Нерешенные вопросы. Величайшая нерешённая задача современной физики: почему гравитация такая слабая

Теоретические проблемы Вставка из Википедии.Psychedelic - август 2013Ниже приведён список нерешённых проблем современной физики. Некоторые из этих проблем носят теоретический характер, что означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые

ГЛАВА 14 РЕШЕНИЕ В ПОИСКЕ ПРОБЛЕМЫ ИЛИ МНОГИЕ ПРОБЛЕМЫ С ОДНИМ И ТЕМ ЖЕ РЕШЕНИЕМ? ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В 1898 г. г. Уэллс вообразил в своей книге «Война миров» захват Земли марсианами, которые использовали лучи смерти, способные без труда проходить через кирпичи, сжигать леса, и

II. Социальная сторона проблемы Эта сторона проблемы является, без сомнения, самой важной и самой интересной. Ввиду ее большой сложности мы ограничимся здесь лишь самыми общими соображениями.1. Изменения в мировой экономической географии.Как мы видели выше, стоимость

1.2. Астрономический аспект проблемы АКО Вопрос об оценках значимости астероидно-кометной опасности связан, в первую очередь, с нашим знанием о населенности Солнечной системы малыми телами, особенно теми, что могут столкнуться с Землей. Такие знания дает астрономия.

Новые проблемы космологии Вернемся к парадоксам нерелятивистской космологии. Вспомним, что причина гравитационного парадокса в том, что для однозначного определения гравитационного воздействия либо недостаточно уравнений, либо нет возможности корректно задать

Глава 9. Проблемы унификации В 1947 году только что окончивший аспирантуру Брайс Девитт встретился с Вольфгангом Паули и рассказал, что работает над квантованием гравитационного поля. Девитт не понимал, почему две великие концепции XX века - квантовая физика и общая теория

Академик В. Л. ГИНЗБУРГ.

Почти 30 лет назад академик В. Л. Гинзбург опубликовал статью "Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными?" ("Наука и жизнь" № 2, 1971 г.) с перечнем наиболее актуальных вопросов современной физики. Прошло десять лет, и на страницах журнала появился его "Рассказ о некоторых проблемах современной физики..." ("Наука и жизнь" № 4, 1982 г.). Просмотрев старые журнальные публикации, легко убедиться, что все проблемы, на которые возлагались большие надежды, по-прежнему актуальны (кроме разве что загадки "аномальной воды", которая будоражила умы в 70-х годах, но оказалась ошибкой эксперимента). Это говорит о том, что "генеральное направление" развития физики было обозначено верно. За истекшие годы в физике появилось много нового. Были открыты гигантские углеродные молекулы - фуллерены, зарегистрированы мощнейшие гамма-всплески, приходящие из космоса, синтезированы высокотемпературные сверхпроводники. В Дубне получен элемент со 114 протонами и 184 нейтронами в ядре, речь о котором шла в статье 1971 года. Все эти и многие другие крайне интересные и перспективные направления современной физики заняли достойное место в новом "списке". Сегодня, на пороге III тысячелетия, академик В. Л. Гинзбург еще раз возвращается к волнующей его теме. Большая обзорная статья, посвященная проблемам современной физики на рубеже тысячелетия, с подробными комментариями ко всем пунктам "списка" напечатана в журнале "Успехи физических наук" № 4 за 1999 год. Мы публикуем ее вариант, подготовленный для читателей "Науки и жизни". Статья значительно сокращена там, где приводятся рассуждения и выкладки, предназначенные для физиков-профессиона лов, но, возможно, непонятные большинству наших читателей. Одновременно те положения, которые очевидны читателям журнала УФН, но недостаточно хорошо знакомы широкой аудитории, пояснены и расширены. Многие проблемы, перечисленные в "списке", были отражены в публикациях журнала "Наука и жизнь". Редакция дает на них ссылки в тексте статьи.

Действительный член Российской академии наук, член редакционного совета журнала "Наука и жизнь" с 1961 года Виталий Лазаревич Гинзбург.

Схема международного экспериментального термоядерного реактора-токамака ИТЭР.

Схема стелларатора, предназначенного для удержания плазмы в системе тороидальных обмоток сложной конфигурации.

Электроны окружают атомное ядро из протонов и нейтронов.

Введение

Темп и скорость развития науки в наше время поражают. Буквально в продолжении одной-двух человеческих жизней произошли гигантские изменения в физике, астрономии, биологии, да и во многих других областях. Например, мне было 16 лет, когда в 1932 г. были открыты 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 только около ста лет назад, а квантовая теория зародилась только в 1900 г. Полезно вспомнить и то, что первые великие физики: Аристотель (384-322 гг. до н.э.) и Архимед (около 287-212 гг. до н.э.) отделены от нас более чем двумя тысячелетиями. Но в дальнейшем наука прогрессировала сравнитель но 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. Какой путь пройден с тех пор всего за 300-400 лет! Его итог - известная нам современная наука. Она уже освободилась от религиозных пут, и церковь сегодня по крайней мере не отрицает роль науки. Правда, антинаучные настроения и распростра нение лженауки (в частности, астрологии) и в наши дни имеют место, в частности в России.

Так или иначе можно надеяться на то, что в ХХI веке наука будет развиваться не менее быстро, чем в уходящем ХХ столетии. Трудность на этом пути, быть может, даже главная трудность, как мне кажется, связана с гигантским увеличением накопленного материала, объема информации. Физика так разрослась и дифференцировалась, что за деревьями трудно видеть лес, трудно иметь перед мысленным взором картину современной физики как целого. Поэтому и возникла настоятельная потребность свести основные ее вопросы воедино.

