ФИЗИКА
V. Некоторые нерешённые
проблемы физики
Физика элементарных частиц.
Наиболее фундаментальной проблемой Ф. было и остаётся исследование
материи на самом глубоком уровне - уровне элементарных частиц. Накоплен
огромный экспериментальный материал по взаимодействиям и превращениям элементарных
частиц, произвести же теоретич. обобщение этого материала с единой
точки зрения пока не удаётся. Либо недостаёт необходимых фактов, либо -
идеи, способной пролить свет на проблему строения и взаимодействия элементарных
частиц. Остаётся нерешённой задача о теоретич. определении спектра масс
элементарных частиц. Возможно, для решения этой проблемы и устранения бесконечностей
в квантовой теории поля необходимо введение нек-рой фундаментальной
длины (l), к-рая ограничивала бы применимость обычных представлений
о пространстве-времени как о непрерывной сущности. До расстояний порядка
10-15 см и соответственно времён t l/с10-25
сек обычные пространственно-временные соотношения, по-видимому,
справедливы, но на меньших расстояниях, возможно, они нарушаются. Делаются
попытки введения фундаментальной длины в единой теории поля (Гей-зенберг
и др.) и в различных вариантах квантования пространства-времени.
Однако пока эти попытки не
привели к ощутимым результатам.
Не решена задача построения
квантовой теории тяготения. Только намечается возможность сведения воедино
четырёх фундаментальных взаимодействий.
Астрофизика. Развитие
Ф. элементарных частиц и атомного ядра позволило приблизиться к пониманию
таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях развития,
эволюция звёзд и образование хим. элементов. Однако, несмотря на огромные
достижения, перед совр. астрофизикой стоят и нерешённые проблемы. Остаётся
неясным, каково состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри
звёзд и "чёрных дыр". Не выяснена физ. природа квазаров и радиогалактик,
причины вспышек сверхновых звёзд и появления всплес-кол у-излучения. Непонятно,
почему попытки обнаружения солнечных нейтрино, к-рые должны рождаться в
недрах Солнца при термоядерных реакциях, к успеху не привели (см. Нейтринная
астрономия). Не выявлен полностью механизм ускорения заряженных частиц
(космич. лучей) при вспышках сверхновых звёзд и механизм излучения электромагнитных
волн пульсарами и т. д. Наконец, положено лишь начало решению проблемы
эволюции Вселенной в целом. Что было на ранних стадиях эволюции Вселенной
и какова её судьба в дальнейшем? Сменится ли когда-нибудь наблюдаемое расширение
Вселенной её сжатием? На все эти вопросы пока ответов нет.
Несомненно, что наиболее
фундаментальные проблемы Совр. Ф. связаны с элементарными частицами и проблемой
строения и развития Вселенной. Здесь предстоит открыть новые законы поведения
материи в необычных условиях - при сверхмалых пространственно-временных
расстояниях в микромире и сверхбольших плотностях в начале расширения Вселенной.
Все др. проблемы имеют более частный характер и связаны с поиска
ми путей эффективного использования
осн. законов для объяснения наблюдаемых явлений и предсказания новых.
Физика ядра. После
создания протонно-нейтронной модели ядра был достигнут большой прогресс
в понимании структуры атомных ядер, построены различные приближённые ядерные
модели. Однако по-следоват. теории атомного ядра (подобной теории атомных
оболочек), позволяющей рассчитать, в частности, энергию связи нуклонов
в ядре и уровни энергии ядра, пока нет. Успех в этом направлении может
быть достигнут лишь после построения теории сильных взаимодействий.
Экспериментальное исследование
взаимодействия нуклонов в ядре - ядерных сил - сопряжено с очень большими
трудностями из-за предельно сложного характера этих сил. Они зависят от
расстояния между нуклонами, от скоростей нуклонов и ориентации их спинов.
Значит. интерес представляет
возможность экспериментального обнаружения долгоживущих элементов с атомными
номерами ок. 114 и 126 (т. н. островов стабильности), к-рые предсказываются
теорией.
Одна из важнейших задач,
к-рую предстоит решить Ф.,- проблема управляемого термоядерного синтеза.
В большом масштабе ведутся экспериментальные и теоретич. работы по созданию
горячей дейтерий-тритиевой плазмы, необходимой для термоядерной реакции.
Сов. установки типа "токамак" являются, по-видимому, самыми перспективными
в этом отношении. Имеются и др. возможности. В частности, для нагрева крупинок
из смеси дейтерия с тритием можно использовать лазерное излучение, электронные
или ионные пучки, получаемые в мощных импульсных ускорителях.
