Problemi savremene fizike. Problemi iz fizike

• Prevod

Naš standardni model elementarnih čestica i interakcija nedavno je postao kompletan koliko se ikad moglo poželjeti. Svaka pojedinačna elementarna čestica - u svim svojim mogući tipovi- kreirana u laboratoriji, izmjerena i određena svojstva za svakoga. Najduže zadržani kvark, antikvark, tau neutrino i antineutrino, i konačno Higsov bozon, postali su žrtva naših mogućnosti.

I posljednji, Higsov bozon, također je riješio stari problem fizike: konačno, možemo pokazati odakle elementarnim česticama njihova masa!

Sve je to super, ali nauka ne prestaje kada završite s rješavanjem ove zagonetke. Naprotiv, ona podiže važna pitanja, a jedan od njih je "šta je sljedeće?". Što se tiče Standardnog modela, možemo reći da još ne znamo sve. A za većinu fizičara jedno od pitanja je posebno važno - da bismo ga opisali, prvo razmotrimo slijedeća nekretnina standardni model.

S jedne strane, slabe, elektromagnetne i jake interakcije mogu biti vrlo važne, ovisno o njihovoj energiji i udaljenostima na kojima se interakcija događa. Ali gravitacija nije takva.

Možemo uzeti bilo koje dvije elementarne čestice - bilo koju masu i podložna bilo kojoj interakciji - i otkriti da je gravitacija 40 redova veličine slabija od bilo koje druge sile u svemiru. To znači da je sila gravitacije 10 40 puta slabija od tri preostale sile. Na primjer, iako nisu fundamentalni, ali ako uzmete dva protona i razmaknete ih jedan metar, elektromagnetno odbijanje između njih će biti 10 40 puta jače od gravitacionog privlačenja. Ili, drugim riječima, moramo povećati silu gravitacije za 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 puta da bismo je izjednačili sa bilo kojom drugom silom.

U ovom slučaju, ne možete jednostavno povećati masu protona za 1020 puta, tako da ih gravitacija povuče zajedno, savladavajući elektromagnetnu silu.

Umjesto toga, da bi se reakcije poput one gore ilustrovane dogodile spontano kada protoni savladaju svoju elektromagnetnu repulziju, morate spojiti 1056 protona. Samo tako što se udruže i podlegnu sili gravitacije mogu savladati elektromagnetizam. Ispostavilo se da će 10 56 protona činiti minimalnu moguću masu zvijezde.

Ovo je opis kako univerzum funkcioniše - ali zašto je to tako, ne znamo. Zašto je gravitacija toliko slabija od ostalih sila? Zašto je "gravitacijski naboj" (tj. masa) toliko slabiji od električnog ili kolornog, ili čak slabiji?

Ovo je problem hijerarhije, i to je, iz mnogo razloga, najveći neriješeni problem u fizici. Ne znamo odgovor, ali ne možemo reći da smo potpuno neznalice. Teoretski, imamo nekoliko dobrih ideja o pronalaženju rješenja i alata za pronalaženje dokaza za njihovu ispravnost.

Do sada je Veliki hadronski sudarač – sudarač najveće energije ikada – dostizao neviđene nivoe energije u laboratoriji, prikupljajući tone podataka i rekreirajući ono što se dešava na tačkama udara. Ovo uključuje stvaranje novih, do sada nevidljivih čestica (kao što je Higsov bozon), i pojavu starih, dobro poznatih čestica Standardnog modela (kvarkovi, leptoni, gauge bozoni). Također je u stanju, ako postoje, proizvesti bilo koje druge čestice koje nisu uključene u Standardni model.

Postoje četiri moguća načina koja su mi poznata – odnosno četiri dobre ideje– rješenje problema hijerarhije. Dobra vijest je da ako priroda izabere jednog od njih, LHC će ga pronaći! (A ako ne, potraga će se nastaviti).

Osim Higsovog bozona, pronađenog prije nekoliko godina, na LHC-u nisu pronađene nove fundamentalne čestice. (Štaviše, uopće se ne primjećuju intrigantni novi kandidati za čestice.) Pa ipak, pronađena čestica je u potpunosti odgovarala opisu Standardnog modela; nisu uočeni statistički značajni nagoveštaji nove fizike. Ni za kompozitne Higsove bozone, ni za višestruke Higsove čestice, ni za nestandardne raspade, ništa slično.

Ali sada smo počeli da dobijamo podatke iz još viših energija, duplo od prethodnih, do 13-14 TeV, da bismo pronašli nešto drugo. A šta su data vena Postoje li moguća i razumna rješenja za problem hijerarhije?

1) Supersimetrija, ili SUSY. Supersimetrija je posebna simetrija koja može uzrokovati da se normalne mase bilo koje čestice dovoljno velike da gravitacija bude uporediva s drugim silama poništavaju jedna drugu s velikim stepenom preciznosti. Ova simetrija također pretpostavlja da svaka čestica u Standardnom modelu ima partnera superčestice, te da postoji pet Higgsovih čestica i pet njihovih superpartnera. Ako takva simetrija postoji, mora se prekinuti, inače bi superpartneri imali iste mase kao obične čestice i davno bi bile pronađene.

Ako SUSY postoji na skali pogodnoj za rješavanje problema hijerarhije, tada bi LHC, koji je dostigao energije od 14 TeV, trebao pronaći barem jednog superpartnera, kao i drugu Higgsovu česticu. U suprotnom, postojanje vrlo teških superpartnera bi samo po sebi dovelo do još jednog problema hijerarhije koji ne bi imao dobro rješenje. (Zanimljivo je da će odsustvo SUSY čestica pri svim energijama opovrgnuti teoriju struna, budući da je supersimetrija neophodan uslov za teorije struna koje sadrže standardni model elementarnih čestica.)

Evo prvog mogućeg rješenja hijerarhijskog problema, za koji trenutno nema dokaza.

Moguće je stvoriti sićušne super-hlađene nosače ispunjene piezoelektričnim kristalima (koji generiraju električnu energiju kada se deformiraju), s razmacima između njih. Ova tehnologija nam omogućava da nametnemo granice od 5-10 mikrona na "velika" mjerenja. Drugim riječima, gravitacija djeluje prema predviđanjima opće relativnosti na skali mnogo manjim od milimetra. Dakle, ako postoje velike dodatne dimenzije, oni su na energetskim nivoima nedostupnim LHC-u, i što je još važnije, ne rješavaju problem hijerarhije.

Naravno, za problem hijerarhije se može naći potpuno drugačije rješenje, koje se ne može naći na modernim sudaračima, ili ga uopće nema; to bi jednostavno moglo biti svojstvo prirode bez ikakvog objašnjenja za to. Ali nauka neće napredovati bez pokušaja, a to je ono što ove ideje i potrage pokušavaju da urade: da unaprede naše znanje o univerzumu. I, kao i uvijek, s početkom drugog pokretanja LHC-a, radujem se onome što se tamo može pojaviti, pored već otkrivenog Higsovog bozona!

Tagovi:

• gravitacija
• fundamentalne interakcije
• tank

apstraktno

u fizici

na temu:

"Problemi moderne fizike"

Počnimo s problemom koji trenutno privlači najveću pažnju fizičara, na kojem, možda, rade najveći broj istraživači i istraživačke laboratorije u cijelom svijetu je problem atomskog jezgra i, posebno, kao njegov najrelevantniji i najvažniji dio, takozvani problem uranijuma.

Bilo je moguće utvrditi da se atomi tola sastoje od relativno teškog pozitivno nabijenog jezgra okruženog određenim brojem elektrona. Pozitivni naboj jezgra i negativni naboji okolnih elektrona međusobno se poništavaju. U cjelini, čini se da je atom neutralan.

Od 1913. do skoro 1930. fizičari su proučavali svojstva i spoljašnje manifestacije atmosfera elektrona koja okružuje atomsko jezgro. Ove studije su dovele do jedinstvene integralne teorije, koja je otkrila nove zakone kretanja elektrona u atomu, nama ranije nepoznate. Ova teorija se naziva kvantna ili talasna teorija materije. Vratićemo se njoj.

Otprilike od 1930. godine fokus je bio na atomskom jezgru. Jezgro nas posebno zanima, jer je u njemu koncentrisana gotovo cijela masa atoma. A masa je mjera količine energije koju određeni sistem posjeduje.

Svaki gram bilo koje supstance sadrži tačno poznatu energiju i, štaviše, veoma značajnu. Tako, na primjer, u čaši čaja, koja je teška oko 200 g, nalazi se količina energije koja bi zahtijevala sagorijevanje oko milion tona uglja da bi se dobila.

Ova energija se nalazi upravo u atomskom jezgru, jer 0,999 ukupne energije, ukupne mase tijela, sadrži jezgra, a samo manje od 0,001 ukupne mase može se pripisati energiji elektrona. Ogromne rezerve energije koje se nalaze u jezgrima neuporedive su sa bilo kojim oblikom energije koji smo do sada poznavali.