Речь идет о составлении некоторого списка проблем, представляющихся в данное время наиболее важными и интересными. Эти проблемы должны в первую очередь обсуждаться или комментироваться в специальных лекциях или статьях. Формула "все об одном и кое-что обо всем" весьма привлекательна, но нереальна - за всем не угонишься. Вместе с тем некоторые темы, вопросы, проблемы как-то выделены по различным причинам. Здесь может быть их важность для судеб человечества (выражаясь высокопарно) вроде проблемы управляемого ядерного синтеза с целью получения энергии. Выделены, конечно, и вопросы, касающиеся самого фундамента физики, ее переднего фронта (эта область часто именуется физикой элементарных частиц). Несомненно, особое внимание привлекают и некоторые вопросы астрономии, которую сейчас, как и во времена Галилея, Кеплера и Ньютона, трудно (да и не нужно) отделять от физики. Вот такой список (разумеется, меняющийся со временем) и составляет некий "физический минимум". Это темы, о которых каждый грамотный человек должен иметь некоторое представление, знать, пусть и весьма поверхностно, о чем идет речь.

Нужно ли подчеркивать, что выделение "особенно важных и интересных" вопросов ни в какой мере не эквивалентно объявлению других физических вопросов неважными или неинтересными? "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 на главных направлениях. Завтра эти проблемы могут оказаться уже в тылу, на смену им придут другие. Выбор проблем, конечно, субъективен, возможны и нужны различные взгляды на этот счет.

Список "особенно важных и интересных проблем" 1999 г.

Как говорится в известной английской поговорке: "Чтобы узнать, каков пудинг, - нужно его съесть". Поэтому перейду к делу и предъявлю "список", о котором упоминалось.

1. Управляемый ядерный синтез. *

2. Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость. *

3. Металлический водород. Другие экзотические вещества.

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

5 . Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктура в полупроводниках, переходы металл - диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика).

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

7. Физика поверхности.

8. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики.

9. Фуллерены. *

10 . Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях. *

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

12 . Сверхмощные лазеры, разеры, гразеры.

13. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра. *

14 . Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. *

15. Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W + и Z о бозоны. Лептоны. *

16. Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи. *

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

18. Несохранение СР-инвариантности. *

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

20 . Струны. М -теория. *

21. Экспериментальная проверка общей теории относительности. *

22. Гравитационные волны, их детектирование. *

23. Космологическая проблема. Инфляция. L-член. Связь между космологией и физикой высоких энергий. *

24. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды. *

25. Черные дыры. Космические струны. *

26. Квазары и ядра галактик. Образование галактик. *

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

28. Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией. *

29 . Гамма-всплески. Гиперновые. *

30. Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции. *

Примечание. Звездочками * отмечены проблемы, в той или иной степени нашедшие отражение на страницах журнала.

Несомненно, любой "список" не догма, что-то можно выбросить, что-то дополнить в зависимости от интересов исследователей и ситуации в науке. Самый тяжелый t-кварк был обнаружен лишь в 1994 г. (его масса, по данным на 1999 г., 176 + 6 ГэВ). В статьях 1971-1982 гг. нет, естественно, фуллеренов, открытых в 1985 г., нет гамма-всплесков (первое упоминание об их обнаружении опубликовано в 1973 г.). Высокотемпературные сверхпроводники синтезированы в 1986-1987 гг., но тем не менее в 1971 г. эта проблема рассматривалась довольно подробно, ибо она обсуждается 1964 г. Вообще за 30 лет в физике сделано немало, но, по моему мнению, не так уж и много появилось существенно нового. Во всяком случае, все три "списка" в какой-то мере характеризуют развитие и состояние физической и астрофизической проблематики с 1970 г. и по настоящее время.

Макрофизика

Проблема управляемого ядерного синтеза (номер 1 в "списке") все еще не решена, хотя ей исполнилось уже 50 лет. Работа в этом направлении началась в СССР в 1950 г. А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм рассказали мне об идее магнитного термоядерного реактора, и я был рад заняться этой проблемой, ибо в разработке водородной бомбы мне тогда делать уже практически было нечего. Работа эта считалась сверхсекретной (гриф "Строго секретно, особая папка"). 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 интересовал "кого надо" в основном вовсе по другой причине: как источник нейтронов для производства трития. Так или иначе проект считался столь секретным и важным, что меня (то ли в конце 1951 г., то ли в начале 1952 г.) от нее отстранили: просто-напросто перестали выдавать в первом отделе рабочие тетради и собственные отчеты по этой работе. Такова была вершина моей "спецдеятельности". К счастью, через несколько лет И. В. Курчатов и его коллеги поняли, что проблему термояда быстро решить нельзя, и в 1956 г. она была рассекречена.

