Современные проблемы физики (30+25 лет спустя)

Nanomachines, son!

Давненько я не писал ничего про нанотехнологии, но сегодня у нас на повестке дня куда более обширная тема — а что мы не знаем, но уже можем хотеть знать? Если брать физику — да тут куда не дернись, везде стены. И даже если что‑то начинает работать с учетом постулатов или еще каких костылей, то при копке поглубже обязательно уткнешься в очередной спин, который вроде и понятный, но что это и откуда не известно до сих пор.

Как правило, при подготовке магистерской диссертации, а иногда и уже на уровне бакалавриата, студенты не просто повторяют уже пройденный кем‑то путь, делая в сотый раз один и тот же эксперимент или повторяя давно выверенные расчеты, а делают нечто новое, выходят за пределы известного мира. Да, часто это просто применение старых методов к новому материалу, причем не принципиально новому, а просто с новой пропорцией компонент для заполнения статистических данных, но когда там выскакивает аномалия и она повторяется, о да, это дорогого стоит. Или когда ты понимаешь, что учебник трактует процесс неправильно, нет тут никакой аморфности, просто атомных слоев недостаточно для всех классических пиков… Впрочем это я увлекся своими воспоминаниями, так или иначе это прекрасное чувство, когда ты ощущаешь, как сам раздвигаешь границы изведанного. А уж когда это публикуется в журнале и становится достоянием мировой науки, непередаваемое чувство!

Однако есть и обратная сторона — современная наука очень узкоспециализирована, даже самые громкие открытия последних лет критичны только для своих областей, а новые теории протомятся не один десяток лет в ожидании, когда их смогут опровергнуть или подтвердить. Я защитил свою кандидатскую диссертацию по научной специальности 1.3.8 «Физика конденсированного состояния» и практически ничего не могу рассказать про ее 4ый пункт «Теоретическое и экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений, высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ». То есть разумеется, как студент я в курсе основ, но как ученому мне понадобится немало дней просто для изучения последних работ в этой области, что бы банально понимать о чем говорят на научной конференции.

Поэтому и взять на себя ответственность подготовить список современных проблем физики я не могу, однако мне есть что предложить заинтересованному читателю: давайте вместе ознакомимся с одной замечательной статьей безусловно выдающегося человека — Виталия Лазаревича Гинзбурга:

Гинзбург В. Л. «Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже на пороге ХХI века)?» УФН 169 419–441 (1999).

Как очевидно из названия, этот обзор продолжает и развивает статью 1971 года, и также ставит своей целью не только показать масштабы современной (на тот момент физики). Однако куда более важная задача — вдохновить и направить молодое поколение физиков в те области науки, которые наиболее актуальны и интересны для человечества. Ну что же, давайте посмотрим уже на этот список, а я постараюсь по мере возможности рассказать, что именно входит в пункты и что с ними стало за прошедшие 25 лет.

1. Управляемый ядерный синтез.

До управляемого термояда всегда 50 лет) Эта известная в узких кругах шутка основывается на том, что человечеству регулярно обещают термоядерный реактор в ближайшие 50 лет, но очень долго он оставался реализован только в научно‑фантастических произведениях. Однако экспериментальный китайский термоядерный реактор Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST, токамак HT-7U), расположенный в городе Хэфэй провинции Аньхой творит буквально чудеса и в этом году установил очередной рекорд по удержанию высокотемпературной плазмы в 403 секунды. А потом этот рекорд побил с результатом в 1056 секунд реактор HL-2A в Юго‑Западном институте физики при CNNC в Чэнду, при этом температура была порядка 70 млн °C. Несмотря на то, что данное число является восьмизначным, для термоядерных реакторов оно не такое большое, этот ректор уже достигал 150 млн °C, пусть и при значительно меньшем времени работы. Так или иначе, это реальная заявка на возможность запуска электрогенерирующего реактора к 2030 году.

2. Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость.

Если Вы внимательно следите за новостями, то и сами знаете, что последнее громкое «открытие» оказалось ничем, и, к сожалению, о реальных перспективах заметно увеличить текущие рекорды сверхпроводимости мне не известно. На всякий случай оставлю ссылку на нашу новостную заметку https://vk.com/wall-130 222 883_13 264

3. Металлический водород. Другие экзотические вещества.

