Развитие сценария зависит от массы Вселенной. Поэтому рас­чет массы Вселенной — главный вопрос космологии.Экспериментальная проверка ограниченности общей теории относительности (ОТО) также является важной проблемой современ­ной науки. В настоящее время никто не сомневается, что ОТО — это физическая реальность. Но ученых занимают те объекты и процессы, где ОТО нарушается. Согласно современным воззрениям, это может происходить вблизи и внутри сверхмассивных космических тел, в окрестности чер­ных дыр и сингулярностей, вообще — в сверхсильных гравита­ционных полях. Под влиянием гравитационных волн твердые тела деформируются и начинают колебаться, а в систе­ме свободных тел меняются взаимные расстояния. Гравитационное взаимодействие много слабее остальных фундаментальных взаимодействий. Поэтому и светимость (мощность) гравитационного излучения тоже очень мала. Попытки обнаружить гравитационные волны продолжаются. Задача технически сложна, и для ее решения строятся гигантские установки. Име­ется, однако, косвенное подтверждение существования гравита­ционных волн. Если рассчитать энергию излучения недавно от­крытых двойных пульсаров, то образуется дефицит энергии. Пред­полагается, что это и есть энергия, излучаемая пульсаром в виде гравитационных волн.Некоторые достижения научного приборостроения. Бурный рост физических открытий, сделанных в конце XX столетия, не возможен без достижений в научном приборостроении. Это современные ускорители элементарных частиц, детекторы элек­тромагнитного излучения широкого диапазона частот, измери­тели гравитационных волн, детекторы гравитонов, гразеры, разеры и т.д. Растровый туннельный микроскоп позво­ляет получать изображения отдельных атомов и молекул, карто­графировать распределения электрических, магнитных и механи­ческих свойств и даже температурные изменения — и все это с большим разрешением. При использо­вании этого прибора отпадает необходимость модифицировать образец или подвергать его разрушающему воздействию высоко­энергетического облучения. За создание растрового туннельного микроскопа (РТМ) Герд Бинниг и Генрих Рорер были удостоены Нобелевской премии в 1986 г. Г. Бинниг совместно К. Куэйтом из Стенфордского уни­верситета и К.Джербером из Исследовательского центра IBM в Цюрихе создали атомно-силовой микроскоп (АСМ). Вместо тун­нельного тока в АСМ воспроизводятся силовые контуры, т.е. кон­туры сил отталкивания, возникающие при перекрывании элект­ронного облака острия с электронными облаками атомов поверх­ности. Несмотря на уникальные свойства РТМ и АСМ, они не очень хорошо подходят для проверки качества микроэлектронных изделий в процессе их изготовления. Ученые из технологического исследовательского отделения IBM в Йорктаун-Хейтсе изобрели лазерный силовой микроскоп (ЛСМ), в котором указанные выше силы регистрируются с помощью лазера.Томография — одно из бурно развивающихся направлений в области получения и обработки информации. Образно говоря, томография позволяет заглянуть внутрь наблюдаемого объекта, за непрозрачную преграду. Сегодня томографические методы применяются в радиолокации и оптике, в медицине и физиологии, в химии и диагностике плаз­мы, в астрономии и т.д. Томо­графия проходит только начальную стадию развития и истинное ее значение можно будет оценить лишь в будущем. Она выполняется различными способами. Например, при рентгенов­ской томографии получают большое число снимков, сделанных под разными углами; с помощью компьютера их обрабатывают, используя томографические алгоритмы таким образом, что внут­ренняя структура объекта представляется в виде единого объем­ного трехмерного изображения. Область математики, в которой разрабатываются методы решения подобных задач, известна как интегральная геометрия. В последнее время получил распростра­нение новый метод получения изображений органов человеческого тела без использования иони­зирующих излучений, — томография на основе ядерного магнит­ного резонанса.