Naravno, nada u posjedovanje ove energije je primamljiva. Ali da biste to učinili, prvo ga morate proučiti, a zatim pronaći načine da ga koristite.

Ali, osim toga, srž nas zanima iz drugih razloga. Jezgro atoma u potpunosti određuje njegovu cijelu prirodu, određuje njegovu Hemijska svojstva i njegovu ličnost.

Ako se željezo razlikuje od bakra, od ugljika, od olova, onda ta razlika leži upravo u atomskim jezgrama, a ne u elektronima. Elektroni svih tijela su isti, i svaki atom može izgubiti dio svojih elektrona do te mjere da se svi elektroni mogu odvojiti od atoma. Sve dok je atomsko jezgro sa svojim pozitivnim nabojem netaknuto i nepromijenjeno, ono će uvijek privući onoliko elektrona koliko je potrebno da kompenzira svoj naboj. Ako u jezgru srebra ima 47 naboja, ono će uvijek za sebe vezati 47 elektrona. Stoga, dok ja ciljam na jezgro, mi imamo posla sa istim elementom, sa istom supstancom. Vrijedi promijeniti kernel, kao iz jednog hemijski element ispostavilo se da je drugačije. Tek tada bi se ostvario dugogodišnji san o alhemiji napuštenoj iza beznađa - transformaciji jednih elemenata u druge. Na sadašnjoj fazi historiji, ovaj san se ostvario, ne baš u oblicima i ne s rezultatima koje su alhemičari očekivali.

Šta znamo o atomskom jezgru? Jezgro se, pak, sastoji od još manjih komponenti. Ovi sastojci su najjednostavnija jezgra koja su nam poznata u prirodi.

Najlakše i stoga najjednostavnije jezgro je jezgro atoma vodika. Vodonik je prvi element periodnog sistema sa atomskom težinom od oko 1. Jezgro vodonika je dio svih ostalih jezgara. Ali, s druge strane, lako je uočiti da se sva jezgra ne mogu sastojati samo od jezgara vodika, kao što je Praut sugerirao davno, prije više od 100 godina.

Jezgra atoma imaju određenu masu, koja je data atomskom težinom, i određeni naboj. Nuklearni naboj određuje broj koji dati element zauzima u Mendeljejevljevom periodičnom sistemu.

Vodonik je prvi element u ovom sistemu: ima jedan pozitivan naboj i jedan elektron. Drugi element po redu ima jezgro s dvostrukim nabojem, treći - s trostrukim nabojem, i tako dalje. sve do poslednjeg i najtežeg od svih elemenata, uranijuma, čije jezgro ima 92 pozitivna naboja.

Mendeljejev je, sistematizujući ogroman eksperimentalni materijal u oblasti hemije, stvorio periodični sistem. Naravno, tada nije sumnjao u postojanje jezgara, ali nije mislio da je poredak elemenata u sistemu koji je stvorio određen jednostavno nabojem jezgra i ništa više. Ispostavilo se da ove dvije karakteristike atomskih jezgri - atomska težina i naboj - ne odgovaraju onome što bismo mogli očekivati ​​od Proutove hipoteze.

Dakle, drugi element - helijum ima atomsku težinu 4. Ako se sastoji od 4 jezgra vodonika, onda je njegov naboj trebao biti 4, ali u međuvremenu njegov naboj je 2, jer je ovo drugi element. Dakle, mora se misliti da u helijumu postoje samo 2 jezgra vodonika. Jezgra vodonika nazivamo protonima. Ali pored toga, u jezgri helijuma postoje još 2 jedinice mase koje nemaju naboj. Druga komponenta jezgra mora se smatrati nenabijenim jezgrom vodika. Moramo razlikovati jezgre vodika koje imaju naboj, ili protone, i jezgre koje nemaju potpuno električni naboj, neutralne, nazivamo ih neutronima.

Sva jezgra se sastoje od protona i neutrona. Helijum ima 2 protona i 2 neutrona. Azot ima 7 protona i 7 neutrona. Kiseonik ima 8 protona i 8 neutrona, ugljenik C ima protone i 6 neutrona.

Ali dalje je ta jednostavnost donekle narušena, broj neutrona postaje sve veći u poređenju sa brojem protona, a u samom poslednjem elementu - uranijumu ima 92 naboja, 92 protona, a njegova atomska težina je 238. Posledično, još 146 neutroni se dodaju na 92 ​​protona.

Naravno, ne može se misliti da je ono što znamo 1940. već iscrpna reprezentacija stvarnog svijeta i da se raznolikost završava sa ovim česticama koje su elementarne u bukvalno riječi. Pojam elementarnog označava samo određeni stupanj u našem prodiranju u dubine prirode. U ovoj fazi, međutim, znamo sastav atoma samo do ovih elemenata.

Ova jednostavna slika, zapravo, nije bila tako lako razjašnjena. Morali smo da prebrodimo čitav niz poteškoća, čitav niz kontradikcija, koje su se i u trenutku otkrića činile beznadežnim, ali koje su se, kao i uvek u istoriji nauke, pokazale samo kao različite strane jedne općenitije slike. , što je bila sinteza onoga što je izgledalo kao kontradikcija, i prešli smo na sledeće, dublje razumevanje problema.

Najvažnija od ovih poteškoća pokazala se sljedeće: na samom početku našeg stoljeća već se znalo da b-čestice (ispostavilo se da su jezgre helija) i e-čestice (elektroni) lete iz dubina. radioaktivnih atoma (tada nije bilo pojma o jezgru). Činilo se da ono od čega izleti iz atoma je ono od čega se on sastoji. Stoga se činilo da se jezgra atoma sastoje od jezgara helijuma i elektrona.

Zabluda prvog dijela ove tvrdnje je jasna: očito je da je jezgro vodonika nemoguće sastaviti od četiri puta težih jezgara helijuma: dio ne može biti veći od cjeline.

Ispostavilo se da je drugi dio ove izjave lažan. Elektroni se zaista emituju tokom nuklearnih procesa, a ipak nema elektrona u jezgrama. Čini se da ovdje postoji logična kontradikcija. je li tako?

Znamo da atomi emituju svjetlost, svjetlosne kvante (fotone).

Zašto su ovi fotoni pohranjeni u atomu u obliku svjetlosti i čekaju trenutak da polete? Očigledno ne. Emisija svjetlosti razumijevamo na način da električni naboji u atomu, prelazeći iz jednog stanja u drugo, oslobađaju određenu količinu energije, koja prelazi u oblik energije zračenja koja se širi u prostoru.

Slična razmatranja se mogu izraziti u odnosu na elektron. Elektron, iz više razloga, ne može biti u atomskom jezgru. Ali ne može se stvoriti u jezgri, poput fotona, jer ima negativan električni naboj. Čvrsto je utvrđeno da električni naboj, kao i energija i materija općenito, ostaju nepromijenjeni; ukupno struja se nigdje ne stvara i nigdje ne nestaje. Stoga, ako se negativni naboj odnese, tada jezgro dobiva jednak pozitivan naboj. Proces emisije elektrona je praćen promjenom naboja jezgra. Ali jezgro se sastoji od protopopa i neutrona, što znači da se jedan od nenabijenih neutrona pretvorio u pozitivno nabijeni proton.

Jedan negativni elektron ne može se pojaviti niti nestati. Ali dva suprotna naboja mogu, kada se dovoljno približe, međusobno kompenzirati jedno drugo ili čak potpuno nestati, oslobađajući svoju energetsku rezervu u obliku energije zračenja (fotona).

Šta su to pozitivni naboji? Bilo je moguće ustanoviti da se, osim negativnih elektrona, u prirodi uočavaju i pozitivni naboji koji se laboratorijski i tehnologijom mogu stvoriti, koji po svim svojim svojstvima: po masi, po naboju, u potpunosti odgovaraju elektronima, ali samo imaju pozitivan naboj. Takav naboj nazivamo pozitron.

Dakle, razlikujemo elektrone (negativne) i pozitrone (pozitivne), samo se razlikuju suprotan znak naplatiti. U blizini jezgara mogu se dogoditi i procesi spajanja pozitrona sa elektronima i razdvajanja na elektron i pozitron, a elektron napušta atom, a pozitron ulazi u jezgro, pretvarajući neutron u proton. Istovremeno sa elektronom odlazi i nenabijena čestica, neutrino.

Postoje i takvi procesi u jezgru, u kojima elektron prenosi svoj naboj na jezgro, pretvarajući proton u neutron, a pozitron izleti iz atoma. Kada elektron napusti atom, naboj jezgra se povećava za jedan; kada pozitron ili proton izlete, naboj i broj u periodičnom sistemu se smanjuju za jednu jedinicu.

Sva jezgra se sastoje od nabijenih protona i nenabijenih neutrona. Postavlja se pitanje koje ih sile zadržavaju u atomskom jezgru, šta ih povezuje, šta određuje konstrukciju raznih atomskih jezgara od ovih elemenata?

Akademik V. L. GINZBURG.

