30 самых актуальных проблем современной физики и астрофизики.

19 июня 2002 г. в ГАИШ началась международная школа-семинар (конференция) "Темная материя, темная энергия и гравитационное линзирование". И первым, даже не отмеченным в программе, докладом было выступление Виталия Лазаревича Гинзбурга об актуальных проблемах современной физики (и астрофизики).

Свое выступление он начал такими словами: "Я в течение многих лет одержим идеей, что физика очень широка, что приводит к сильнейшей специализации, ... а о физике в целом многие физики имеют смутное представление. ... Однако у физики есть стержень, им является теоретическое знание."

"Я составил список проблем, которые мне кажутся актуальными и важными." Первый такой список появился в 1970-71 году и был опубликован в УФН. Он вообще является "функцией времени", много раз изменялся и дополнялся. Сегодня в него входят 30 проблем:

 

1. Управляемая термоядерная реакция.
2. Сверхпроводимость при высокой и комнатной температурах. (Сегодня сверхпроводимость получена при 164K при высоком давлении и при 135K без давления. Поэтому сегодня сверхпроводимость при комнатной температуре более далекий результат, чем при высокой. До сих пор не ясно, что именно за процессы вызывают такую сверхпроводимость. Соответственно, современная теория не может ответить и на вопрос о том возможна ли сверхпроводимость при комнатных температурах вообще.)
3. Металлический водород. Другие экзотические субстанции. [В настоящее время в опытах по сжатию водорода достигнуто давление порядка 3 Мбар (при сжатии холодного водорода с помощью алмазных наковален). Металлическое состояние еще не достигнуто (предполагается, что для этого потребуется давление в 40 Мбар), а дальнейшее повышение давления связано с большими техническими трудностями.]
4. Двумерные электронные жидкости (аномальный эффект Холла и прочее). [Интересная область, здесь уже получены две Нобелевские премии.]
5. Некоторые проблемы твердого тела (гетероструктуры в полупроводниках, квантовые ямы и точки, зарядовые и спиновые волны, мезоскопия и прочее).
6. Фазовые переходы второго рода и связанные с ними эффекты (охлаждение до сверхнизких температур, Бозе-Эйнштейновский конденсат в газах и др.). [Ландау была разработана самосогласованная теория фазовых переходов второго рода - без учета влияния флуктуация, которая имеет ограниченную область применения. Полная теория не до конца разработана до сих пор. Возможность существования конденсата Бозе-Эйнштейна именно в газах была предсказано первой (еще до открытия сверхтекучести), но получена в эксперименте только в 1995 году, из-за больших технических сложностей.]
7. Поверхностная физика. Кластеры.
8. Жидкие кристаллы. Ферроэлектрики. Ферротороики (Ferrotoroic). [Кроме электрического и магнитного момента существует еще тороидальный момент - им обладает замкнутый тороидальный соленоид, по которому течет ток. Внутри такого соленоида есть магнитное поле, а снаружи оно отсутствует, т.е. он отличается от такой же катушки без тока, хотя обнаружить подобное различие не заглядывая внутрь достаточно сложно. Ферротороики - вещества обладающие ненулевым собственным тороидальным моментом.]
9. Фуллерены. Нанотрубки.
10. Свойства вещества в сверхсильных магнитных полях. [Твердо установлено, что на поверхности нейтронных звезд магнитные поля достигают 10¹² Гс. Предполагается, что может существовать подкласс нейтронных звезд, так называемые "магнетары" ("магнитары"), у которых поля еще выше - до 10¹⁴-10¹⁵ Гс.]
11. Нелинейная физика: турбулентность, солитоны, хаос, странные аттракторы.
12. Разеры (Rasers), гразеры (Grasers) - лазеры на рентгеновских и гамма-лучах. [В данных энергетических диапазонах достаточно трудно получить инверсную населенность уровней, на которой работают "классические" лазеры, поэтому ищутся обходные пути. Получены достаточно интересные результаты.]
13. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра.
14. Спектр масс элементарных частиц. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. Кварк-глюонная плазма.
15. Единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий.