За границей работы над термоядом начинались примерно в тот же период также в основном как закрытые, и их рассекречивание в СССР (совершенно нетривиальное решение для нашей страны по тем временам) сыграло большую положительную роль: решение проблемы стало объектом международных конференций и сотрудничества. Но вот прошло уже 45 лет, а работающий (дающий энергию) термоядерный реактор не создан, и, вероятно, до этого момента придется ждать еще лет десять, а может быть, и больше. Работа над термоядерным синтезом ведется во всем мире и довольно широким фронтом. Особенно хорошо разработана система токамак (см. "Наука и жизнь" № 3, 1973 г.). Уже несколько лет осуществляется международный проект ITER (International Termonuclear Experimental Reactor). Это гигантский токамак стоимостью около 10 миллиардов долларов, который предполагалось построить к 2005 г. в качестве прообраза термоядерного реактора будущего. Однако сейчас, когда конструирование в основном закончено, возникли трудности финансового характера. Кроме того, некоторые физики считают целесообразным обдумывать альтернативные конструкции и проекты меньшего масштаба, например так называемые стеллараторы. В общем, сомнений в возможности создать реальный термоядерный реактор уже нет, и центр тяжести проблемы, насколько я понимаю, переместился в инженерную и экономическую области. Однако столь гигантская и уникальная установка, как ITER или какая-то конкурирующая с ней, сохраняет, конечно, свой интерес и для физики.

Что касается альтернативных путей синтеза легких ядер для получения энергии, то надежды на возможности "холодного термояда" (например, в электролитических элементах) оставлены. Существуют также проекты использования ускорителей с различными ухищрениями, и, наконец, возможен инерциальный ядерный синтез, например "лазерный термояд". Суть его состоит в следующем. Стеклянную ампулу с очень небольшим количеством смеси дейтерия с тритием со всех сторон облучают мощными лазерными импульсами. Ампула испаряется, а световое давление сжимает ее содержимое настолько, что в смеси "зажигается" термоядерная реакция. Обычно она проходит со взрывом, эквивалентным порядка 100 кг тротила. Строятся гигантские установки, но о них мало известно в силу засекреченности: на них, видимо, надеются имитировать термоядерные взрывы. Так или иначе проблема инерциального синтеза явно важна и интересна.

Проблема 2 - высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость (кратко ВТСП и КТСП).

Человеку, далекому от физики твердого тела, может показаться, что проблему ВТСП пора из "списка" выбросить, ведь в 1986-1987 гг. такие материалы были созданы. Не пора ли перевести их в категорию огромного числа других веществ, изучаемых физиками и химиками? На деле это совершенно не так. Достаточно сказать, что механизм сверхпроводимости в купратах (соединениях меди) остается неясным (наивысшая температура Т c = 135 К достигнута для HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x без давления; под довольно большим давлением для него уже T c = 164 К). Нет сомнений, у меня во всяком случае, что очень существенную роль играет электронно -фононное взаимодействие с сильной связью, но этого мало, нужно еще "что-то". В общем, вопрос открыт, несмотря на огромные усилия, затраченные на изучение ВТСП (за 10 лет на эту тему появилось около 50 тысяч публикаций). Но главное здесь, конечно, - возможность создания КТСП. Она ничему не противоречит, но и быть уверенным в успехе нельзя.

Металлический водород (проблема 3 ) еще не создан даже под давлением около трех миллионов атмосфер (речь идет о низкой температуре). Однако исследование молекулярного водорода под большим давлением выявило у него целый ряд неожиданных и интересных особенностей. При сжатии ударными волнами и температуре около 3000 К водород, по-видимому, переходит в хорошо проводящую жидкую фазу.

При высоком давлении обнаружены также своеобразные особенности у воды и ряда других веществ. К числу "экзотических" веществ можно отнести фуллерены. Совсем недавно кроме "обычного" фуллерена С 60 начали исследовать С 36 , который может обладать очень высокой температурой сверхпроводящего перехода при допировании - "встраивании" атомов другого элемента в кристаллическую решетку или молекулу.

Нобелевская премия по физике за 1998 г. присуждена за открытие и объяснение дробного квантового эффекта Холла - проблема 4 (см. "Наука и жизнь" № ). Кстати сказать, за открытие целочисленного квантового холл-эффекта тоже была присуждена Нобелевская премия (в 1985 г.). Дробный квантовый холл-эффект был открыт в 1982 г. (целочисленный обнаружен в 1980 г.); он наблюдается при протекании тока в двумерном электронном "газе" (вернее, в жидкости, ибо там взаимодействие между электронами существенно, особенно для дробного эффекта). Неожиданная и очень интересная особенность дробного квантового холл-эффекта - существование квазичастиц с зарядами e * = (1/3)e , где e - заряд электрона, и другой величины. Нужно отметить, что двумерный электронный газ (или, вообще говоря, жидкость) интересен и в других случаях.

Проблема 5 (некоторые вопросы физики твердого тела) сейчас буквально безбрежна. Я лишь наметил возможные темы и, если бы читал лекцию, остановился бы на гетероструктурах (включая "квантовые точки") и на мезоскопике. Твердые тела долгое время считались чем-то единым и целым. Однако сравнительно недавно выяснилось, что в твердом теле существуют области с различным химическим составом и физическими свойствами, разделенные резко очерченными границами. Такие системы и называются гетерогенными. Это приводит к тому, что, скажем, твердость или электрическое сопротивление одного конкретного образца резко отличается от усредненных значений, измеренных у их набора; поверхность кристалла имеет свойства, отличные от его внутренней части и т. д. Совокупность подобных явлений называется мезоскопикой. Исследования мезоскопических явлений чрезвычайно важны для создания тонкопленочных полупроводниковых материалов, высокотемпературных сверхпровод ников и т. д.

