О ключевых проблемах физики и астрофизики

2

О ключевых проблемах физики и астрологии

Академик В. Л. ГИНЗБУРГ

Если уподобить физику заданию, то это — огромное многоэтажное здание с мощным фундаментом, подвалными помещениями и эффективными башенками. Рядом подbezдные путы, ведущие на заводы, в клиники, на полигоны. Многие тысячи людей, многочисленные laboratorии, сотни различных установок и приборов, большие библиотеки, сотни журналов… Здание все время доставвается, разратается. Тысячи проблем и задач, многое взаимосвязано, с трудом отделяется от соседнего и выделяется из общего. С другой стороны, просходит дифференциальия и развление, люди годами работают рядом, но остают незнакомыми. Здание начинает напоминать Вавилонскую базию.

В то же время для физики характерно (быть может, правильнее сказать — все еще характерно) глубокое внутреннее единство и методов. Разратание здания лишь ведет к тому, что ставится все труднее выявить это единство, проследить и использовать его. Впрочем, на уровне преподавания основ физики, включая теоретическую физку, особых проб-

lem не возникает, они появляются позже, приходят с узкой специализцией. Не раз приходилось сталкивать с такой картиной: хорошо, способный студент или уже научный работник, автор оригинальных статей, имеет весма узкий кругозор. Скажем, он знаком с глубокими и трудными проблемами квантовой теории поля, но о нейтронных звездах, черных дырах, сегнетозлектриках, сверхпроводниках, жидком гелли-тири (³He) и много других не имеет достаочного представления даже на качественном уровне. Между тем для успева в работе очень важно видеть широкий горизонт и, во всяком случае, не замыкаться в пределах «своей темы». В целом, известная формулировка «все об одном и коe-что об всем», пусты и не в буквальном смысле, но все же отражает цель, к которой нужно стремиться.

Конечно, для школьника такая цель — это еще довольно далеко будущее, но я совершенню убеждан в том, что начиная можно и нужно уже в школе: не ограничивать школьной программи и учебники, знакомиться с широким кругом является, с последними научными достижениями и открытиями. Разумеется, речь здесь идет о понимании на качественном уровне, в известном отношении — о поверхности ознакомления. Но и этосовсем не мало и во много может облегчить дальнейший путь. Да, наконец, для интересушихся научнойзнавать, чем сегодия «живет и дышит» физика, астрономия, биология, просто очень интересно, не менее увлекательно, чем для любителей соответствующей литературы — читать о путешествиях и приключениях.

Естественно, для решения поставленной задачи нужно научно-популярная литература, доступная школьникам. Вот уже более 50 лет (!) прошло, а я с благодарностью помню, какую роль сыграла для меня в школьные годы книга О. Д. Хвольсона «Физика наших дней». К сожалению, называется аналогичную по шире и глубине книгу я не могу, да и физика за это время так разрослась, что,

3

быть может, сегодня нужно уже несколькоиной подходке популяризации. Об одном из возможных путей я как раз и хочу здесь расскаать.

Среди огромного числа проблем, задач и вопросов, изучением которых заняты физики и астрофизики, некоторые выделены в силу своей большой потенциальной важности для техники, существования каких-то трудно предолимых преятствий при попытках решения, особой тинстенности, глубины и т. п. Поэтому имеет известный смысл составление списка «особенно важных и интересных» или «ключевых» проблем физики и астрофизики. Конечно, такой список не может не носить несколько условный характер, и вообще, здесь необходимы неокоторые погсенения и оговорки, о них еще поjdет речь ниже.

Так или иначе, более десяти лет назад я составил подобный список и написал для обзорного журнала «Успех физических наук» статью «Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными?» (УФН, том 103, с. 87, 1971 год).

При этом я рассматривал составление списка и комментариев к нему как неокторий педагогический прием, способ расширить кругозор молодых физиков. Но мнение молодежи я не знаю и до сих пор. Это совершенно неожиданно статья навлекла на меня град упреков со стороны коллег-физиков среднего и старшего поколения. Неокторы из них считают, что вообще неелья выдельть «особенно интересные и важные проблемы», другие обжажаются, если в списке таких проблем нет тех, которые они сами занимают, и т. д. и т. п. С такой критикой я не согласен в ответ на нее превращил упомянутую статью в небольшую книжку, переведенную уже на многое языки*). Последнее свидетельствует по крайней мере о том, что обсуждение «ключевых вопросов» вызывает интерес. Недавно я опубликовал статью того же названия, что и в 1971 году, но с подзаголовком «десятъ лет спуста» (УФН, том 134, с. 469, 1981 год).

*) Книжка называется «О физике и астрофизике». Последнее (третье) издание выпущено издательством «Наука» в 1980 году.

4

Ее цель — не попытка совершаться с Дюма, а желание проследить за развитием физики и астрономики за десятилетие (1971—1981) на примере некоторых количеств ключевых проблем *).

Но, как говорят английские, “the proof of the pudding is in the eating” — для того чтобы оценить качество pudинга, нужно его съесть,— и пора, наконец, привести список, о котором идет речь.

Макрофизика

1. Управляемый термодерный синтез.
2. Высокотемпературная сверхпроводимость.
3. Новые вещества (проблемы создания металлического водорода и неокторных других «необычных» веществ).
4. Металлическая экстонная (электронно-дырочная) жидкость в полупроводниках. Переходы металл — диэлектрик. Спиновые стекла.
5. Фазовые переходы второго рода и близкие к ним (критические явления).
6. Физика поверхности.
7. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.
8. Изучение очень больших молекул. Жидкие кристаллы.
9. Разеры, гразеры и лазеры новых типов.
10. Солитоны. Странные аттракторы. Нелинейные явления.
11. Сверхгяжелые элементы (далекие трансруаны). «Экзотические» ядра.