Квантовая электроника.
Квантовые генераторы дают электромагнитное излучение, уникальное по
своим свойствам. Излучение лазера когерентно и может достигать в узком
спектральном интервале огромной мощности: 1012 -1013
вт, причём расходимость светового пучка составляет всего ок. 10-4
рад. Напряжённость электрич. поля излучения лазера может превышать
напряжённость внутриатомного поля.
Создание лазеров вызвало
появление и быстрое развитие нового раздела оптики - нелинейной оптики.
В сильном лазерном излучении становятся существенными нелинейные эффекты
взаимодействия электромагнитной волны со средой. Эти эффекты - перестройка
частоты излучения, самофокусировка пучка и др. представляют большой теоретич.
и практич. интерес.
Почти строгая монохроматичность
лазерного излучения позволила получить объёмное изображение объектов (голография)
с помощью интерференции волн.
Лазерное излучение применяют
для разделения изотопов, в частности для обогащения урана изотопом 235U,
для испарения и сварки металлов в вакууме, в медицине и т. д. Перспективно,
по-видимому, применение лазеров для нагрева вещества до темп-р, при к-рых
возможно осуществление термоядерных реакций. Стоит задача поисков новых
применений лазерного излучения, напр. для связи в космосе.
Гл. проблемы, к-рые предстоит
решить,- это дальнейшее повышение мощности и расширение диапазона длин
волн лазерного пучка с плавной перестройкой по
частоте. Ведутся поисковые работы по созданию рентгеновских и гамма-лазеров.
Физика твёрдого тела.
Ф. твёрдого тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей
получения материалов с экстремальными свойствами в отношении механич. прочности,
теплостойкости, электрич., магнитных и оптич. характеристик.
С 70-х гг. 20 в. ведутся
активные поиски нефононных механизмов сверхпроводимости. Решение этой задачи,
возможно, позволило бы создать высокотемпературные сверхпроводники. Это
имело бы огромное значение для экспериментальной Ф. и техники, в т. ч.
решило бы проблему передачи электрич. энергии на большие расстояния практически
без потерь.
Весьма интересная проблема
- исследование физ. свойств твёрдого и жидкого гелия-3 при сверхнизких
(ниже 3*10-3 К) темп-pax. Твёрдый гелий-3 должен быть, по-видимому,
единств. обменным ядерным антиферромагнетиком. Жидкий гелий-3 - простейшая
ферми-жидкость, теория к-рой составляет существенный предмет квантовой
статистики.
Большой науч. и практич.
интерес представляет получение металлич. водорода и изучение его физ. свойств.
Он должен быть уникальным физ. объектом, т. к. его решётка состоит из протонов.
Полагают, что металлич. водород будет обладать рядом необычных свойств,
изучение к-рых может привести к принципиально новым открытиям в Ф. В Ин-те
физики высоких давлений АН СССР сделаны первые шаги в этом направлении
- обнаружен переход в металлич. состояние тонких плёнок твёрдого водорода
при темп-ре 4,2 К и давлении ок. 1 Мбар.
Разрабатываются новые направления
исследования твёрдых тел акустич. методами: акустоэлектроника (взаимодействие
акустич. волн с электронами в полупроводниках, металлах и сверхпроводниках),
акустич. ядерный и парамагнитный резонансы, определение фононного спектра
и дисперсионных кривых.
Следует отметить, что развитие
тра-диц. направлений Ф. твёрдого тела часто приводит к неожиданным открытиям
новых физ. явлений или материалов с существенно новыми свойствами, как,
напр., Джозефсона эффект, полупроводники с гетеропереходами, сверхпроводники
2-го рода, квантовые кристаллы, нитевидные кристаллы и др.
Несмотря на достигнутые успехи,
необходимо разрабатывать принципиально новые физ. методы получения более
надёжных и миниатюрных полупроводниковых устройств (см. Микроэлектроника,
Функциональная электроника), методы получения более высоких давлений,
сверхнизких темп-р и т. п.
Большое значение имеет изучение
Ф. полимеров с их необычными механич. и термодинамич. свойствами,
в частности биополимеров, к к-рым относятся все белки.
Физика плазмы. Важность
изучения плазмы связана с двумя обстоятельствами. Во-первых, в плазменном
состоянии находится подавляющая часть вещества Вселенной: звёзды и их атмосферы,
межзвёздная среда, радиац. пояса и ионосфера Земли и др. Во-вторых,
именно в высокотемпературной плазме имеется реальная возможность осуществ
ления управляемого термоядерного
синтеза.