В отношении проблемы 6 (фазовые переходы и т.д.) можно сказать следующее. Открытие низкотемпературных сверхтекучих фаз Не-3 отмечено Нобелевской премией по физике за 1996 г. (см. "Наука и жизнь" № 1, 1997 г.). Особое внимание за последние три года привлекает к себе бозе-эйнштейновс кая конденсация (БЭК) в газах. Это, несомненно, очень интересные работы, но "бум", который они вызвали, по моему мнению, в значительной мере связан с незнанием истории. Еще в 1925 г. Эйнштейн обратил внимание на БЭК, но длительное время ею пренебрегали и иногда даже сомневались в ее реальности. Но эти времена давно прошли, особенно после 1938 г., когда Ф. Лондон связал БЭК со сверхтекучестью Не-4. Разумеется, гелий II - жидкость, и БЭК в нем проявляется, так сказать, не в чистом виде. Стремление наблюдать ее в разреженном газе вполне понятно и оправдано, но несерьезно видеть в ней открытие чего-то неожиданного и принципиально нового. Другое дело, что осуществление БЭК в газах Rb, Na, Li, наконец, H в 1995 г. и позже - очень большое достижение экспериментальной физики. Оно стало возможно только в результате развития методов охлаждения газов до сверхнизких температур и удержания их в ловушках (за это, кстати, была присуждена Нобелевская премия по физике за 1997 г., см. "Наука и жизнь" № 1, 1998 г.). Осуществление БЭК в газах повлекло за собой поток теоретических работ и статей. В бозе-эйнштейновском конденсате атомы находятся в когерентном состоянии и можно наблюдать интерференционные явления, что привело к появлению понятия "атомный лазер" (см. "Наука и жизнь" № 10, 1997 г.).

Темы 7 и 8 весьма широки, поэтому трудно выделить что-то новое и важное. Разве что хочется отметить повышенный и вполне оправданный интерес к кластерам из различных атомов и молекул (речь идет об образованиях, содержащих небольшое число частиц). Весьма любопытны исследования жидких кристаллов и сегнетоэлектриков (или, по английской терминологии, ферроэлектриков). Привлекает к себе внимание также изучение тонких сегнетоэлектрических пленок.

О фуллеренах (проблема 9 ) уже вскользь упоминалось, и вместе с углеродными нанотрубками эта область находится в цвету (см. "Наука и жизнь" № 11, 1993 г.).

О веществе в сверхсильных магнитных полях (конкретно, в коре нейтронных звезд), а также о моделировании соответствующих эффектов в полупроводниках (проблема 10 ) нет ничего нового. Подобное замечание не должно обескураживать или вызывать вопрос: зачем же тогда помещать эти проблемы в "список"? Во-первых, они, на мой взгляд, имеют некую прелесть для физика; а во-вторых, понимание важности вопроса вовсе не обязательно связано с достаточным знакомством с его состоянием на сегодняшний день. Ведь "программа" как раз и имеет целью стимулировать интерес и побудить специалистов освещать состояние проблемы в доступных статьях и лекциях.

В отношении нелинейной физики (проблемы 11 в "списке") ситуация иная. Материала очень много, и в сумме нелинейной физике посвящено до 10-20% всех научных публикаций.

Недаром ХХ век иногда называли не только атомным, но и лазерным веком. Совершенство вание лазеров и расширение области их применения идут полным ходом. Но проблема 12 - это не лазеры вообще, а прежде всего сверхмощные лазеры. Так, уже достигнута интенсивность (плотность мощности) лазерного излучения 10 20 - 10 21 Вт см -2 . При такой интенсивности напряженность электрического поля достигает 10 12 В см -1 , оно на два порядка сильнее поля протона на основном уровне атома водорода. Магнитное поле при этом достигает 10 9 - 10 10 эрстед. Использование очень коротких импульсов длительностью до 10 -15 с (т. е. до фемтосекунды) открывает целый ряд возможностей, в частности, для получения рентгеновских импульсов длительностью в аттосекунды (10 -18 с). Родственная проблема - создание и использование разеров и гразеров - аналогов лазеров в рентгеновском и гамма-диапазонах соответственно.

Проблема 13 - из области ядерной физики. Она очень велика, поэтому я выделил только два вопроса. Во-первых, это далекие трансурановые элементы в связи с надеждами на то, что отдельные их изотопы живут долго (в качестве такого изотопа указывалось на ядро с числом протонов Z = 114 и нейтронов N = 184, т. е. с массовым числом A = Z + N = 298). Известные трансурановые элементы с Z < 114 живут лишь секунды или доли секунды. Существование в космических лучах долгоживущих (речь идет о миллионах лет) трансурановых ядер пока подтверждено не было. В начале 1999 г. появилось сообщение, что в Дубне синтезирован 114-й элемент с массовым числом 289, живущий около 30 секунд. Поэтому возникла надежда, что элемент действительно окажется очень долгоживущим. Во-вторых, под "экзотическими" ядрами подразумеваются также гипотетические ядра из нуклонов и антинуклонов повышенной плотности, не говоря уже о ядрах несферической формы и с некоторыми другими особенностями. Сюда же примыкает проблема кварковой материи и кварк-глюонной плазмы, получение которой планируется в начале XXI века.