16. Стандартная модель. Массы нейтрино. Магнитные монополи. Фундаментальная длина. [В современной физике присутствует по крайней мере одна фундаментальная - планковская - длина:. Однако, в современных теориях предполагается, что наше пространство-время имеет не три пространственных измерения, а больше. Дополнительные измерения свернуты в кольца ("компактифицированы"). Долгое время предполагалось, что размеры свернутых измерений порядка планковской длины. Однако в последнее время была выдвинута идея, что по крайней мере одно или несколько свернутых измерений могут иметь существенно больший размер. Размер такого (таких) измерений и есть новая фундаментальная длина. На ней будет изменяться (становится круче) зависимость силы тяготения от расстояния. На сегодня Ньютоновский закон экспериментально проверен до масштабов порядка 0.01 см.]
17. Нелинейные феномены в вакууме и сверхсильных электрических полях.
18. Несохранение CP-инвариантности.
19. Струны. М-теория.
20. Экспериментальная проверка Общей Теории Относительности. [Неправильно думать, что именно ОТО предсказала отклонение луча света в гравитационном поле Солнца. Такое предсказание дает и классическая ньютоновская теория гравитации, в которой свет рассматривается как поток фотонов. Другое дело, что предсказания этих двух теорий отличаются ровно в два раза (у ОТО больше), и обнаружение этого различия и послужило первым экспериментальным подтверждением ОТО. А вот так называемая скалярная теория гравитации предсказывала отсутствие отклонения луча света и была отвергнута экспериментом.]
21. Гравитационные волны и их детектирование. [Потери энергии, с точностью до 0.1% согласующиеся с формулой Эйнштейна (т.е. с теорией относительности), обнаружены на основе многолетних наблюдений двойного пульсара B1913+16. А вот экспериментальной регистрации гравитационных волн еще не было, хотя завершаются работы по строительству нескольких наземных лазерных детекторов.]
22. Космологические проблемы. Инфляция. Связь космологии и физики высоких энергий.
23. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые.
24. Черные дыры. Космические струны.
25. Квазары и ядра галактик. Образование галактик.
26. Проблема темной материи и ее детектирование.
27. Поиск ультравысокоэнергичных космических лучей. [Протоны с энергией E > 3^.10¹⁹эВ из-за взаимодействия с фотонами реликтового излучения не могут распространяться на расстояние большее ~100 Мпк. Таким образом на более высоких энергиях должен наблюдаться завал в спектре космических лучей (его называют завалом Зацепина-Кузьмина-Грайзена). Однако экспериментальные наблюдения широких атмосферных ливней такого завала не показывали, частиц с энергиями выше порога наблюдалось неожиданно много.]
28. Гамма-всплески (GRB). Гиперновые. [Впервые гамма-всплески были зарегистрированы в 1968 году с военных американских спутников "Vela". В 1971 эту информацию рассекретили, тогда и появились первые публикации о них. Долгие годы основной считалась модель вспышек на нейтронных звездах в гало Галактики. Однако в 1997 г. было доказано, что гамма-всплески (по крайней мере часть их) происходят в других галактиках, удаленных на космологические расстояния. Следствием этого стало фантастически высокое энерговыделение в этих процессах (до 5^.10⁵⁴эрг у самых далеких GRB). Достижения буквально последнего года: а) связь гамма-всплесков (по крайней мере некоторых) со вспышками сверхновых б) заметная коллимация излучения гамма-всплесков (что приводит к снижению оценки выделяющейся в них энергии до ~5^.10⁵¹эрг).]
29. Нейтринная физика и астрономия. Осцилляции нейтрино. [Начиная с первого эксперимента по измерению потока нейтрино от Солнца (Дэвис, 1968 г., Хлор-Аргоновый детектор) наблюдалось несоответствие между теоретически ожидаемым потоком этих частиц и регистрируемым на Земле - регистрировалось примерно в 3 раза меньше. Долгое время это относили на неточность модели Солнца, затем на то, что измеряются нейтрино не от основного канала термоядерных реакций. Но проблема не поддавалась. За эти несколько десятилетий была высказана идея, что нейтрино могут осциллировать, т.е. одни сорта нейтрино могут превращаться в другие. В термоядерных реакциях на Солнце образовывются только электронные нейтрино, а из-за осцилляций на Землю приходил бы уже поток нейтрино трех (или двух) сортов, из которых на химических детекторах фиксировались только электронные нейтрино. Для осцилляций было необходимо, чтобы хотя бы один из трех сортов нейтрино имел ненулевую массу. В этом году факт осцилляции нейтрино был экспериментально доказан.]