Наверняка еще с первых уроков химии и знакомства с таблицей Менделеева, Вы слышали, что водород может обладать как металлическими, так и неметаллическими свойствами. Однако получить чисто металлический водород еще не получилось, а моделирование говорит нам о том, что требуемые для этого давления находятся за пределами возможностей человечества, поскольку нам надо буквально вдавить один атом в другой. Ну а если мы сможем проворачивать такой фокус, то и другие новые вещества будут получаться просто за счет отхода от геометрии атомных структур из шариков.

4. Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты).

К сожалению тут мне нечего рассказать, по сути двумерная электронная жидкость это тонкая пленка проводящей жидкости, воздействия на которую в третьем измерении будут давать особые эффекты. Особый интерес представляет дробный эффект Холла (Нобелевка 1998), поскольку он доказывает существование дробных зарядов — меньше заряда электрона, а раз такой заряд есть, то есть и его носители. Жидкость должна дать новый скачок по отношению к газу, с которым проводились известные В.Л. Гинзбургу эксперименты.

5. Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктура в полупроводниках, переходы металл — диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика).

Зато тут можно писать и писать, но постараюсь все же кратко. Гетеро и наноструктуры — основа современной физики твердого тела. Лазеры, наночипы, преобразование солнечной энергии в электрическую, современная электроника и датчики, практически все зиждется на этих элементах. Главное достижение в этой сфере на мой взгляд — открытие потенциала и активное применение арсенида галлия, этого идеального засранца, готового впитать в себя кучу разных добавок, сместить, расширить или сузить запрещенную зону, но никак при этом не поменять кристаллическую структуру, а значит у веществ с разными свойствами будет идеальная бездефектная граница.

6. Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе‑эйнштейновская конденсация в газах.

Конденсат Бозэ‑Эйнштейна (Нобелевка 2001), как много в этом слове. Особое вещество, в котором даже свет останавливается, может ли что‑то быть еще более удивительным для физика? Разве что только тот факт, что в прошлом году его смогли создать не на мгновения, а в постоянном режиме https://doi.org/10.1038/s41 586–022–04 731-z Надеюсь в ближайшее время мы увидим много интересных результатов с ним, но в любом случае именно сейчас самое время задавать новые вопросы, например можно ли будет остановить время внутри этого конденсата?

7. Физика поверхности.

8. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики.

9. Фуллерены.

Пожалуй объединю эти 3 пункта в один, поскольку на мой взгляд они все интересны сейчас с одной точки зрения — замены полупроводниковой электроники. Под физикой поверхности В.Л. Гинзбург понимал физику всех нанообъектов, состоящих из поверхности, без возможности выделить внутреннюю часть. Сегнетоэлектрические пленки, фуллерены, углеродные нанотрубки, графен — все они в этой категории. Сможет ли FeRAM заменить уже привычные флешки и SSD? Появятся ли квантовые ноутбуки на прилавках магазинов? В любом случае ждем новых эффективных способов использования всех этих веществ, ну или их новых модификаций.

10. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.

В первую очередь это фундаментальный вопрос про нейтронные звезды, какие силы там сжимают атомы так, что электронная оболочка полностью входит в ядро? К сожалению с экспериментальным изучением тут все грустно, поскольку даже самые мощные магниты в сверхпроводящем состоянии хоть и генерируют сверхсильные магнитные поля в импульсном режиме, но это время меньше одной миллисекунды, а сам магнит, скорее всего, будет значительно поврежден.

11. Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы.

Лет 5 бы назад, я сказал что это очень интересный раздел физики (а может и не физики, а логики, математики или теории игр), изучающий очень сложные реальные процессы с таким количеством факторов, что малейшее изменение одного из них приведет в изменению всех процессов в системе, эффект бабочки, вот это вот все. Этому посвящено уйма статей, разобрано куча примеров, но сейчас, на мой взгляд, все они меркнут перед нейронными сетями. Сможем ли мы предугадывать их развитие? Насколько должен быть сложен ИИ, что бы его посчитали за личность, возможна ли в принципе хоть какая‑то модель человечности?

12. Сверхмощные лазеры, разеры, гразеры.

