Виталий Гинзбург - "Физический минимум" на начало XXI века

• Название: "Физический минимум" на начало XXI века
• Автор: Виталий Гинзбург
• Жанр: Физика

Вступление

Список «особенно важных и интересных проблем»

Макрофизика

Микрофизика

Астрофизика

О трех «великих» проблемах

---

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.