Prije skoro 30 godina akademik VL Ginzburg objavio je članak "Koji problemi fizike i astrofizike sada izgledaju posebno važni i zanimljivi?" ("Nauka i život" br. 2, 1971) sa listom najhitnijih pitanja moderne fizike. Prošlo je deset godina, a njegova "Priča o nekim problemima moderne fizike..." ("Nauka i život" br. 4, 1982) pojavila se na stranicama časopisa. Nakon pregleda starih časopisnih publikacija, lako je vidjeti da su svi problemi u koje su se polagale velike nade još uvijek relevantni (osim možda misterije "anomalne vode", koja je uzbuđivala umove 70-ih godina, ali se ispostavila kao eksperimentalna greška). Ovo sugerira da je "opći pravac" razvoja fizike ispravno identificiran. Posljednjih godina u fizici se pojavilo mnogo novih stvari. Otkrivene su divovske molekule ugljika - fulereni, registrovani najmoćniji gama-zraci koji dolaze iz svemira, sintetizirani su superprovodnici visoke temperature. U Dubni je dobijen element sa 114 protona i 184 neutrona u jezgru, o čemu se govorilo u članku iz 1971. godine. Sve ove i mnoge druge izuzetno zanimljive i perspektivne oblasti moderne fizike zauzele su svoje zasluženo mjesto na novoj "listi". Danas, na pragu 3. milenijuma, akademik V. L. Ginzburg se ponovo vraća temi koja ga uzbuđuje. Veliki pregledni članak posvećen problemima moderne fizike na prijelazu milenijuma, sa detaljnim komentarima na sve stavke "liste" objavljen je u časopisu "Uspekhi fizicheskikh nauk" br. 4, 1999. godine. Objavljujemo njegovu verziju, pripremljenu za čitaoce "Nauke i života". Članak je znatno skraćen gdje su dati argumenti i proračuni namijenjeni profesionalnim fizičarima, ali, možda, nerazumljivi većini naših čitatelja. Istovremeno se objašnjavaju i proširuju one odredbe koje su očigledne čitaocima časopisa UFN, ali nisu dobro poznate široj publici. Mnogi od problema navedenih u "listi" odrazili su se u publikacijama časopisa "Nauka i život". Urednici daju veze do njih u tekstu članka.

Aktivni član Ruske akademije nauka, član uređivačkog odbora časopisa „Nauka i život“ od 1961. Vitalij Lazarevič Ginzburg.

Shema međunarodnog eksperimentalnog termonuklearnog reaktora-tokamaka ITER.

Šema stelaratora dizajniranog da sadrži plazmu u sistemu toroidnih namotaja složene konfiguracije.

Elektroni okružuju atomsko jezgro od protona i neutrona.

Uvod

Tempo i brzina razvoja nauke u naše vreme su neverovatni. Bukvalno u toku jednog ili dva ljudska života dogodile su se gigantske promjene u fizici, astronomiji, biologiji i mnogim drugim područjima. Na primjer, imao sam 16 godina kada su neutron i pozitron otkriveni 1932. godine. Ali prije toga su bili poznati samo elektron, proton i foton. Nekako nije lako shvatiti da su elektron, rendgensko zračenje i radioaktivnost otkriveni tek prije stotinjak godina, a kvantna teorija je nastala tek 1900. godine. Također je korisno podsjetiti da su prvi veliki fizičari: Aristotel (384- 322 pne.) i Arhimeda (oko 287-212 pne) od nas dijeli više od dva milenijuma. Ali u budućnosti je nauka napredovala relativno sporo, a religijski dogmatizam je tu igrao važnu ulogu. Tek od vremena Galilea (1564-1642) i Keplera (1571-1630) fizika je počela da se razvija ubrzanim tempom. Kakav je put od tada pređen za samo 300-400 godina! Njegov rezultat je nama poznata moderna nauka. Ona se već oslobodila vjerskih okova, a crkva danas barem ne poriče ulogu nauke. Istina, antinaučna osjećanja i širenje pseudonauke (posebno astrologije) i danas se dešavaju, posebno u Rusiji.

Na ovaj ili onaj način, može se nadati da će se nauka u 21. veku razvijati ništa manje brzo nego u odlazećem 20. veku. Teškoća na ovom putu, možda čak i glavna poteškoća, čini mi se, povezana je sa gigantskim povećanjem akumuliranog materijala, količine informacija. Fizika je toliko porasla i diferencirala se da je teško vidjeti šumu iza drveća, teško je imati pred umom sliku moderne fizike u cjelini. Stoga je postojala hitna potreba da se njegova glavna pitanja spoje.

Govorimo o sastavljanju određene liste problema koji se čine najvažnijim i najzanimljivijim u ovom trenutku. O ovim problemima prije svega treba raspravljati ili komentarisati u posebnim predavanjima ili člancima. Formula „sve o jednoj stvari i ponešto o svemu“ je vrlo atraktivna, ali nerealna – ne možete pratiti sve. Pritom se neke teme, pitanja, problemi nekako izdvajaju iz raznih razloga. Ovdje je možda njihov značaj za sudbinu čovječanstva (da se pompezno izrazim) poput problema kontrolirane nuklearne fuzije kako bi se dobila energija. Naravno, izdvajaju se i pitanja vezana za samu osnovu fizike, njenu prednju ivicu (ovo područje se često naziva fizikom elementarnih čestica). Nesumnjivo, posebnu pažnju privlače i neka pitanja astronomije, koju je sada, kao u doba Galilea, Keplera i Newtona, teško (i nije potrebno) odvojiti od fizike. Evo liste (naravno, koja se vremenom mijenja) i predstavlja svojevrsni "fizički minimum". To su teme o kojima svaki pismen čovjek treba da ima neku ideju, da zna, doduše vrlo površno, o čemu se radi.

Da li je potrebno naglasiti da isticanje "posebno važnih i zanimljivih" pitanja ni na koji način nije ekvivalentno proglašavanju drugih fizičkih pitanja nevažnim ili nezanimljivim? „Posebno važne“ probleme izdvaja ne činjenica da drugi nisu bitni, već činjenica da su za razmatrani period u fokusu pažnje, donekle na glavnim pravcima. Sutra će ovi problemi već biti u pozadini, zamijenit će ih drugi. Izbor problema je, naravno, subjektivan, a različiti pogledi na to su mogući i neophodni.

Lista "posebno važnih i zanimljivih problema" 1999

Kako poznata engleska poslovica kaže: "Da biste znali šta je puding, morate ga pojesti." Stoga ću se baciti na posao i iznijeti pomenutu "listu".

1. Upravljano nuklearna fuzija. *

2. Visokotemperaturna i supravodljivost sobne temperature. *

3. metalni vodonik. Druge egzotične supstance.

4. Dvodimenzionalni elektronski fluid (anomalni Hallov efekat i neki drugi efekti). *

5 . Neka pitanja fizike čvrstog stanja (heterostruktura u poluprovodnicima, metal-dielektrični prelazi, talasi gustine naelektrisanja i spina, mezoskopija).

6. Fazni prijelazi druge vrste i povezani s njima. Neki primjeri takvih prijelaza. Hlađenje (posebno lasersko) do ultraniskih temperatura. Bose-Einstein kondenzacija u plinovima. *

7. Površinska fizika.

8. tečni kristali. Feroelektrika.

9. Fullereni. *

10 . Ponašanje materije u superjakim magnetnim poljima. *

11. Nelinearna fizika. Turbulencija. Solitoni. Haos. čudni atraktori.

12 . Laseri za teške uslove rada, brijači, grazeri.

13. superteški elementi. egzotična jezgra. *

14 . maseni spektar. Kvarkovi i gluoni. Kvantna hromodinamika. *

15. Jedinstvena teorija slabe i elektromagnetne interakcije. W + i Z o bozonima. Leptoni. *

16. Odličan sindikat. Superunion. Raspad protona. Neutrina masa. Magnetski monopoli. *

17. osnovna dužina. Interakcija čestica pri visokim i ultravisokim energijama. Colliders. *

18. Neočuvanje CP invarijantnosti. *

19. Nelinearne pojave u vakuumu i superjaku elektromagnetna polja. Fazni prijelazi u vakuumu.

20 . Strings. M-teoriju. *

21. Eksperimentalna verifikacija opšte teorije relativnosti. *

22. Gravitacioni talasi, njihovo otkrivanje. *

23. kosmološki problem. Inflacija. L termin. Odnos kosmologije i fizike visokih energija. *

24. Neutronske zvijezde i pulsari. supernove. *

25. Crne rupe. Space strings. *

26. Kvazari i galaktička jezgra. Formiranje galaksija. *

27. Problem tamne materije (skrivene mase) i njena detekcija. *

28. Poreklo kosmičkih zraka ultravisoke energije. *

29 . Gama puca. Hipernove. *

30. Neutrina fizika i astronomija. Neutrinske oscilacije. *

Bilješka. Zvjezdica * označava probleme koji se u ovoj ili drugoj mjeri odražavaju na stranicama časopisa.

