© Академик Виталий Ла́заревич Гинзбург
сайт "Знания-сила".

Вступление

Скорость развития науки в наше время поражает. Буквально в продолжении одной-двух человеческих жизней произошли гигантские изменения в физике, астрономии, биологии, да и во многих других областях. Читатели могут проследить сказанное даже на примере своей семьи. Так, мой отец, родившийся в 1863 году, был младшим современником Максвелла (1831–1879). Мне самому было уже 16 лет, когда в 1932 году открыли 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 лишь около ста лет назад, а квантовая теория зародилась только в 1900 году.

Вместе с тем сто лет — это так мало не только по сравнению с примерно тремя миллиардами лет с тех пор, как на Земле зародилась жизнь, но и с возрастом современного вида людей (Homo sapiens), составляющим порядка 50–100 тысяч лет! Полезно вспомнить и то, что первые великие физики Аристотель (384–322 гг. до н.э.) и Архимед (ок. 287–212 гг. до н.э.) отделены от нас более чем двумя тысячелетиями. Но в дальнейшем наука прогрессировала сравнительно 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. Но, кстати сказать, даже Кеплер считал, что существует сфера неподвижных звезд, которая «состоит из льда или кристалла». Общеизвестна борьба Галилея за утверждение гелиоцентрических представлений, за что он в 1633 году был осужден инквизицией. Какой путь пройден с тех пор всего за 300–400 лет! Его итог — известная нам современная наука.

Можно рассчитывать на то, что в XXI веке наука будет развиваться не менее быстро, чем в ушедшем XX столетии. Вместе с тем физика так разрослась и дифференцировалась, что за деревьями трудно разглядеть лес, трудно охватить мысленным взором картину современной физики как целого. Между тем такая картина существует и, несмотря на все ответвления, у физики имеется стержень. Таким стержнем являются фундаментальные понятия и законы, сформулированные в теоретической физике.

Я пропагандирую «проект» (как сейчас стало модно говорить) так называемого «физического минимума». Речь идет о составлении некоторого списка проблем, представляющихся в данное время наиболее важными и интересными. Это темы, о которых каждый физик должен иметь некоторое представление, знать о чем идет речь. Быть может, менее тривиально мнение, что достичь подобной цели вовсе не так уж трудно, не так уж на это нужно потратить много времени и сил. Но для этого необходимы известные усилия не только со стороны «обучающихся», но и со стороны «старших товарищей».

«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 находятся на главных направлениях. Завтра эти проблемы могут оказаться уже в тылу, на смену им придут другие. Подобные «списки», конечно, в известной мере субъективны. Я сейчас, в 2004 году, могу предложить такой.

Быть может, следовало бы сюда добавить «пункты» о квантовых компьютерах и некоторых проблемах оптики. Однако обращаю внимание читателя на субъективность и антидогматичность подобных «списков».

Список «особенно важных и интересных проблем»

Макрофизика

Проблема управляемого ядерного синтеза (номер 1 в «списке») всё ещё не решена, хотя ей уже более полувека. Я помню, как работа в этом направлении в СССР зародилась в 1950 году. Тогда А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм рассказали мне об идее магнитного термоядерного реактора. 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 в те времена интересовал «кого надо» в основном вовсе по другой причине — как источник нейтронов для производства трития. Уже в хрущевские времена И.В. Курчатов и его коллеги поняли, что проблему термояда быстро решить нельзя, и в 1956 году она была рассекречена. За границей работы над термоядом также начинались (примерно в тот же период) в основном как секретные, и их рассекречивание в СССР (совершенно нетривиальное для нашей страны по тем временам) сыграло большую положительную роль — обсуждение проблемы стало объектом международных конференций и сотрудничества. Но вот прошло почти 50 лет, а работающий (дающий энергию) термоядерный реактор еще не создан, и, вероятно, до этого момента придется ждать еще лет 15, а может быть, и больше. Особенно продвинута и является фаворитом система токамак. Несколько лет разрабатывался международный проект ITER (International Termonuclear Experimental Reactor). Этот гигантский токамак, стоимостью около 10 миллиардов долларов, предполагалось построить к 2005 году в качестве подлинного прообраза термоядерного реактора будущего. В 2004 году несколько более скромный проект (стоимость около 5 миллиардов долларов), видимо, будет наконец принят. В общем, сомнений в возможности создать реальный термоядерный реактор уже нет, и центр тяжести проблемы, насколько я понимаю, переместился в инженерную и экономическую области.

Что касается альтернативных путей синтеза легких ядер для получения энергии, то надежды на возможности «холодного термояда» оставлены, а мюонный катализ очень изящен, но представляется нереальным источником энергии, по крайней мере, без комбинации с делением урана. Существуют также проекты использования ускорителей с различными ухищрениями. Наконец, возможен инерционный ядерный синтез и, конкретно, «лазерный термояд».

Теперь о высо́ко­температурной и ко́мнатно­температурной сверх­проводимости (кратко ВТСП и КТСП, проблема 2). Долгие годы ВТСП было мечтой. Но в 1986–1987 гг. такие материалы созданы. Но механизм сверхпроводимости в различных классах веществ, например в купратах (наивысшая температура Тс=135 К достигнута для HgBa₂Ca₂Cu₃O₈+x без давления; под довольно большим давлением для этого купрата уже Тс=164 К), остается неясным. В общем, вопрос открыт, несмотря на огромные усилия, затраченные на изучение ВТСП (за 10 лет на эту тему появилось около 50000 публикаций). Но главный вопрос в этой области, конечно тесно связанный с предыдущим, это возможность создания КТСП. Ничему такая возможность не противоречит, но и быть уверенным в успехе нельзя. Положение здесь вполне аналогично имевшему место до 1986–1987 гг. в отношении ВТСП.

Металлический водород (проблема 3) еще не создан даже под давлением около 3 миллионов атмосфер (речь идёт 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, Н₂О) и ряда других веществ. Помимо металлического водорода к числу «экзотических» веществ можно отнести фуллере́ны. Совсем недавно, кроме «обычного» фуллере́на С₆₀, начал исследоваться фуллере́н С₃₆, 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 её реальности. Но эти времена давно прошли, особенно после 1938 года, когда Ф. Лондон связал БЭК со сверхтекучестью ⁴He. 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 10²⁰–10²¹ Вт/см². При такой интенсивности напряженность электрического поля порядка 10¹² В/см, т.е. оно на два порядка сильнее поля протона на основном уровне атома водорода. Магнитное поле достигает 10⁹–10¹⁰ 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 (¹¹⁴₂₈₉) действительно окажется долгоживущим. Во-вторых, упомянуты «экзотические» я́дра. Это ядра из нуклонов и антинуклонов, 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.