Осн. уравнения, описывающие
плазму, хорошо известны. Однако процессы в плазме столь сложны, что предсказать
её поведение в различных условиях весьма трудно. Гл. проблема, стоящая
перед Ф. плазмы,- разработка эффективных методов разогрева плазмы до темп-ры
порядка 1 млрд. градусов и удержание её в этом состоянии (несмотря на разного
рода неустойчивости, присущие высокотемпературной плазме) в течение времени,
достаточного для протекания термоядерной реакции в большей части рабочего
объёма. Решение проблемы устойчивости плазмы играет важную. роль также
в обеспечении работы ускорителей на встречных пучках и в разработке
т. н. коллективных методов ускорения частиц.
Исследование электромагнитного
и корпускулярного излучения плазмы имеет решающее значение для объяснения
ускорения заряженных частиц при вспышках сверхновых, излучения пульсаров
и др.
Разумеется, проблемы совр.
Ф. не сводятся к перечисленным; свои проблемы имеются во всех разделах
Ф., и общее число их столь велико, что они не могут быть здесь приведены.
VI. Связь физики с другими
науками <и
техникой
Физика и философия. Вследствие
общности и широты своих законов Ф. всегда оказывала воздействие на развитие
философии и сама находилась под её влиянием. С каждым новым открытием в
естественнонауч. области, по словам Ф. Энгельса, материализм неизбежно
должен менять свою форму.
В достижениях совр. Ф. всё
большее подтверждение и конкретизацию находит высшая форма материализма
- диалектический материализм. При переходе к исследованию микромира
закон диалектики - единство противоположностей - проявляется особенно
отчётливо. Единство прерывного и непрерывного находит своё отражение в
кор-пускулярно-волновом дуализме микрочастиц. Необходимое и случайное выступают
в неразрывной связи, что выражается в вероятностном, статистич. характере
законов движения микрочастиц. Провозглашаемое материализмом единство материального
мира ярко проявляется во взаимных превращениях элементарных частиц - возможных
форм существования физ. материи. Особенно важен правильный филос. анализ
в рево-люц. эпохи развития Ф., когда старые представления подвергаются
коренному пересмотру. Классич. образец такого анализа был дан В. И. Лениным
в кн. "Материализм и эмпириокритицизм". Лишь понимание соотношения между
абсолютной и относительной истинами позволяет правильно оценить сущность
революц. преобразований в Ф., видеть в них обогащение и углубление наших
представлений о материи, дальнейшее развитие материализма.
Физика и математика. Ф.-количеств.
наука. Основные её законы формулируются на математич. языке, гл. обр. с
помощью дифференц. уравнений. С др. стороны, новые идеи и методы в математике
часто возникали под влиянием Ф. Анализ бесконечно малых был создан Ньютоном
(одновременно с Г. В. Лейб-
ницем) при формулировке
осн. законов механики. Создание теории электромагнитного поля привело к
развитию векторного анализа. Развитие таких разделов математики, как тензорное
исчисление, римановская геометрия, теория групп и др., стимулировалось
новыми физ. теориями: общей теорией относительности и квантовой механикой.
Развитие квантовой теории поля ставит новые проблемы функционального анализа
и т. д.
Физика и другие естественные
науки. Тесная связь Ф. с др. отраслями естествознания привела, по словам
С. И. Вавилова, к тому, что Ф. глубочайшими корнями вросла в астрономию,
геологию, химию, биологию и др. естеств. науки. Образовался ряд пограничных
дисциплин: астрофизика, геофизика, биофизика, физическая химия и
др. Физ. методы исследования получили решающее значение для всех естеств.
наук. Электронный микроскоп на неск. порядков повысил возможности различения
деталей объектов, позволив наблюдать отд. молекулы. С помощью рентгеноструктурного
анализа изучаются не только кристаллы, но и сложнейшие биологич. структуры.
Подлинным его триумфом явилось установление структуры молекул ДНК, входящих
в состав хромосом клеточных ядер всех живых организмов и являющихся носителями
наследств. кода. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной
биологии и генетики, была бы невозможна без Ф.
Метод т. н. меченых атомов
играет огромную роль в исследовании обмена веществ в живых организмах;
мн. проблемы биологии, физиологии и медицины были решены с их помощью.
Ультразвук применяется в медицине для диагностики и терапии.