Bez sumnje, bilo koji "popis" nije dogma, nešto se može izbaciti, nešto dopuniti u zavisnosti od interesovanja istraživača i situacije u nauci. Najteži t kvark otkriven je tek 1994. godine (njegova masa je, prema podacima iz 1999. godine, 176 + 6 GeV). U člancima iz 1971-1982. naravno, nema fulerena otkrivenih 1985. godine, nema gama-zraka (prvi spomen njihovog otkrića objavljen je 1973. godine). Visokotemperaturni supravodnici su sintetizovani 1986-1987, ali je ipak 1971. ovaj problem razmatran do detalja, jer se o njemu raspravljalo 1964. Generalno, u fizici je mnogo urađeno za 30 godina, ali, po mom mišljenju, nije se pojavilo toliko nešto suštinski novo. U svakom slučaju, sve tri "liste" u određenoj mjeri karakteriziraju razvoj i stanje fizičkih i astrofizičkih problema od 1970. godine do danas.

Makrofizika

Problem kontrolisane nuklearne fuzije (broj 1 u "listi") još uvijek nije riješen, iako je star već 50 godina. Rad u ovom pravcu započeo je u SSSR-u 1950. A. D. Saharov i I. E. Tamm su mi govorili o ideji magnetnog termonuklearnog reaktora i bilo mi je drago što sam se pozabavio ovim problemom, jer tada nisam imao praktički ništa da radim u razvoju hidrogensku bombu. Ovaj rad se smatrao strogom tajnom (sa oznakom "Strogo poverljivo, posebna fascikla"). Uzgred, ja onda dugo vremena kasnije sam pomislio da je interesovanje za termonuklearnu fuziju u SSSR-u bilo zbog želje da se stvori neiscrpni izvor energije. Međutim, kako mi je nedavno rekao I. N. Golovin, fuzijski reaktor Zanimalo me "kome treba" uglavnom iz sasvim drugog razloga: kao izvor neutrona za proizvodnju tricijuma. Na ovaj ili onaj način, projekat se smatrao toliko tajnim i važnim da sam ja (bilo krajem 1951. ili početkom 1952.) bio uklonjen iz njega: jednostavno su prestali da izdaju radne knjižice i moje izveštaje o ovom radu u prvom odjelu. To je bio vrhunac moje "specijalne aktivnosti". Srećom, nekoliko godina kasnije, I. V. Kurchatov i njegove kolege shvatili su da se termonuklearni problem ne može brzo riješiti, pa je 1956. skinut tajnost.

U inostranstvu su radovi na fuziji započeli otprilike u istom periodu, takođe uglavnom kao zatvoreni, a njihova deklasifikacija u SSSR-u (to je bila potpuno netrivijalna odluka za našu zemlju u to vreme) odigrala je veliku pozitivnu ulogu: rešenje problema je postalo predmet međunarodnih konferencija i saradnje. Ali sada je prošlo 45 godina, a radni (energetski) termonuklearni reaktor nije stvoren i, vjerovatno, do ovog trenutka ćemo morati čekati još deset godina, a možda i više. Rad na termonuklearnoj fuziji odvija se širom svijeta i to na prilično širokom frontu. Sistem tokamaka je posebno dobro razvijen (vidi Nauka i Zhizn, br. 3, 1973). Tako je već nekoliko godina međunarodni projekat ITER (Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor). Riječ je o gigantskom tokamaku vrijednom oko 10 milijardi dolara, koji je trebao biti izgrađen do 2005. godine kao prototip fuzijskog reaktora budućnosti. Međutim, sada kada je dizajn u osnovi završen, pojavile su se finansijske poteškoće. Osim toga, neki fizičari smatraju korisnim razmotriti alternativne dizajne i projekte manjeg obima, kao što su takozvani stelaratori. Općenito, nema sumnje u mogućnost stvaranja pravog termonuklearnog reaktora, a težište problema, koliko sam shvatio, pomjerilo se na inženjersko i ekonomsko područje. Međutim, tako gigantski i jedinstveni objekat kao što je ITER ili neki drugi koji mu se takmiči, naravno, zadržava interes i za fiziku.

U vezi alternativnim načinima sinteza lakih jezgri za proizvodnju energije, onda se nade u mogućnost "hladne fuzije" (na primjer, u elektrolitičkim ćelijama) napuštaju. Postoje i projekti korištenja akceleratora s raznim trikovima, a na kraju je moguća inercijska nuklearna fuzija, na primjer, "laserska fuzija". Njegova suština je sljedeća. Staklena ampula s vrlo malom količinom mješavine deuterijuma i tricijuma ozračena je sa svih strana snažnim laserskim impulsima. Ampula isparava, a lagani pritisak sabija njen sadržaj toliko da se termonuklearna reakcija "zapali" u smjesi. Obično se dešava sa eksplozijom koja je ekvivalentna oko 100 kg TNT-a. Grade se divovske instalacije, ali se o njima malo zna zbog tajnosti: očito se nadaju da će na njima imitirati termonuklearne eksplozije. Na ovaj ili onaj način, problem inercijalne sinteze je očigledno važan i zanimljiv.

Problem 2 - visokotemperaturna i supravodljivost sobne temperature (ukratko HTSC i RTSC).

Za osobu daleko od fizike čvrsto telo, može se činiti da je vrijeme da se problem HTSC izbaci sa "liste", jer je 1986-1987. takvi materijali su stvoreni. Nije li vrijeme da ih prebacimo u kategoriju ogromnog broja drugih supstanci koje proučavaju fizičari i hemičari? U stvari, to apsolutno nije slučaj. Dovoljno je reći da mehanizam supravodljivosti u kupratima (jedinjenjima bakra) ostaje nejasan (najviša temperatura T c = 135 K postignuto za HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x bez pritiska; već pod velikim pritiskom za njega T c = 164 K). Nema sumnje, u svakom slučaju, da elektron-fonon interakcija sa jakom spregom igra veoma značajnu ulogu, ali to nije dovoljno, potrebno je "nešto". Općenito, pitanje je otvoreno, uprkos ogromnim naporima uloženim u proučavanje HTSC-a (za 10 godina pojavilo se oko 50 hiljada publikacija na ovu temu). Ali glavna stvar ovdje je, naravno, mogućnost stvaranja RTSC-a. To ne protivreči ničemu, ali ne možete biti sigurni ni u uspjeh.

Metalni vodonik (problem 3 ) još nije stvoren čak ni pod pritiskom od oko tri miliona atmosfera (govorimo o niskoj temperaturi). Međutim, proučavanje molekularnog vodonika pod visokim pritiskom otkrilo je niz neočekivanih i zanimljivih karakteristika u njemu. Kada je komprimiran udarni talasi i temperature od oko 3000 K, vodonik očigledno prelazi u dobro provodnu tečnu fazu.

At visokog pritiska osobene karakteristike su također pronađene u vodi i nizu drugih tvari. Fulereni se mogu pripisati broju "egzotičnih" supstanci. Sasvim nedavno, pored "običnog" C 60 fulerena, počeli su proučavati C 36 , koji može imati vrlo visoke temperature supravodljivi prelaz tokom dopinga - "ugradnja" atoma drugog elementa u kristalnu rešetku ili molekul.

Nobelova nagrada za fiziku 1998. godine dodijeljena je za otkriće i objašnjenje razlomka kvantni efekat Holla je problem 4 (Vidi "Nauka i život" br.). Inače, Nobelova nagrada je dodijeljena i za otkriće cjelobrojnog kvantnog Holovog efekta (1985. godine). Frakcijski kvantni Halov efekat je otkriven 1982. (cijeli broj je otkriven 1980.); primećuje se kada struja teče u dvodimenzionalnom elektronskom "gasu" (tačnije, u tečnosti, jer je interakcija između elektrona tamo bitna, posebno za frakcioni efekat). neočekivano i veoma zanimljiva karakteristika frakcioni kvantni Halov efekat - postojanje kvazičestica sa naelektrisanjem e* = (1/3)e, gdje e- naelektrisanje elektrona i druge veličine. Treba napomenuti da je dvodimenzionalni elektronski gas (ili, uopšteno govoreći, tečnost) zanimljiv i u drugim slučajevima.

Problem 5 (neka pitanja fizike čvrstog stanja) sada je doslovno bezgranična. Naveo sam samo moguće teme i, da sam držao predavanje, zadržao bih se na heterostrukturama (uključujući " kvantne tačke") i o mezoskopiji. Čvrsta tijela su se dugo smatrala nečim jedinstvenim i cjelovitim. Međutim, relativno nedavno je postalo jasno da u čvrstom tijelu postoje područja različitog hemijskog sastava i fizička svojstva odvojene oštro definisanim granicama. Takvi sistemi se nazivaju heterogeni. To dovodi do činjenice da se, recimo, tvrdoća ili električni otpor jednog određenog uzorka oštro razlikuje od prosječnih vrijednosti izmjerenih iz njihovog skupa; površina kristala ima različita svojstva od njegovog unutrašnjeg dijela, itd. Sveukupnost takvih pojava naziva se mezoskopska. Proučavanje mezoskopskih fenomena izuzetno je važno za stvaranje tankoslojnih poluprovodničkih materijala, visokotemperaturnih supraprovodnika itd.