Микрофизика

12. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамка.
13. Единая теория слабого и электронная магнитного взаимодействия. W-, Z-бозоны. Лептоны.

В этой статье, а также в книжке, о котором я упоминал, можно найти довольно многочисленные ссылки на литературу по всем затрагиваемым вопросам.

14. Великое обедение. Распад протона. Масса нейтрино. Суперобедение.
15. Фундаментальнаялина. Взамодействие части при высоких и сверхвысоких энергиях.
16. Нарушение CP-инвариантности. Нелинейные явления в вакууме, в сверхсильных магнитных и электронических полях. Фазовые переходы в вакууме.

Астрофизика

17. Экспериментальная проверка и границы применимости общей теории относительной энергии.
18. Гравитационные волны.
19. Космологическая проблема. Связь космологии с физкой высоких энергиями.
20. Нейтронные звезды и пульсары. Физика черных дыр.
21. Квазары и ядра галактик. Образование галактик.
22. Проискождение космических лучей и космического гамма- иRENTгеновского излучения.
23. Нейтрина астрономия.
    Разделение всех этих проблем на макрофизике, микрофизике и астрономике довольно условно. Выделение 23 тем, а не, скажем, 20 или 30 — тоже условно. Почти полное отсутствие вопросов, связанных с биологическим, обучяемостям не недооценкой важности связей физики с биологическим (напротив, я отношу к биофизике с особым уважением и интересом), а стремлением все же как-то ограничить тематику и, кроме того, совсем недостаточной моей компетентностью в биологии. Наконец, главное: не может и не должно быть печи о том, чтобы занимать только «ключевыми» проблемами. Последние как-то выделены и привлекают особое внимание в силу отмеченных выше черте. Однако, каким бы разумным образом ни определять понятие «ключевая проблема», вред ли найдет даже два физика, которые составят совершенню одинаковые спискки таких проблем.

Каждай из перечисленных много 23 проблем посвящена общирная литература, часто специальные моно-

6

на проблемы термоедерного синтеза.
Я хотел лишь продемонстрировать, что понять основы вовсе не трудно. То же относится к большимству проблем, упомянутых в нашем списке. Например, легко обязывать, что такое нейтронная звезда. Такая звезда представляет собой как бы гигантское atomное ядро, состоящее в основном из нейтронов, но с примесью одинакового числа протонов и электронов. Плотность вещества в общих атомных ядрах порядка $Q_\rho = 3 \cdot 10^{14} \text{ g/cm}^3 = 3 \cdot 10^{17} \text{ kg/m}^3$.
Средняя плотность вещества в нейтронных звездах, грубо говоря, такое же порядка (сама плотность в данной точке звезды зависит от массы звезды и расстояния до ее центра).
Позному сразу же легко оценить, что звезда с массой $M_\odot = 2 \cdot 10^{30} \text{ кг}$, превращшись в нейтронную звезду, будет иметь радиус

$$r_n \sim \left( \frac{3M_\odot}{4\pi Q_\rho} \right)^{1/3} \sim 10^4 \text{ m} = 10 \text{ km}$$

(радис факторы — видимой поверхности Солнца — $r_\odot = 7 \cdot 10^8 \text{ m}$).

В 1967—68 годах были открыты так называемые пульсары — космические источники перiodических повторяющихся импульсов радионзеления. Оказалось, что пульсары представляют собой быстро врашающее и сильно намагниченные нейтронные звезды (например, пульсар PSR 0531, нахождение в знаментий Крабовидной туманности — остатке взрыва сверхновой звезды в 1054 году, делает 30 оборотов в секунду; магнитное поле на поверхности пульсара в тысячи миллиардов раз сильнее магнитного поля Земли).

Почему и как «объичные» звезды превращаются в нейтронные звезды?
Каково строение этих звезд на разных глубинах? Почему они быстро врашают? На эти и многие подобные вопросы также можно дать качественные ответы. Например, быстро врашение нейтронных звезд связывано с законом сохранения момента колчества движения — при сканирование тела оно начинает врашаться быстро (всем известно, как это обстоятельство использует в балете и при фигурном катании на льду).

Мне хотелось бы, чтобы читатель школьник (и особенно такой уже почти взрослый человек, каким является 15—17-летний ученик 9 или 10 класса) сделал также выводы. Во-первых, не нужно думать, что даже самые последние достижения физики, астрофизики и, скажем, биологически недоступны для понимания школьника. Например, в большинстве случаеев качественное представление о сутки дела, о характере открытий можно получить без большой затраты труда. Во-вторых, для человека, любящого накуку, узнать о новых явлениях и эфектах, знакомиться с научными новостями, чувствовать пульс наччной мысли — огромное удовлетворение, радость. Думаю, что эти чувства вполне сравнимы и сопоставимы с теми, которые посещают люди при «встрече» с произведениями искусства. В-третьих, нужно занимать активную позицию. К сожалению, как в школе, так и в институтах, не взведе и не всегда заботятся о приобретении учащихся к научным новостям, достижением современной науки. Не произойдет это приобретение и при игре на гитаре, и даже в процессе столбительстваной игры как шахматы. (Очень прошу читатель неоспринять это замечание как совет не играть на музыкальных инструментах или в шахматы. Я хотел лишь подчернуть, что это не должно мешать занятым наукой.) Нужно самому искать ответы, читать научно-популярные книги и журналы. Быть может, приведенный список ключевых проблем физики и астрофизики, при всей его условности и ограниченности, также помогет понять, о чем можно и интересно было узнать.