Микрофизика

Проблемы с 14 по 20 относятся к области, которую правильнее всего, по-видимому, называть физикой элементарных частиц. Одно время, правда, это название как-то стало редко употребляться, поскольку устарело. 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, возможно, тоже "состоят" из каких-то частиц - преонов и т. д. Однако для подобных гипотез пока нет никаких оснований, а "матрешка" - деление вещества на все более "мелкие" части - должна когда-то исчерпаться. Так или иначе на сегодняшний день мы считаем неделимыми и в этом смысле элементарными кварки - их, не считая антикварки, 6 типов, которые называются "ароматами" (flowers): u (up), d (down), c (charm), s (straneness), t (top) и b (bottom), а также электрон, позитрон и ряд других частиц. Одна из самых актуальных задач физики элементарных частиц - поиски и, как все надеются, обнаружение хиггса - бозона Хиггса ("Наука и жизнь" № 1, 1996 г.). По оценкам, его масса меньше 1000 ГэВ, но, скорее, даже меньше 200 ГэВ. Поиски ведутся и будут вестись на ускорителях в ЦЕРНе и Фермилабе. Главная же надежда физики высоких энергий - ускоритель LHC (Large Hadron Colleider), строящийся в ЦЕРНе. В нем будет достигнута энергия в 14 ТэВ (10 12 эВ), но только, видимо, в 2005 г.

Другая важная задача - поиски суперсимметричных частиц. В 1956 г. было открыто несохранение пространственной четности (P ) при слабых взаимодействиях - мир оказался несимметричным, "правое" неэквивалентно "левому". Однако эксперименты показывали, что все взаимодействия инвариантны относительно CP -сопряжения, то есть при замене правого на левое с одновременной сменой частицы на античастицу. В 1964 г. был обнаружен распад К -мезона, который свидетельствовал, что и CP -инвариантность нарушается (в 1980 г. это открытие было отмечено Нобелевской премией). Процессы с несохранением CP -инвариантно сти очень редки. Пока обнаружена только еще одна такая реакция, а другая под вопросом. Реакция распада протона, на которую возлагались некоторые надежды, не зарегистрирована, что, впрочем, неудивительно: среднее время жизни протона 1,6 10 33 года. Возникает вопрос: а станет ли сохраняться инвариантность при замене времени t на -t ? Этот фундаментальный вопрос имеет важное значение для объяснения не-обратимости физических процессов. Природа процессов с CP -несохранением неясна, их исследования продолжаются.

О массе нейтрино, упоминаемой в числе прочих "разделов" проблемы 16 , будет сказано ниже при обсуждении проблемы 30 (нейтринная физика и астрономия). Остановимся на проблеме 17 и более конкретно на фундаментальной длине.

Теоретические расчеты показывают, что до расстояний l f = 10 -17 см (чаще, правда, указывают 10 -16 см) и времен t f = l f /c ~ 10 -27 с cуществующие 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 и времени, при которых вступает в строй "новая физика" и какие-то необычные пространственно-временные представления ("зернистое пространство -время" и т. п.). С другой стороны, в физике известна и играет важную роль еще одна фундаментальная длина - так называемая планковская, или гравитационная, длина l g = 10 -33 см.

Ее физический смысл заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользовать ся, в частности, общей теорией относительности (ОТО). Здесь нужно использовать квантовую теорию гравитации, еще не созданную в сколько-нибудь законченной форме. Итак, l g - явно некоторая фундаментальная длина, ограничивающая классические представления о пространстве-времени. Но можно ли утверждать, что эти представления не "отказывают" еще раньше, при некоторой l f , которая на целых 16 порядков меньше l g ?

"Атака на длину" ведется с двух сторон. Со стороны сравнительно низких энергий - это строительство новых ускорителей на встречных пучках (коллайдеров), и в первую очередь уже упомянутого LHC, на энергию 14 ТэВ, что отвечает длине l = ћc/E c = =1,4 . 10 -18 см. В космических лучах зарегистрированы частицы с максимальной энергией Е = 3 . 10 20 эВ. Однако и таких частиц крайне мало, и непосредственно использовать их в физике высоких энергий невозможно. Длины, сопоставимые с l g , фигурируют лишь в космологии (и в принципе внутри черных дыр).

В физике элементарных частиц довольно широко оперируют энергиями Е о = 10 16 эВ, в еще не завершенной теории "великого объединения" - объединения электрослабого и сильного взаимодействий. Длина l о = =ћc/E о = 10 -30 см, и все же она на три порядка больше l g . Что происходит в области между l о и l g , по-видимому, сказать совсем трудно. Быть может, здесь и притаилась какая-то фундаментальная длина l f , такая, что l g < l f < l o ?

В отношении совокупности проблем 19 (вакуум и сверхсильные магнитные поля) можно утверждать, что они очень акутальны. Еще в 1920 г. Эйнштейн заметил: "... общая теория относительности наделяет пространство физическими свойствами, таким образом, в этом смысле эфир существует..." Квантовая теория "наделила пространство" еще виртуальными парами, различными фермионами и нулевыми колебаниями электромагнитного и других полей.

Проблема 20 - струны и М -теория ("Наука и жизнь" №№ 8, 9, 1996 г.). Это, можно сказать, фронтовое направление в теоретической физике на сегодняшний день. Кстати, вместо термина "струны" часто употребляют название "суперструны", во-первых, чтобы не было путаницы с космическими струнами (проблема 25 ), и, во-вторых, чтобы подчеркнуть использование представления о суперсимметрии. В суперсимметричной теории каждой частице отвечает партнер с другой статистикой, например, фотону (бозону со спином единица) отвечает фотино (фермион со спином 1/2) и т. д. Нужно сразу отметить, что суперсиммет ричные 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.