Što se tiče problema 6 (fazni prijelazi itd.) možemo reći sljedeće. Zabilježeno je otkriće niskotemperaturnih superfluidnih faza He-3 nobelova nagrada u fizici za 1996. (vidi "Nauka i život" br. 1, 1997.). Posebna pažnja u posljednje tri godine privukao Bose-Einstein kondenzaciju (BEC) u plinovima. Ovo su nesumnjivo veoma interesantni radovi, ali je "bum" koji su izazvali, po mom mišljenju, najvećim delom posledica nepoznavanja istorije. Davne 1925. Ajnštajn je skrenuo pažnju na BEC, ali dugo vrijeme bio je zanemaren, a ponekad čak i sumnjao u njegovu realnost. Ali ta vremena su davno prošla, posebno nakon 1938. godine, kada je F. London povezao BEC sa superfluidnošću He-4. Naravno, helijum II je tečnost i BEC se u njemu ne pojavljuje, da tako kažem, u svom čistom obliku. Želja da se to posmatra u razređenom gasu sasvim je razumljiva i opravdana, ali je neozbiljno u tome videti otkriće nečeg neočekivanog i suštinski novog. Druga stvar je da je realizacija BEC-a u gasovima Rb, Na, Li i konačno H 1995. godine i kasnije veoma veliko dostignuće u eksperimentalnoj fizici. To je postalo moguće tek kao rezultat razvoja metoda za hlađenje plinova na ultraniske temperature i njihovo držanje u zamkama (za to je, inače, 1997. godine dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku, vidi "Nauka i život" br. 1 , 1998). Implementacija BEC u gasovima dovela je do niza teorijskih radova i članaka. U Bose-Einstein kondenzatu, atomi su u koherentnom stanju i mogu se uočiti fenomeni interferencije, što je dovelo do pojave koncepta "atomskog lasera" (vidi "Nauka i život" br. 10, 1997).

Teme 7 i 8 su veoma široke, pa je teško izdvojiti nešto novo i važno. Osim ako želim da napomenem povećan i sasvim opravdan interes za klastere različitih atoma i molekula (govorimo o formacijama koje sadrže mali broj čestica). Veoma su radoznale studije tečnih kristala i feroelektrika (ili, u engleskoj terminologiji, feroelektrika). Proučavanje tankih feroelektričnih filmova također privlači pažnju.

O fulerenima (problem 9 ) je već usputno spomenuto, a zajedno sa ugljičnim nanocijevima ovo područje je u cvatu (vidi "Nauka i život" br. 11, 1993).

O materiji u superjakim magnetnim poljima (konkretno, u kori neutronske zvijezde), kao i o modeliranju odgovarajućih efekata u poluprovodnicima (problem 10 ) nema ništa novo. Takva primjedba ne bi trebala obeshrabriti ili pokrenuti pitanje: zašto onda ove probleme stavljati na "listu"? Prvo, oni, po mom mišljenju, imaju određeni šarm za fizičara; i drugo, razumijevanje važnosti nekog pitanja nije nužno povezano sa dovoljnim poznavanjem njegovog trenutnog stanja. Uostalom, "program" je upravo usmjeren na podsticanje interesovanja i poticanje stručnjaka da u dostupnim člancima i predavanjima pokriju stanje problema.

S obzirom na nelinearnu fiziku (problemi 11 u "listi") situacija je drugačija. Ima puno materijala, a ukupno je do 10-20% svih naučnih publikacija posvećeno nelinearnoj fizici.

Nije ni čudo što se 20. vijek ponekad nazivao ne samo atomskim, već i laserskim dobom. Unapređenje lasera i širenje područja njihove primjene su u punom jeku. Ali problem 12 - ovo nisu laseri općenito, već prije svega super-moćni laseri. Dakle, intenzitet (gustina snage) je već dostignut lasersko zračenje 10 20 - 10 21 W cm -2 . Pri ovom intenzitetu, jačina električnog polja dostiže 10 12 V cm -1, dva reda veličine je jače od protonskog polja u prizemnom nivou atoma vodonika. Magnetno polje u ovom slučaju dostiže 10 9 - 10 10 ersted. Upotreba vrlo kratkih impulsa u trajanju do 10 -15 s (tj. do femtosekunde) otvara čitav niz mogućnosti, posebno za dobijanje rendgenskih impulsa u trajanju od attosekundi (10 -18 s). Srodni problem je stvaranje i upotreba razdera i grazera - analoga lasera u rendgenskom i gama opsegu, respektivno.

Problem 13 iz oblasti nuklearne fizike. Veoma je velika, pa sam izdvojio samo dva pitanja. Prvo, radi se o udaljenim transuranskim elementima u vezi s nadom da neki od njihovih izotopa žive dugo vremena (takav izotop je označen kao jezgro s određenim brojem protona Z= 114 i neutroni N= 184, tj. sa masenim brojem A = Z + N= 298). Poznati transuranski elementi sa 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 početkom XXI veka.

mikrofizika

Problemi sa 14 on 20 pripadaju polju, koje se, po svemu sudeći, najispravnije naziva fizika elementarnih čestica. Jedno vrijeme je, međutim, ovaj naziv nekako postao rijetko korišten, jer je bio zastario. U određenoj fazi, nukleoni i mezoni su se posebno smatrali elementarnim. Sada je poznato da se sastoje (iako u donekle konvencionalnom smislu) od kvarkova i antikvarkova, koji se, možda, takođe "sastoje" od nekih čestica - preona itd. Međutim, još nema osnova za takve hipoteze, a " matrjoška" - podjela materije na sve manje "male" dijelove - jednog dana mora biti iscrpljena. Na ovaj ili onaj način, danas kvarkove smatramo nedjeljivim i elementarnim u tom smislu - postoji 6 vrsta njih, ne računajući antikvarkove, koji se nazivaju "ukusi" (cvijeće): u(gore), d(dolje), c(šarm), s(tuskost), t(vrh) i b(dole), kao i elektron, pozitron i niz drugih čestica. Jedan od najhitnijih problema fizike elementarnih čestica je traženje i, kako se svi nadaju, otkriće Higsovog - Higsovog bozona ("Nauka i život" br. 1, 1996). Procjenjuje se da je njegova masa manja od 1000 GeV, ali vjerojatnije čak i manja od 200 GeV. Pretrage se vrše i biće vršene u akceleratorima u CERN-u i Fermilabu. Ali glavna nada fizike visoke energije je LHC (Large Hadron Colleider) akcelerator, koji se gradi u CERN-u. Dostići će energiju od 14 TeV (10 12 eV), ali tek, po svemu sudeći, 2005. godine.

Ostalo važan zadatak- Traži supersimetrične čestice. Godine 1956. otkrivena je nekonzervacija prostornog pariteta ( P) sa slabim interakcijama - ispostavilo se da je svijet asimetričan, "desno" nije ekvivalentno "lijevo". Međutim, eksperimenti su pokazali da su sve interakcije invarijantne u odnosu na CP-konjugacija, odnosno kada se desna zamijeni lijevom uz istovremenu promjenu čestice u antičesticu. Propadanje je otkriveno 1964. godine To-meson, koji je svjedočio da i CP-invarijantnost je narušena (1980. ovo otkriće je nagrađeno Nobelovom nagradom). Netrajni procesi CP-invarijanse su veoma retke. Do sada je otkrivena još samo jedna takva reakcija, a druga je upitna. Reakcija raspada protona, u koju su se polagale neke nade, nije registrovana, što, međutim, nije iznenađujuće: prosječno vrijeme života protona je 1,6 10 33 godine. Postavlja se pitanje: hoće li se invarijantnost sačuvati prema promjeni vremena t na - t? Ovo fundamentalno pitanje je važnost objasniti nepovratnost fizičkih procesa. Priroda procesa sa CP-neočuvanost je nejasna, njihova istraživanja su u toku.

O masi neutrina, spomenutom među ostalim "odjeljcima" problema 16 , će biti razmotreno u nastavku kada se raspravlja o problemu 30 (neutrina fizika i astronomija). Hajde da se zadržimo na problemu 17 a tačnije u osnovnoj dužini.

Teorijski proračuni pokazuju da do udaljenosti lf\u003d 10 -17 cm (češće, međutim, ukazuju na 10 -16 cm) i vremena t f= l f /c ~ 10 -27 s, postojeće prostorno-vremenske reprezentacije su važeće. Šta se dešava u manjem obimu? Takvo pitanje, u kombinaciji s postojećim teškoćama teorije, dovelo je do hipoteze o postojanju neke fundamentalne dužine i vremena u kojem " nova fizika"i neke neobične prostorno-vremenske reprezentacije ("granularni prostor-vreme" itd.). S druge strane, poznata je još jedna fundamentalna dužina koja igra važnu ulogu u fizici - takozvana Plankova, ili gravitaciona, dužina lg= 10 -33 cm.

