Физика элементарных частиц.

  Наиболее фундаментальной проблемой Физика было и остаётся исследование материи на самом глубоком уровне – уровне элементарных частиц. Накоплен огромный экспериментальный материал по взаимодействиям и превращениям элементарных частиц, произвести же теоретическое 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 нерешенной задача о теоретическом определении спектра масс элементарных частиц. Возможно, для решения этой проблемы и устранения бесконечностей в квантовой теории поля необходимо введение некоторой фундаментальной длины , которая ограничивала бы применимость обычных представлений о пространстве-времени как о непрерывной сущности. До расстояний порядка 10^-15см и соответственно времён t ~ l/c ~ 10^-25сек обычные пространственно-временные соотношения, по-видимому, справедливы, но на меньших расстояниях, возможно, они нарушаются. Делаются попытки введения фундаментальной длины в единой теории поля (Гейзенберг 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 Физика элементарных частиц и атомного ядра позволило приблизиться к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях развития, эволюция звёзд и образование химических элементов. Однако, несмотря на огромные достижения, перед современной астрофизикой стоят и нерешенные проблемы. Остаётся неясным, каково состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри звёзд и «чёрных дыр». Не выяснена физическая природа квазаров и радиогалактик, причины вспышек сверхновых звёзд и появления всплесков g-излучения. Непонятно, почему попытки обнаружения солнечных нейтрино, которые должны рождаться в недрах Солнца при термоядерных реакциях, к успеху не привели (см. Нейтринная астрономия). Не выявлен полностью механизм ускорения заряженных частиц (космических 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 современной Физика 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 поисками путей эффективного использования основных 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 последовательные 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 ориентаций их спинов.

  Значительный интерес представляет возможность экспериментального обнаружения долгоживущих элементов с атомными номерами около 114 и 126 (т. н. островов стабильности), которые предсказываются теорией.

  Одна из важнейших задач, которую предстоит решить Физика, – проблема управляемого термоядерного синтеза. В большом масштабе ведутся экспериментальные и теоретические 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: 10¹²–10¹³вт, причём расходимость светового пучка составляет всего около 10^-4рад. Напряжённость электрического 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 теоретический и практический 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 температур, при которых возможно осуществление термоядерных реакций. Стоит задача поисков новых применений лазерного излучения, например для связи в космосе.

  Главные проблемы, которые 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. Физика твёрдого тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными свойствами в отношении механической прочности, теплостойкости, электрических, магнитных и оптических 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 Физика и техники, в том числе решило бы проблему передачи электрической энергии на большие расстояния практически без потерь.

  Весьма интересная проблема – исследование физических свойств твёрдого и жидкого гелия-3 при сверхнизких (ниже 3×10^-3 К) температурах. Твёрдый гелий-3 должен быть, по-видимому, единственным обменным ядерным антиферромагнетиком. Жидкий гелий-3 – простейшая ферми-жидкость, теория которой составляет существенный предмет квантовой статистики.

  Большой научный и практический интерес представляет получение металлического водорода и изучение его физических свойств. Он должен быть уникальным физическим объектом, т.к. его решётка состоит из протонов. Полагают, что металлический водород будет обладать рядом необычных свойств, изучение которых может привести к принципиально новым открытиям в Физика В институте физики высоких давлений АН СССР сделаны первые шаги в этом направлении – обнаружен переход в металлическое состояние тонких плёнок твёрдого водорода при температуре 4,2 К и давлении около 1 Мбар.

  Разрабатываются новые направления исследования твёрдых тел акустическими методами: акустоэлектроника (взаимодействие акустических волн с электронами в полупроводниках, металлах и сверхпроводниках), акустический ядерный и парамагнитный резонансы, определение фононного спектра и дисперсионных кривых.

  Следует отметить, что развитие традиционных направлений Физика твёрдого тела часто приводит к неожиданным открытиям новых физических явлений или материалов с существенно новыми свойствами, как, например, Джозефсона эффект, полупроводники с гетеропереходами, сверхпроводники 2-го рода, квантовые кристаллы, нитевидные кристаллы и др.

  Несмотря на достигнутые успехи, необходимо разрабатывать принципиально новые физические методы получения более надёжных и миниатюрных полупроводниковых устройств (см. Микроэлектроника, Функциональная электроника), методы получения более высоких давлений, сверхнизких температур и т.п.

  Большое значение имеет изучение Физика полимеров с их необычными механическими и термодинамическими свойствами, в частности биополимеров, к которым 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, радиационные пояса и ионосфера Земли и др. Во-вторых, именно в высокотемпературной плазме имеется реальная возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза.

  Основные уравнения, описывающие плазму, хорошо известны. Однако процессы в плазме столь сложны, что предсказать её поведение в различных условиях весьма трудно. Главная проблема, стоящая перед Физика плазмы, – разработка эффективных методов разогрева плазмы до температуры 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 современной Физика не сводятся к перечисленным; свои проблемы имеются во всех разделах Физика, и общее число их столь велико, что они не могут быть здесь приведены.

Физика.
I. Предмет и структура физики
II. Основные этапы развития физики
Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.).
Классическая физика (19 в.).
Релятивистская и квантовая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц (конец 19 – 20 вв.).
III. Фундаментальные теории физики
Механика сплошных сред.
Термодинамика.
Электродинамика.
Частная (специальная) теория относительности. Релятивистская механика.
Квантовая механика.
Квантовая статистика.
Квантовая теория поля (КТП).
Принципы симметрии и законы сохранения.
IV. Современная экспериментальная физика
V. Некоторые нерешенные проблемы физики
Физика элементарных частиц.
VI. Связь физики с другими науками и техникой