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 шесть типов кварков и шесть типов лептонов; почему масса нейтрино очень мала; как определить из теории постоянную тонкой структуры 1/137 и ряд других постоянных и т. д. Другими словами, сколь ни грандиозны и впечатляющи достижения физики, нерешенных фундаментальных проблем предостаточно. Теория суперструн еще не ответила на подобные вопросы, но обещает успехи в нужном направлении.

В квантовой механике и в квантовой теории поля элементарные частицы считаются точечными. В теории суперструн элементарные частицы - это колебания одномерных объектов (струн), имеющих характерные размеры 10 -33 см. Струны могут быть конечной длины или в виде колечек. Их рассматривают не в четырехмерном ("обычном") пространстве, а в пространствах, скажем, с 10-ю или 11-ю измерениями.

Теория суперструн пока не привела к каким-либо физическим результатам, и в их отношении можно упомянуть главным образом о "физнадеждах", как любил говорить Л. Д. Ландау, а не о результатах. Но что называть результатами? Ведь математические построения и обнаружение различных свойств симметрии тоже результаты. Это не помешало физикам, исследующим струны, применять к теории струн и не слишком скромную терминологию - "теория всего".

Стоящие перед теоретической физикой задачи и вопросы, о которых идет речь, крайне сложны и глубоки, и сколько еще потребуется времени, чтобы найти ответы, неизвестно. Чувствуется, что теория суперструн - это нечто глубокое и развивающееся. Сами ее авторы претендуют на понимание лишь некоторых предельных случаев и говорят только о намеках на некоторую более общую теорию, которую называют М-теорией, то есть магической или мистической.

(Окончание следует.)

Обращение президиума РАН

Засилье антинаучных и малограмотных статей в газетах и журналах, телевизионных и радиопередач вызывает серьезное беспокойство у всех ученых страны. Речь идет о будущем нации: сможет ли новое поколение, воспитанное на астрологических прогнозах и вере в оккультные науки, сохранить научное мировоззрение, достойное людей XXI века, или наша страна вернется к средневековому мистицизму. Журнал всегда пропагандировал только достижения науки и разъяснял ошибочность иных позиций (см., например, "Наука и жизнь" №№ 5, 6, 1992 г.). Публикуя обращение Президиума РАН, принятое постановлением от 16 марта 1999 г. № 58-А, мы продолжаем эту работу и видим в читателях своих единомышленников.

НЕ ПРОХОДИТЕ МИМО!

Научным работникам России, профессорам и преподавателям вузов, учителям школ и техникумов, всем членам российского интеллектуального сообщества.

В настоящее время в нашей стране широко и беспрепятственно распространяются и пропагандируются псевдонаука и паранормальные верования: астрология, шаманство, оккультизм и т. д. Продолжаются попытки осуществлять за счет государственных средств различные бессмысленные проекты вроде создания торсионных генераторов. Население России оболванивается теле- и радиопрограммами, статьями и книгами откровенно антинаучного содержания. В отечественных государственных и частных СМИ не прекращается шабаш колдунов, магов, прорицателей и пророков. Псевдонаука стремится проникнуть во все слои общества, все его институты, включая Российскую академию наук.

Эти иррациональные и в основе своей аморальные тенденции, бесспорно, представляют собой серьезную угрозу для нормального духовного развития нации.

Российская академия наук не может и не должна равнодушно взирать на беспрецедентное наступление мракобесия и обязана дать ему должный отпор. С этой целью Президиум РАН создал Комиссию по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований.

Комиссия РАН по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований уже начала действовать. Однако совершенно очевидно, что существенного успеха можно достичь только в том случае, если борьбе с псевдонаукой будут уделять внимание широкие круги научных работников и педагогов России.

Президиум РАН призывает вас активно реагировать на появление псевдонаучных и невежественных публикаций как в средствах массовой информации, так и в специальных изданиях, противодействовать осуществлению шарлатанских проектов, разоблачать деятельность всевозможных паранормальных и антинаучных "академий", всемирно пропагандировать достоинства научного знания, рациональное отношение к действительности.

Мы призываем руководителей радио- и телевизионных компаний, газет и журналов, авторов и редакторов программ и публикаций не создавать и не распространять псевдонаучные и невежественные программы и публикации и помнить об ответственности СМИ за духовное и нравственное воспитание нации.

От позиции и действий каждого научного работника сегодня зависит духовное здоровье нынешнего и будущего поколений!

Президиум Российской академии наук.

Ниже приведён список нерешённых проблем современной физики . Некоторые из этих проблем носят теоретический характер. Это означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты. Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления. Следующие проблемы являются либо фундаментальными теоретическими проблемами, либо теоретическими идеями, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бомльшую часть из перечисленных вопросов (кроме проблемы острова стабильности).