Njegovo fizičko značenje leži u činjenici da na manjim skalama više nije moguće koristiti, posebno, opštu teoriju relativnosti (GR). Ovdje trebamo koristiti kvantnu teoriju gravitacije, koja još nije stvorena ni u kakvom potpunom obliku. dakle, lg- očigledno neka fundamentalna dužina, ograničavajući klasične ideje o prostor-vremenu. Ali, da li je moguće tvrditi da ove reprezentacije ne "propadaju" ni ranije, za neke l f , što je čak 16 redova veličine manje l g?

"Napad na dužinu" se vodi sa dvije strane. Sa strane relativno niskih energija, radi se o izgradnji novih akceleratora na sudarajućim snopovima (kolajderima), a prije svega već spomenutom LHC-u, za energiju od 14 TeV, što odgovara dužini l = sc/E c = =1,4 . 10 -18 cm U kosmičkim zracima registrovane su čestice sa maksimalnom energijom E = 3 . 10 20 eV. Međutim, čak i takvih čestica je izuzetno malo i nemoguće ih je direktno koristiti u fizici visokih energija. Dužine uporedive sa lg, pojavljuju se samo u kosmologiji (i, u principu, unutar crnih rupa).

U fizici elementarnih čestica, oni rade prilično široko sa energijama E o= 10 16 eV, u još nedovršenoj teoriji "velikog ujedinjenja" - ujedinjenja elektroslabih i jakih interakcija. Dužina l o = =ćc/E o= 10 -30 cm, a ipak je za tri reda veličine veći lg. Šta se dešava u oblasti između l o i l g izgleda da je prilično teško reći. Možda se ovdje krije neka fundamentalna dužina. l f , takav da lg < l f< lo?

Što se tiče skupa problema 19 (vakuum i superjak magnetna polja) može se reći da su veoma aktuelne. Ajnštajn je još 1920. godine primetio: "...opšta teorija relativnosti daje prostoru fizičke osobine, tako da, u tom smislu, etar postoji..." Kvantna teorija je "obdarila prostor" virtuelnim parovima, raznim fermionima i nultim oscilacijama elektromagnetnih i drugih polja.

Problem 20 - žice i M-teoriju ("Nauka i život" br. 8, 9, 1996). To je, moglo bi se reći, prva linija u teorijskoj fizici danas. Inače, umjesto izraza "žice" često se koristi naziv "superstrune", prvo, da ne bi došlo do zabune sa kosmičkim žicama (problem 25 ), i drugo, da se naglasi upotreba koncepta supersimetrije. U supersimetričnoj teoriji, svaka čestica odgovara partneru sa različitim statistikama, na primjer, fotonu (bozon sa spinom) odgovara fotino (fermion sa spinom 1/2), itd. Treba odmah napomenuti da supersimetrični partneri (čestice) još nisu otkriveni. Njihova masa, očigledno, nije manja od 100-1000 GeV. Potraga za ovim česticama jedan je od glavnih zadataka eksperimentalne fizike visokih energija.

Teorijska fizika još uvijek ne može odgovoriti na brojna pitanja, na primjer: kako izgraditi kvantnu teoriju gravitacije i kombinovati je sa teorijom drugih interakcija; zašto izgleda da postoji samo šest tipova kvarkova i šest vrsta leptona; zašto je masa neutrina veoma mala; kako odrediti konstantu fine strukture 1/137 i niz drugih konstanti iz teorije, itd. Drugim riječima, koliko god dostignuća fizike bila grandiozna i impresivna, postoji mnogo neriješenih fundamentalnih problema. Teorija superstruna još nije odgovorila na takva pitanja, ali obećava napredak u pravom smjeru.

U kvantnoj mehanici i u kvantnoj teoriji polja, elementarne čestice se smatraju tačkastim česticama. U teoriji superstruna, elementarne čestice su vibracije jednodimenzionalnih objekata (struna) karakterističnih dimenzija 10 -33 cm.Strune mogu biti konačne dužine ili u obliku prstenova. Oni se ne smatraju u četvorodimenzionalnom („običnom“) prostoru, već u prostorima sa, recimo, 10 ili 11 dimenzija.

Teorija superstruna još nije dovela do bilo kakvih fizičkih rezultata, a u vezi s njima mogu se spomenuti uglavnom "fizičke nade", kako je L. D. Landau volio reći, a ne rezultati. Ali šta su rezultati? Na kraju krajeva, matematičke konstrukcije i otkriće različitih svojstava simetrije su također rezultati. To nije spriječilo fizičare struna da na teoriju struna primjene ne previše skromnu terminologiju "teoriju svega".

Zadaci pred teorijskom fizikom i pitanja o kojima je riječ izuzetno su složeni i duboki, a koliko će još vremena trebati da se pronađu odgovori, nije poznato. Čovjek osjeća da je teorija superstruna nešto duboko i evoluirajuće. Sami njeni autori tvrde da razumiju samo određene granične slučajeve i govore samo o aluzijama na neku opštiju teoriju, koju nazivaju M-teorija, odnosno magična ili mistična.

(Slijedi kraj.)

Poruka Prezidijuma Ruske akademije nauka

Dominacija antiznanstvenih i nepismenih članaka u novinama i časopisima, televizijskim i radijskim programima izaziva ozbiljnu zabrinutost svih naučnici zemlje. Radi se o budućnosti nacije: hoće li nova generacija, odgojena astrološke prognoze i vjere u okultne nauke, održati naučni pogled na svijet dostojan ljudi 21. vijeka ili će se naša zemlja vratiti srednjovjekovnom misticizmu. Časopis je uvek promovisao samo dostignuća nauke i objašnjavao zablude drugih stavova (videti, na primer, Nauka i život, br. 5, 6, 1992). Objavljivanjem apela Prezidijuma Ruske akademije nauka, usvojenog dekretom br. 58-A od 16. marta 1999. godine, nastavljamo ovaj rad i u našim čitaocima vidimo naše istomišljenike.

NEMOJTE PROLAZITI!

Naučnicima u Rusiji, profesorima i nastavnicima univerziteta, nastavnicima škola i tehničkih škola, svim članovima ruske intelektualne zajednice.

U našoj zemlji danas se široko i slobodno distribuiraju i promoviraju pseudonauka i paranormalna vjerovanja: astrologija, šamanizam, okultizam itd. Nastavljaju se pokušaji izvođenja raznih besmislenih projekata o trošku javnih sredstava, poput stvaranja torzijskih generatora. Stanovništvo Rusije se zavarava TV i radio programima, člancima i knjigama iskreno antinaučnog sadržaja. U domaćim javnim i privatnim medijima klana čarobnjaka, mađioničara, gatara i proroka ne prestaje. Pseudonauka nastoji da prodre u sve slojeve društva, sve njegove institucije, uključujući i Rusku akademiju nauka.

Ove iracionalne i u osnovi nemoralne tendencije su nesumnjivo ozbiljna prijetnja normalnom duhovnom razvoju nacije.

Ruska akademija nauka ne može i ne treba da gleda ravnodušno na neviđenu ofanzivu mračnjaštva i dužna je da joj da dužno odbijanje. U tu svrhu, Prezidijum Ruske akademije nauka formirao je Komisiju za borbu protiv pseudonauke i falsifikovanja naučnih istraživanja.

Komisija RAS za borbu protiv pseudonauke i falsifikovanja naučnih istraživanja već je počela sa radom. Međutim, sasvim je očigledno da se značajan uspjeh može postići samo ako se borbi protiv pseudonauke posveti pažnja širokih krugova naučnika i prosvjetnih radnika u Rusiji.

Prezidijum Ruske akademije nauka poziva vas da aktivno odgovorite na pojavu pseudonaučnih i ignorantskih publikacija kako u masovnim medijima tako iu posebnim publikacijama, da se suprotstavite realizaciji šarlatanskih projekata, da razotkrijete aktivnosti svih vrsta paranormalnih i antinaučne "akademije", da širom svijeta promoviraju vrline naučnog znanja, racionalan odnos prema stvarnosti.

Pozivamo čelnike radio i televizijskih kuća, novina i časopisa, autore i urednike programa i publikacija da ne kreiraju i ne distribuiraju pseudonaučne i neznalačke programe i publikacije i da se sjete odgovornosti medija za duhovno i moralno vaspitanje naciju.

Od pozicije i delovanja svakog naučnika danas zavisi duhovno zdravlje sadašnjih i budućih generacija!

Prezidijum Ruske akademije nauka.

Ekologija života. Pored standardnih logičkih zadataka poput "ako drvo padne u šumu i niko ne čuje, da li ono proizvodi zvuk?", bezbrojne zagonetke

Pored standardnih logičkih zagonetki poput „ako drvo padne u šumi i niko ne čuje, da li ono proizvodi zvuk?“ Nebrojene zagonetke i dalje uzbuđuju umove ljudi zaposlenih u svim disciplinama. moderna nauka i humanističkih nauka.