Как говорилось выше, законы
квантовой механики лежат в основе теории хим. связи. С помощью меченых
атомов можно проследить кинетику хим. реакций. Физ. методами, напр. с помощью
пучков мюо-нов, полученных на ускорителях, удаётся осуществить хим. реакции,
не идущие в обычных условиях. Используются структурные аналоги атома водорода-позитроний
и мюоний, существование и свойства к-рых были установлены физиками.
В частности, с помощью мюония удаётся измерять скорость протекания быстрых
хим. реакций. (См. Мюоны.)
Развитие электроники позволяет
наблюдать процессы, протекающие за время, меньшее 10-12 сек.
Оно же привело к революции в астрономии - созданию радиоастрономии.
Результаты и методы ядерной
Ф. применяются в геологии; с их помощью, в частности, измеряют абс. возраст
горных пород и Земли в целом (см. Геохронология).
Физика и техника. Ф. образует
фундамент главнейших направлений техники. Электротехника и энергетика,
радиотехника и электроника, светотехника, строит. техника, гидротехника,
значит. часть воен. техники выросли на основе Ф. Благодаря сознат. использованию
физ. законов техника из области случайных находок вышла на широкую дорогу
целенаправленного развития. Если в 19 в. между физ. открытием и первым
его технич. применением проходили десятки лет, то теперь этот срок сократился
до неск. лет.
В свою очередь, развитие
техники оказывает не менее существ. влияние на совершенствование экспериментальной
Ф. Без развития электротехники, электроники, технологии произ-ва очень
прочных и лишённых примесей материалов было бы невозможно создание таких
устройств, как ускорители заряженных частиц, огромные пузырьковые и искровые
камеры, полупроводниковые приборы и т. д.
Возникновение ядерной энергетики
связано с крупными достижениями ядерной Ф. Ядерные реакторы-размножители
на быстрых нейтронах могут использовать природный уран и торий, запасы
к-рого велики. Осуществление управляемого термоядерного синтеза практически
навсегда избавит человечество от угрозы энергетич. кризиса.
Техника будущего будет основываться
не на готовых природных материалах, а главным образом на синтетич. материалах
с наперёд заданными свойствами. Создание и исследование структуры вещества
играют в решении этой проблемы определяющую роль.
Развитие электроники и создание
совершенных ЭВМ, базирующиеся на достижениях Ф. твёрдого тела, неизмеримо
расширили творческие возможности человека, а также привели к построению
"думающих" автоматов, способных быстро принимать решения в обстановке,
требующей обработки большого объёма информации.
Огромное повышение производительности
труда достигается благодаря использованию ЭВМ (автоматизация производства
и управления). По мере усложнения нар. х-ва объём перерабатываемой информации
становится чрезвычайно большим. Поэтому очень важно дальнейшее усовершенствование
вычислит. машин - увеличение их быстродействия и объёма памяти, повышение
надёжности, уменьшение габаритов и стоимости. Эти усовершенствования возможны
только на основе новых достижений Ф.
Совр. Ф. стоит у истоков
революц. преобразований во всех областях техники. Она вносит решающий вклад
в научно-техническую революцию.
О развитии Ф. в СССР см.
24-й том БСЭ, книга II-"СССР", раздел Физические науки. См. также статьи
Физические журналы, Физические институты.
Лит.: История и метододргия
науки<. Энгельс Ф.,
Диалектика природы, М., 1975;
Ленин В. И., Материализм и эмпириокритицизм, Полн. собр. соч., 5 изд.,
т. 18; его ж е, Философские тетради, там же, т. 29; Дорфман Я. Г., Всемирная
история физики с древнейших времен до конца XVIII века, М., 1974; Кудрявцев
П. С., История физики, т. 1 - 3, М., 1956-71; Лауэ М., История физики,
пер. с нем., М., 1956; Льоцци М., История физики, пер. с итал., М., 1970;
Марков М. А., О природе материи, М., 1976.
Общая физика. Хайкин
С.Э., Физические основы механики, 2 изд., М., 1971; Стрелков С. П., Механика,
3 изд., М., 1975; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Кикоин А.
К., Кикоин И. К., Молекулярная физика, 2 изд., М., 1976; Калашников С.
Г.,
Электричество, 3 изд., М.,
1970; Горелик Г. С., Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику
н оптику, 2 изд., М., 1959; Борн М., Атомная физика, пер. с англ., 3 изд.,
М., 1970; Шпольский Э. В., Атомная физика, т. 1, 6 изд., т. 2, 4 изд.,
М., 1974;
Фейнман Р., ЛейтонР., Сэндс
М., Фейнма-новские лекции по физике, пер. с англ., в. 1 - 9, М., 1965-67;
Берклеевский курс физики, т. 1 - 5, пер. с англ., М., 1971 - 74.