• 1. Квантовая гравитация. Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)? Является ли пространство-время непрерывным или оно дискретно? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?
• 2. Чёрные дыры, исчезновение информации в чёрной дыре, излучение Хокинга. Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как это предполагает дуальность тяготение-калибровочная инвариантность, или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут непрерывно испаряться, то что происходит с информацией, хранящейся в них (квантовая механика не предусматривает уничтожение информации)? Или излучение в какой-то момент остановится, когда от чёрной дыры мало что останется? Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует? Выполняется ли закон сохранения барионного заряда внутри чёрной дыры? Неизвестно доказательство принципа космической цензуры, а также точная формулировка условий, при которых он выполняется. Отсутствует полная и законченная теория магнитосферы черных дыр. Неизвестна точная формула для вычисления числа различных состояний системы, коллапс которой приводит к возникновению черной дыры с заданными массой, моментом количества движения и зарядом. Неизвестно доказательство в общем случае "теоремы об отсутствии волос" у чёрной дыры.
• 3. Размерность пространства-времени. Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх? Если да, то каково их количество? Является ли размерность «3+1» (или более высокая) априорным свойством Вселенной или она является результатом других физических процессов, как предполагает, например, теория причинной динамической триангуляции? Можем ли мы экспериментально «наблюдать» высшие пространственные измерения? Справедлив ли голографический принцип, по которому физика нашего «3+1»-мерного пространства-времени эквивалентна физике на гиперповерхности с размерностью «2+1»?
• 4. Инфляционная модель Вселенной. Верна ли теория космической инфляции, и если да, то каковы подробные детали этой стадии? Что представляет собой гипотетическое инфлатонное поле, ответственное за рост инфляции? Если инфляция произошла в одной точке, является ли это началом самоподдерживающегося процесса за счёт инфляции квантово-механических колебаний, который будет продолжаться в совершенно другом, удалённом от этой точки месте?
• 5. Мультивселенная. Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы? Например: существуют ли квантово-механические «альтернативные истории» или «множество миров»? Существуют ли «другие» вселенные с физическими законами, являющимися результатом альтернативных способов нарушения очевидной симметрии физических сил при высоких энергиях, расположенные, возможно, невероятно далеко из-за космической инфляции? Могли ли другие вселенные влиять на нашу, вызвав, например, аномалии в распределении температуры реликтового излучения? Является ли оправданным использование антропного принципа для решения глобальных космологических дилемм?
• 6. Принцип космической цензуры и гипотеза защиты хронологии. Могут ли сингулярности, не скрывающиеся за горизонтом событий и известные как «голые сингулярности», возникать из реалистичных начальных условий, или же можно доказать какую-то версию «гипотезы космической цензуры» Роджера Пенроуза, в которой предполагается, что это невозможно? В последнее время появились факты в пользу несостоятельности гипотезы космической цензуры, а значит голые сингулярности должны встречаться гораздо чаще, чем только лишь как экстремальные решения уравнений Керра -- Ньюмена, тем не менее неоспоримых доказательств этому представлено ещё не было. Аналогично, будут лизамкнутые времениподобные кривые, которые возникают в некоторых решениях уравнений общей теории относительности (и которые предполагают возможность путешествия во времени в обратном направлении) исключены теорией квантовой гравитации, которая объединяет общую теорию относительности с квантовой механикой, как предполагает «гипотеза защиты хронологии» Стивена Хокинга?
• 7. Ось времени. Что могут сказать нам о природе времени явления, которые отличаются друг от друга хождением по времени вперёд и назад? Чем время отличается от пространства? Почему нарушения CP-инвариантности наблюдаются только в некоторых слабых взаимодействиях и более нигде? Являются ли нарушения CP-инвариантности следствием второго закона термодинамики или же они являются отдельной осью времени? Есть ли исключения из принципа причинности? Является ли прошлое единственно возможным? Является ли настоящий момент физически отличным от прошлого и будущего или это просто результат особенностей сознания? Как люди научились договариваться о том, что является настоящим моментом? (См. также ниже Энтропия (ось времени)).
• 8. Локальность. Существуют ли нелокальные явления в квантовой физике? Если существуют, не имеют ли они ограничения в передаче информации, или: может ли энергия и материя также двигаться по нелокальному пути? При каких условиях наблюдаются нелокальные явления? Что влечёт наличие или отсутствие нелокальных явлений для фундаментальной структуры пространства-времени? Как это связано с квантовой сцепленностью? Как это истолковать с позиций правильной интерпретации фундаментальной природы квантовой физики?
• 9. Будущее Вселенной. Движется ли Вселенная по направлению к Большому замерзанию, Большому разрыву, Большому сжатию или Большому отскоку? Является ли наша Вселенная частью бесконечно повторяющейся циклической модели?
• 10. Проблема иерархии. Почему гравитация является такой слабой силой? Она становится большой только в планковском масштабе, для частиц с энергией порядка 10 19 ГэВ, что гораздо выше электрослабого масштаба (в физике низких энергий доминирующей является энергия в 100 ГэВ). Почему эти масштабы так сильно отличаются друг от друга? Что мешает величинам электрослабого масштаба, таким как масса бозона Хиггса, получать квантовые поправки на масштабах порядка планковских? Являются ли решением этой проблемы суперсимметрия, дополнительные измерения или просто антропная тонкая настройка?
• 11. Магнитный монополь. Существовали ли частицы -- носители «магнитного заряда» в какие-либо прошлые эпохи с более высокими энергиями? Если да, то есть ли какие-либо на сегодняшний день? (Поль Дирак показал, что наличие некоторых типов магнитных монополей могло бы объяснить квантование заряда.)