Pitanja poput “Postoji li univerzalna definicija “riječi”?”, “Da li boja postoji fizički ili se pojavljuje samo u našim mislima?” i "koja je vjerovatnoća da će sunce izaći sutra?" ne daj ljudima da spavaju. Prikupili smo ova pitanja iz svih oblasti: medicine, fizike, biologije, filozofije i matematike i odlučili smo ih postaviti vama. Možete li odgovoriti?

Zašto ćelije vrše samoubistvo?

Biohemijski događaj poznat kao apoptoza ponekad se naziva "programirana ćelijska smrt" ili "ćelijsko samoubistvo". Iz razloga koje nauka ne razumije u potpunosti, ćelije imaju sposobnost da "odluče umrijeti" na visoko organiziran i očekivan način koji je potpuno drugačiji od nekroze (ćelijske smrti uzrokovane bolešću ili ozljedom). Između 50 i 80 milijardi ćelija umire kao rezultat programirane ćelijske smrti ljudsko tijelo svaki dan, ali mehanizam koji stoji iza njih, pa čak ni ova namjera, nije u potpunosti shvaćen.

S jedne strane, previše programirane stanične smrti dovodi do atrofije mišića i slabosti mišića, s druge strane, nedostatak pravilne apoptoze omogućava stanicama da se razmnožavaju, što može dovesti do raka. Opšti koncept apoptoze prvi je opisao nemački naučnik Karl Vogt 1842. Od tada je napravljen značajan napredak u razumijevanju ovog procesa, ali još uvijek nema potpunog objašnjenja.

Računarska teorija svijesti

Neki naučnici izjednačavaju aktivnost uma sa načinom na koji kompjuter obrađuje informacije. Tako je sredinom 60-ih razvijena kompjuterska teorija svijesti i čovjek je počeo ozbiljno da se bori protiv mašine. Jednostavno, zamislite da je vaš mozak kompjuter, a svijest jeste operativni sistem koji njime upravlja.

Ako zaronite u kontekst kompjuterske nauke, analogija je jednostavna: u teoriji, programi proizvode podatke na osnovu niza ulaza (spoljašnji stimulansi, vid, zvuk, itd.) i memorije (koja se može smatrati i fizičkim čvrstim diskom i naše psihološko pamćenje). Programe pokreću algoritmi koji imaju konačan broj koraka koji se ponavljaju prema različitim ulazima. Poput mozga, kompjuter mora da predstavlja ono što fizički ne može izračunati – i to je jedan od najjačih argumenata u prilog ovoj teoriji.

Ipak, teorija računarstva se razlikuje od reprezentativne teorije svijesti po tome što nisu sva stanja reprezentativna (kao depresija), pa stoga neće moći odgovoriti na utjecaj kompjuterske prirode. Ali problem je filozofski: kompjuterska teorija svijesti radi odlično, sve dok ne uključuje "reprogramiranje" mozga koji je depresivan. Ne možemo se vratiti na fabrička podešavanja.

Kompleksan problem svesti

U filozofskim dijalozima, "svest" je definisana kao "qualia" i problem qualia će proganjati čovečanstvo, verovatno uvek. Qualia opisuje pojedinačne manifestacije subjektivnog svjesnog iskustva - na primjer, glavobolja. Svi smo iskusili ovaj bol, ali ne postoji način da se izmjeri da li smo doživjeli istu glavobolju, ili je iskustvo bilo isto, jer se iskustvo bola zasniva na našoj percepciji.

Iako su učinjeni mnogi naučni pokušaji da se definiše svest, niko nikada nije razvio opšteprihvaćenu teoriju. Neki filozofi dovode u pitanje samu mogućnost ovoga.

Getye problem

Goetierov problem je: "Da li je opravdano pravo znanje vjerovanja?" Ova logička zagonetka je jedna od najneugodnijih jer od nas zahtijeva da razmislimo o tome da li je istina univerzalna konstanta. Ona takođe mnogo diže misaoni eksperimenti i filozofske argumente, uključujući "opravdano istinito vjerovanje":

Subjekt A zna da je rečenica B istinita ako i samo ako:

B je tačno

i A misli da je B istina,

i A je uvjeren da je vjerovanje u istinu B opravdano.

Kritičari problema poput Guetiera tvrde da je nemoguće opravdati nešto što nije istina (jer se "istina" smatra konceptom koji argument uzdiže na nepokolebljiv status). Teško je definisati ne samo šta nekome znači istina, već i šta znači vjerovati da je tako. I to je ozbiljno uticalo na sve, od forenzike do medicine.

Jesu li sve boje u našoj glavi?

Jedno od najsloženijih ljudskih iskustava je percepcija boje: da li fizički objekti u našem svijetu zaista imaju boju koju prepoznajemo i obrađujemo ili se proces davanja boje odvija isključivo u našim glavama?

Znamo da je postojanje boja posledica različitih talasnih dužina, ali kada je u pitanju naša percepcija boja, naša opšta nomenklatura i jednostavna činjenica da bi nam glave vjerovatno eksplodirale kada bismo iznenada naišli na nikad viđenu boju u našoj univerzalnoj paleti, ova ideja nastavlja da oduševljava naučnike, filozofe i sve ostale.

Šta je tamna materija?

Astrofizičari znaju šta nije tamna materija, ali im ova definicija nikako ne odgovara: iako je ne možemo vidjeti ni najmoćnijim teleskopima, znamo da je u svemiru ima više od obične materije. Ne apsorbuje niti emituje svetlost, ali razlika u gravitacionim efektima velikih tela (planeta, itd.) je navela naučnike da veruju da nešto nevidljivo igra ulogu u njihovom kretanju.

Teorija, prvi put predložena 1932. godine, u velikoj je mjeri bila problem "mase koja nedostaje". Postojanje crne materije ostaje nedokazano, ali je naučna zajednica prisiljena da prihvati njeno postojanje kao činjenicu, kakva god ona bila.

problem izlaska sunca

Kolika je vjerovatnoća da će sunce izaći sutra? Filozofi i statističari postavljaju ovo pitanje milenijumima, pokušavajući da smisle nepobitnu formulu za ovaj svakodnevni događaj. Ovo pitanje ima za cilj da pokaže ograničenja teorije vjerovatnoće. Poteškoća nastaje kada počnemo da mislimo da postoje mnoge razlike između prethodnog znanja jedne osobe, prethodnog znanja čovečanstva i prethodnog znanja Univerzuma o tome da li će sunce izaći.

Ako a str je dugoročna učestalost izlaska sunca, i to str primjenjuje se uniformna raspodjela vjerovatnoće, a zatim vrijednost str povećava se svakim danom kada sunce zapravo izlazi i vidimo (pojedinac, čovječanstvo, univerzum) da se to dešava.

137 element

Nazvan po Richardu Feynmanu, predloženi završni element periodni sistem Mendeljejevljev "fejnmanijum" je teorijski element koji može biti posljednji mogući element; da bi otišli dalje od #137, elementi će se morati pomjeriti veća brzina Sveta. Nagađalo se da elementi iznad #124 ne bi bili dovoljno stabilni da postoje duže od nekoliko nanosekundi, što znači da bi element poput Feynmanijuma bio uništen spontanom fisijom prije nego što bi mogao biti proučavan.

Ono što je još zanimljivije je da broj 137 nije izabran samo u čast Feynmana; vjerovao je da ovaj broj ima duboko značenje, budući da je "1/137 = skoro tačna vrijednost takozvane konstante fine strukture, bezdimenzionalne veličine koja određuje snagu elektromagnetne interakcije."

Ostaje veliko pitanje, može li takav element postojati izvan čisto teoretskog, i hoće li se to dogoditi u našem životu?

Postoji li univerzalna definicija riječi "riječ"?

U lingvistici, riječ je mala izjava koja može imati bilo koje značenje: u praktičnom ili doslovnom smislu. Morfema, koja je nešto manja, ali koja ipak može prenijeti značenje, za razliku od riječi, ne može ostati izolirana. Možete reći "-stvo" i shvatiti šta to znači, ali malo je vjerovatno da će razgovor iz takvih isječaka imati smisla.

Svaki jezik na svijetu ima svoj leksikon koji je podijeljen na lekseme, koje su oblici pojedinačnih riječi. Tokeni su izuzetno važni za jezik. Ali opet, u širem smislu, najmanja jedinica govora ostaje riječ, koja može stajati samostalno i imati smisla; međutim, ostaju problemi sa definicijom, na primjer, partikula, prijedloga i veznika, budući da oni nemaju posebno značenje izvan konteksta, iako ostaju riječi u opštem smislu.