Теоретическая физика.
Курс теоретической физики: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., т. 1, Механика,
3 изд., М., 1973; т. 2, Теория поля, 6 изд., М., 1973; т. 3, Квантовая
механика. Нерелятивистская теория, 3 изд., М., 1974; Бересте ц-кий В. Б.,
Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П., т. 4, ч. 1, Релятивистская квантовая теория,
М., 1968; Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П., т. 4, ч. 2, Релятивистская квантовая
теория, М., 1971; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., т. 5, ч. 1, Статистическая
физика, 3 изд., М., 1976; и х ж е, Механика сплошных сред, 2 изд., М.,
1954; их же, Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Голдстейн Г., Классическая
механика, пер. с англ., 2 изд., М., 1975; Леонтович М. А., Введение в термодинамику,
2 изд., М. - Л., 1952; его ж е, Статистическая физика, М.- Л., 1944; Кубо
Р., Термодинамика, пер. с англ., М., 1970; его же, Статистическая механика,
пер. с англ., М., 1967; Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд.,
М., 1976; БорнМ., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973;
Давыдов А. С., Квантовая механика, 2 изд., М., 1973; Блохинцев Д. И., Основы
квантовой механики, 5 изд., М., 1976; Дирак П. А. М.,Принципы квантовой
механики, пер. с англ., М., 1960.
Монографии. Абрикосов
А. А., Введение в теорию нормальных металлов, М., 1972; Андронов А. А.,
Витт А. А., Xайкин С. Э., Теория колебаний, 2 изд., М., 1959; Арцимович
Л. А., Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., М., 1963; Ахиезер А. И.,
Берестецкий В. Б., Квантовая электродинамика, 3 изд., М., 1969; Бете Г.,
3оммерфельд А., Электронная теория металлов, пер. с нем., Л.-М., 1938;
Блохин М. А., Физика рентгеновских лучей, 2 изд., М., 1957; Боголюбов Н.
Н., Проблемы динамической теории в статистической физике, М.-Л., 1946;
Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введение в теорию квантованных полей, 3
изд., М., 1976; Бриллюэн Л., Наука и теория информации, пер. с англ., М.,
1960; Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; ГиббсД ж. В., Термодинамические
работы, пер. с англ., М.-Л., 1950; его же, Основные принципы статистической
механики, пер. с англ., М. - Л., 1946; Гинзбург В. Л., О физике и астрофизике,
2 изд., М., 1974; Ансельм А. И., Введение в теорию полупроводников, М.-Л.,
1962; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962;
Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Теория тяготения и эволюция звезд, М.,
1971; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных
гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; 3оммерфельд А., Строение атома
и спектры, пер. с нем., т. 1-2, М., 1956; Зубарев Д. Н., Неравновесная
статистическая термодинамика, М., 1971; Капица П. Л., Эксперимент, теория,
практика, М., 1974; Карслоу Г., Егер Д., Теплопроводность твердых тел,
пер. с англ., М., 1964; КиттельЧ., Введение в физику твердого тела, пер.
с англ., 2 изд., М., 1962; Лорентц Г. А., Теория электронов и ее применение
к явлениям света и теплового излучения, пер. с англ., 2 изд., М., 1956;
Лукьянов С. Ю., Горячая плазма и управляемый ядерный синтез, М., 1975;
Нейман И., фон, Математические основы квантовой механики, пер. с нем.,
М., 1964; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963;
Скучик Е., Основы акустики, пер. с англ., т. 1 - 2, М., 1976; Стретт Дж.
В. (Лорд Рэ-лей), Теория звука, т. 1-2, 2 изд., М., 1955; Фок В. А., Теория
пространства, времени и тяготения, 2 изд., М., 1961; Френкель Я.И., Введение
в теорию металлов, 3 изд., М., 1958; Эйнштейн А., Инфельд Л., Эволюция
физики, пер. с англ., 3 изд., М., 1965.
Энциклопедии и справочники:
Физический энциклопедический словарь, т. 1 - 5, М., 1960-66; Encyclopaedic
Dictionary of Physics (ed. J. Thewlis), v. 1 - 9, Oxf.-N. Y., 1961 - 64;
Яворский Б. М., Детлаф А. А., Справочник по физике для инженеров и студентов
вузов, 6 изд., М., 1974. А. М. Прохоров.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я