• 12. Распад протона и Великое объединение. Как можно объединить три различных квантово-механических фундаментальных взаимодействия квантовой теории поля? Почему легчайший барион, являющийся протоном, абсолютно стабилен? Если же протон нестабилен, то каков его период полураспада?
• 13. Суперсимметрия. Реализована ли суперсимметрия пространства в природе? Если да, то каков механизм нарушения суперсимметрии? Стабилизирует ли суперсимметрия электрослабый масштаб, предотвращая высокие квантовые поправки? Состоит ли тёмная материя из лёгких суперсимметричных частиц?
• 14. Поколения материи. Существует ли более трёх поколений кварков и лептонов? Связано ли число поколений с размерностью пространства? Почему вообще существуют поколения? Существует ли теория, которая могла бы объяснить наличие массы у некоторых кварков и лептонов в отдельных поколениях на основании первых принципов (теория взаимодействия Юкавы)?
• 15. Фундаментальная симметрия и нейтрино. Какова природа нейтрино, какова их масса и как они формировали эволюцию Вселенной? Почему сейчас во Вселенной обнаруживается вещества больше, чем антивещества? Какие невидимые силы присутствовали на заре Вселенной, но исчезли из поля зрения в процессе развития Вселенной?
• 16. Квантовая теория поля. Совместимы ли принципы релятивистской локальной квантовой теории поля с существованием нетривиальной матрицы рассеяния?
• 17. Безмассовые частицы. Почему безмассовые частицы без спина не существуют в природе?
• 18. Квантовая хромодинамика. Каковы фазовые состояния сильно взаимодействующей материи и какую роль они играют в космосе? Каково внутреннее устройство нуклонов? Какие свойства сильно взаимодействующей материи предсказывает КХД? Что управляет переходом кварков и глюонов в пи-мезоны и нуклоны? Какова роль глюонов и глюонного взаимодействия в нуклонах и ядрах? Что определяет ключевые особенности КХД и каково их отношение к природе гравитации и пространства-времени?
• 19. Атомное ядро и ядерная астрофизика. Какова природа ядерных сил, которая связывает протоны и нейтроны в стабильные ядра и редкие изотопы? Какова причина соединения простых частиц в сложные ядра? Какова природа нейтронных звёзд и плотной ядерной материи? Каково происхождение элементов в космосе? Что такое ядерные реакции, которые движут звёзды и приводят к их взрывам?
• 20. Остров стабильности. Какое самое тяжёлое из стабильных или метастабильных ядер может существовать?
• 21. Квантовая механика и принцип соответствия (иногда называемый квантовым хаосом). Есть ли предпочтительные интерпретации квантовой механики? Как квантовое описание реальности, которое включает в себя такие элементы, как квантовая суперпозиция состояний и коллапс волновой функции или квантовая декогеренция, приводят к реальности, которую мы видим? Сформулировать то же самое можно с помощью проблемы измерения: что представляет собой «измерение», которое заставляет волновую функцию сваливаться в определённое состояние?
• 22. Физическая информация. Существуют ли физические феномены, такие как чёрные дыры или коллапс волновой функции, которые безвозвратно уничтожают информацию о своих предшествующих состояниях?
• 23. Теория всего («Теории Великого объединения»). Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант? Существует ли теория, которая объясняет, почему калибровочная инвариантность стандартной модели такая, как она есть, почему наблюдаемое пространство-время имеет 3 + 1 измерения, и поэтому законы физики таковы, как они есть? Меняются ли с течением времени «фундаментальные физические константы»? Являются ли какие-нибудь частицы в стандартной модели физики элементарных частиц на самом деле состоящими из других частиц, связанных настолько сильно, что их невозможно наблюдать при современных экспериментальных энергиях? Существуют ли фундаментальные частицы, которые ещё не наблюдались, и если да, то какие они и каковы их свойства? Существуют ли ненаблюдаемые фундаментальные силы, которые предполагает теория, объясняющие другие нерешённые проблемы физики?
• 24. Калибровочная инвариантность. Существуют ли реально неабелевы калибровочные теории со щелью в спектре масс?
• 25. CP-симметрия. Почему не сохраняется CP-симметрия? Почему она сохраняется в большинстве наблюдаемых процессов?
• 26. Физика полупроводников. Квантовая теория полупроводников не может точно вычислить ни одной постоянной полупроводника.
• 27. Квантовая физика. Неизвестно точное решение уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов.
• 28. При решении задачи о рассеянии двух пучков на одном препятствии сечение рассеяния получается бесконечно большим.
• 29. Фейнманиум: Что будет происходить с химическим элементом, атомный номер которого окажется выше 137, вследствие чего 1s 1 -электрону придётся двигаться со скоростью, превышающей скорость света (согласно модели атома Бора)? Является ли «Фейнманиум» последним химическим элементом, способным существовать физически? Проблема может проявиться приблизительно на 137 элементе, где расширение дистрибуции заряда ядра достигает финальной точки. Смотрите статью Расширенная периодическая таблица элементов и секцию Relativistic effects.
• 30. Статистическая физика. Отсутствует систематическая теория необратимых процессов, дающая возможность проводить количественные расчёты для любого заданного физического процесса.
• 31. Квантовая электродинамика. Существуют ли гравитационные эффекты, вызываемые нулевыми колебаниями электромагнитного поля? Неизвестно, как при вычислениях квантовой электродинамики в области высоких частот одновременно выполнить условия конечности результата, релятивистской инвариантности и суммы всех альтернативных вероятностей, равной единице.
• 32. Биофизика. Отсутствует количественная теория для кинетики конформационной релаксации белковых макромолекул и их комплексов. Отсутствует законченная теория электронного переноса в биологических структурах.
• 33. Сверхпроводимость. Невозможно теоретически предсказать, зная структуру и состав вещества, перейдёт ли оно в сверхпроводящее состояние с понижением температуры.