Paranormalne sposobnosti za milion dolara

Od njegovog početka 1964. godine, oko 1.000 ljudi učestvovalo je u Paranormalnom izazovu, ali niko nikada nije uzeo nagradu. Obrazovna fondacija James Randi nudi milion dolara svima koji mogu naučno potvrditi natprirodne ili paranormalne sposobnosti. Tokom godina, mnogi mediji su pokušali da se dokažu, ali su bili kategorički odbijeni. Da bi bio uspješan, kandidat mora dobiti odobrenje od instituta za obuku ili druge organizacije odgovarajućeg nivoa.

Iako nijedan od 1.000 prijavljenih nije bio u mogućnosti da dokaže vidljive psihičke moći koje bi mogle biti naučno potvrđene, Randy je rekao da je "vrlo malo" takmičara smatralo da je njihov neuspjeh posljedica nedostatka talenta. Uglavnom, svi su neuspjeh sveli na nervozu.

Problem je što će retko ko ikada pobediti na ovom takmičenju. Ako će neko imati natprirodne sposobnosti, to znači da se one ne mogu objasniti prirodnim naučni pristup. Dobili ste? Objavljeno

U nastavku predstavljamo listu neriješenih problema u modernoj fizici.

Neki od ovih problema su teoretski. To znači da postojeće teorije nisu u stanju da objasne određene uočene pojave ili eksperimentalne rezultate.

Ostali problemi su eksperimentalni, što znači da postoje poteškoće u kreiranju eksperimenta za testiranje predložene teorije ili za detaljnije proučavanje fenomena.

Neka od ovih pitanja su usko povezana. Na primjer, dodatne dimenzije ili supersimetrija mogu riješiti problem hijerarhije. Vjeruje se da kompletna teorija kvantne gravitacije može odgovoriti na većinu ovih pitanja.

Šta će biti kraj svemira?

Odgovor u velikoj mjeri ovisi o tamnoj energiji, koja ostaje nepoznat pojam u jednadžbi.

Tamna energija je odgovorna za ubrzano širenje svemira, ali njeno porijeklo je misterija obavijena tamom. Ako a tamna energija konstanta dugo vremena, vjerovatno nas čeka „veliko zamrzavanje“: svemir će se nastaviti širiti sve brže i brže, a na kraju će galaksije biti toliko udaljene jedna od druge da će trenutna praznina svemira izgledati kao dječja igra .

Ako se tamna energija poveća, ekspanzija će postati toliko brza da će se povećati ne samo prostor između galaksija, već i između zvijezda, to jest, same galaksije će biti rastrgane; ova opcija se zove "veliki jaz".

Drugi scenario je da će se tamna energija smanjiti i više neće moći da se suprotstavi sili gravitacije, što će uzrokovati da se svemir sklupča („velika škripa“).

Pa, suština je da smo, bez obzira na to kako se događaji odvijaju, osuđeni na propast. Prije toga, međutim, milijarde ili čak trilioni godina - dovoljno da se shvati kako će Univerzum ipak umrijeti.

kvantna gravitacija

Unatoč aktivnim istraživanjima, teorija kvantne gravitacije još nije izgrađena. Glavna poteškoća u njegovoj konstrukciji leži u činjenici da su dvije fizičke teorije koje pokušava povezati,  - kvantna mehanika i opšta relativnost (GR) -  zasnovane na različitim skupovima principa.

dakle, kvantna mehanika je formulisan kao teorija koja opisuje vremensku evoluciju fizičkih sistema (na primjer, atoma ili elementarnih čestica) u pozadini vanjskog prostor-vremena.

Ne postoji vanjski prostor-vrijeme u općoj relativnosti - sama je dinamička varijabla teorije, ovisno o karakteristikama onih u njoj klasična sistemi.

Prilikom preseljenja u kvantna gravitacija, u najmanju ruku, potrebno je sisteme zamijeniti kvantnim (tj. izvršiti kvantizaciju). Rezultirajuća veza zahtijeva neku vrstu kvantizacije geometrije samog prostora-vremena, a fizičko značenje takve kvantizacije je apsolutno nejasno i nema uspješnog dosljednog pokušaja da se to izvede.

Čak i pokušaj kvantizacije linearizovanog klasična teorija gravitacija (GR) nailazi na brojne tehničke poteškoće - kvantna gravitacija ispada da je teorija koja se ne može renormalizovati zbog činjenice da je gravitaciona konstanta dimenzionalna veličina.

Situaciju otežava činjenica da direktni eksperimenti u polju kvantne gravitacije, zbog slabosti samih gravitacionih interakcija, nisu dostupni. moderne tehnologije. U tom smislu, u potrazi za ispravnom formulacijom kvantne gravitacije, do sada se moralo oslanjati samo na teorijske proračune.

Higsov bozon nema apsolutno nikakvog smisla. Zašto postoji?

Higsov bozon objašnjava kako sve druge čestice dobijaju masu, ali istovremeno postavlja mnoga nova pitanja. Na primjer, zašto Higsov bozon različito djeluje sa svim česticama? Dakle, t-kvark je u interakciji s njim jače od elektrona, zbog čega je masa prvog mnogo veća od mase drugog.

Pored toga, Higsov bozon je prva elementarna čestica sa nultim spinom.

„Apsolutno imamo novo područje fizičar čestica," kaže naučnik Richard Ruiz "Nemamo pojma kakva je njegova priroda."

Hawkingovo zračenje

Da li crne rupe proizvode toplotno zračenje kako teorija predviđa? Sadrži li ovo zračenje informacije o njihovoj unutrašnjoj strukturi ili ne, kao što slijedi iz Hokingovog prvobitnog proračuna?

Zašto je svemir napravljen od materije, a ne od antimaterije?

Antimaterija je ista materija: ima potpuno ista svojstva kao i supstanca koja čini planete, zvijezde, galaksije.

Jedina razlika je u naplati. Prema modernim idejama, u novorođenom Univerzumu oboje su bili podjednako podijeljeni. Ubrzo nakon Velikog praska, materija i antimaterija su se poništili (reagovali su međusobnom anihilacijom i pojavom drugih čestica jedne druge).

Pitanje je, kako se dogodilo da je određena količina materije ipak ostala? Zašto je materija uspjela, a antimaterija propala u potezanju konopa?

Kako bi objasnili ovaj disparitet, naučnici marljivo traže primjere kršenja CP, odnosno procesa u kojima se čestice radije raspadaju da bi formirale materiju, ali ne i antimateriju.

„Pre svega, želela bih da razumem da li se oscilacije neutrina (transformacija neutrina u antineutrino) razlikuju između neutrina i antineutrina“, kaže Alicia Marino sa Univerziteta Kolorado, koja je podelila pitanje. “Ništa slično ovome do sada nije primijećeno, ali radujemo se sljedećoj generaciji eksperimenata.”

Teorija svega

Postoji li teorija koja objašnjava vrijednosti svih osnovnih fizičkih konstanti? Postoji li teorija koja objašnjava zašto su zakoni fizike takvi kakvi jesu?

Da odredimo teoriju koja bi ujedinila sve četiri fundamentalne interakcije u prirodi.

Tokom dvadesetog veka predložene su mnoge „teorije svega“, ali nijedna od njih nije uspela da prođe eksperimentalno testiranje, ili postoje značajne poteškoće u organizovanju eksperimentalnog testiranja za neke od kandidata.

Bonus: loptasta munja

Koja je priroda ovog fenomena? Da li je loptasta munja samostalan objekat ili se pokreće energijom izvana? Da li su sve vatrene lopte iste prirode ili postoje različite vrste?

Vatrena kugla - sjajna vatrena kugla koja lebdi u vazduhu, jedinstveno retka prirodni fenomen.

United fizička teorija pojava i tok ovog fenomena do danas nije predstavljen, postoje i naučne teorije koje fenomen svode na halucinacije.

Postoji oko 400 teorija koje objašnjavaju ovaj fenomen, ali nijedna od njih nije dobila apsolutno priznanje u akademskom okruženju. U laboratorijskim uslovima, slične, ali kratkotrajne pojave je dobilo nekoliko Različiti putevi, tako da pitanje prirode loptaste munje ostaje otvoreno. Do kraja 20. stoljeća nije stvorena ni jedna eksperimentalna postolja na kojoj bi se ovaj prirodni fenomen vještački reprodukovao u skladu sa opisima očevidaca loptaste munje.

Rašireno je mišljenje da je loptasta munja fenomen električnog porijekla, prirodna priroda, odnosno jeste posebna vrsta munja koja postoji dugo vremena i ima oblik lopte koja se može kretati nepredvidivom, ponekad iznenađujućom putanjom za očevice.

Tradicionalno, pouzdanost mnogih iskaza očevidaca o kugličnim munjama ostaje pod sumnjom, uključujući:

• sama činjenica posmatranja barem nekog fenomena;
• činjenica posmatranja loptaste munje, a ne neke druge pojave;
• odvojeni detalji fenomena, dati u iskazu očevidca.

Sumnje u pouzdanost mnogih svjedočanstava otežavaju proučavanje fenomena, a također stvaraju osnovu za pojavu raznih spekulativnih senzacionalnih materijala navodno povezanih s ovim fenomenom.

Na osnovu materijala: nekoliko desetina članaka iz