Ну тут сравнительно просто, в 2020 году китайский лазер SULF достигнул мощности 13 петаватт. Пета это 10 в 15 степени, квадриллион. Следующая за терабайтом единица измерения информации петабайт. Но на самом деле такая мощность достигается за счет сверхмалого времени излучения, всего 23 фемтосекунды. А сама переданная энергия — всего 300 джоулей, 5 секунд работы обычной 60 ваттной лампочки. Но для проведения эксперимент со сверхвысокими энергиями это очень важно, особенно для заглядывания внутрь атома.

13. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра.

Последний открытый на сегодня элемент Теннессин носит 117 номер, признан 30 декабря 2015 года, впервые получен в 2009. Оганесон под 118 номером был открыт немного раньше. Здесь все внимание к Острову стабильности элементов, поскольку что Теннессин, что Оганесон в природе не встречаются и имеют микросекундные периоды полураспада. Если удастся синтезировать сверхтяжелые ядра с магическими числами нуклонов, они могут оказаться куда стабильнее своих соседей. Однако помимо вопросов к самой концепции Острова стабильности, есть и проблемы с магическими числами — останутся ли они такими же, как и у «обычных» легких и средних атомов? Или квантовые эффекты и сверхплотность их изменят? Ждем новых результатов из Дубны, стабильные сверхтяжелые элементы многое расскажут о структуре атомных ядер.

14. Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика.

Как устроены протон, нейтрон и электрон? Можно ли получить отдельные кварки? Действительно ли при зарождении вселенной была кварк‑глюонная плазма? Насколько глубоко мы можем заглянуть в природу сильного взаимодействия? Большая часть этих вопросов остается без изменений, хотя теоретических моделей стало заметно больше, кварк‑глюонная плазма теперь считается жидкость, но экспериментального подтверждения вряд ли мы дождемся в ближайшие 20–30 лет.

15. Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W+ и Zо бозоны. Лептоны.

Наверно это одно из немногих указанных в списке направлений, которое можно закрыть. Теория разработана, экспериментально доказана, бозоны и лептоны описаны. Связь заряженных лептонов и их нейтрино не совсем очевидна, но относится либо к предыдущему, либо к следующему разделу.

16. Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи.

Если с объединением слабого и электромагнитного взаимодействия все более‑менее понятно, то вот как туда добавить сильное — это очень интересный вопрос. Идейно для этого нам нужны сверхэнергии, коллайдер для этих целей будет со всю солнечную систему, поэтому человечеству нужен принципиально другой подход. Возможно как раз лазеры смогут сделать нечто подобное, но пока это все на уровне даже не стройных гипотез, а только идейных предположений. С нейтрино все тоже сложно — масса у него должна быть, поскольку у него есть колебательные процессы по переходы в другие нейтрино и анти‑нейтрино (Нобелевка 2015), когда ее определят — придется перекраивать современную Стандартную модель, а мы только‑только поймали бозон Хиггса и заставили ее хоть как‑то работать *усиленно прячет гравитон в шкаф*. Магнитный монополь — этой теме уже больше 100 лет, но никаких предпосылок к его обнаружению или созданию у нас нет, но если найдет — то все современные теоретические представления о электродинамике придется перекраивать под новые уравнения Максвелла, вот это будет реально резкий скачок в технологиях. Но мое образование магнитчика говорит, что это в принципе не возможно.

17. Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры.

Про экспериментальное подтверждение существования бозона Хиггса, «частицы Бога», наверно трубили все СМИ, но это было уже 10 лет назад (Нобелевка 2013). Большой адронный коллайдер ушел в ремонт, но явно скоро вернется с новыми энергиями и новыми частицами, может и нейтрино изучим получше, в любом случае новые открытия должны уточнить Стандартную модель, а этот вопрос уже давно назрел и сейчас является самым важным для физики элементарных частиц.

18. Несохранение СР‑инвариантности.

Несмотря на такое странное название, само описание проблемы можно записать иначе — Почему вокруг нас так мало антивещества? Нарушение симметрии вещества и антивещества это очень важный теоретический вопрос, возможно именно с него начнется подробный разбор физики Большого взрыва и вызвавших его процессов. Масла в огонь подливает и квантовая хромодинамика — теория сильного взаимодействия элементарных частиц — ибо там симметрия есть и все хорошо. Текущие идеи, которые могут это объяснить, упираются в необходимость существования новой частицы — аксиона, а он порождает свою кучу вопросов. Копаем дальше, пока аксион это только гипотеза, но зато объясняющая много интересных эффектов.

19. Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме.

Вакуум, как много он в себе таит. На самом деле физический и технический вакуум это родственные понятия, но имеющие фундаментальное отличие — для физики не столь критично удаление вещества, ей необходимо убрать взаимодействие из системы. Так, квантовый вакуум это просто основное состояние вещества. И в начале времен был именно он, вакуум как особая среда со своими законами взаимодействия объектов, которая может сама передавать различные волны. Беда этого направления в том, что такой вакуум становится аналогом «эфира», а это очень непопулярный в наше время подход. Остается надеяться на смельчаков, что смогут вопреки стереотипам добиться научного прогресса в этой сфере

20. Струны. М‑теория.

21. Экспериментальная проверка общей теории относительности.

22. Гравитационные волны, их детектирование.

Снова объединю 3 вопроса в один. Общая теория относительности — это про теорию гравитации, а специальная — про скорость света. Теория струн должна породить новую квантовую теорию гравитации. Гравитационные волны обнаружены экспериментально (Нобелевка 2017), поэтому формально 21 и 22 пункты просто закрыты. Однако именно они позволяют заметно продвинуть теорию струн вперед, по крайней мере отсекая лишнее. Например в 2020 году были опровергнуты некоторые версии теории струн, основанные на особых аксионах, а сами эти аксионы признали невозможными. Тема очень сложная, это передовой край современной квантовой и космической теории, но вот в чем мой вопрос — если сейчас мы говорим, что частицы это не точки, а струны, не станет ли потом каждая точка этой струны нитью? Раз уж мы превращаем точку в линию, что мешает нам линию сделать поверхность, а потом добавить еще и третье измерение? Думаю тут человечеству работы не на одно столетие

23. Космологическая проблема. Инфляция. L‑член. Связь между космологией и физикой высоких энергий.

24. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды.

25. Черные дыры. Космические струны.

26. Квазары и ядра галактик. Образование галактик.

Расширяем объединение, теперь аж 4 пункта. К сожалению я не астрофизик, да и описать все эти проблемы очень сложно, не начиная перечислять конкретные новые объекты. Нобелевки 2011, 2019 и 2020 подтверждают важность новых открытий, возможности новых телескопов и фотографии горизонта событий черной дыры открывают огромный простор для получения информации, общая теория относительности экспериментально подтверждена, а значит можно все это описывать ее рамках. Но Вселенная воистину безгранична, поэтому эти пункты никогда не будут закрыты.

27. Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирования.

В начале 2010-х ученые активно изучали ряд столкновений галактик, поскольку данные телескопа Хаббл позволяли проанализировать не только сам факт столкновения, но и получающееся распределение массы. Тогда и было подтверждено, что там находятся объекты, у которых есть масса, но нет электромагнитного взаимодействия с окружением, то есть та самая темная материя (DOI 10.1088/0004–637X/747/2/96). Однако это подтверждает лишь факт ее существования, как определять ее местоположение без столкновения галактик пока не известно, но вряд ли ближайшие лет 50–100 совершат революцию в этой сфере.

28. Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией.

Если открыть какой‑нибудь учебник по астрофизике или космологии, где есть тема космических лучей со сверхвысокой энергией, там будет безапелляционно заявлено, что их источник — взрыв сверхновой. Но что именно там происходит, как это влияет на итоговые лучи, есть ли такие лучи от Большого взрыва — это вопросы физики будущего.

29. Гамма‑всплески. Гиперновые.

Гамма‑всплеск это огромный выброс гамма излучения за доли мгновения (от 10 миллисекунд до 2 секунд) происходящий в результате столкновения двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. А уж если две черные дыры столкнутся… Так же как и взрыв гиперновой — это огромный поток энергии, если он произойдет в ближайшем окружении нашей системы — выжить на Земле будет невозможно. Однако по оценкам в нашей галактике Млечный путь такие события происходят раз в 100 млн лет, и как правило, в дальних от нас частях, однако 450 млн лет назад произошло ордовикско‑силурийское вымирание. Это не одно вымирание, их было как минимум 2 всплеска с разбежкой в 1 млн лет, оно могло быть вызвано и внутренними факторами — тогда вся жизнь была только в океанах и уровень/температура воды могли все резко изменить. Однако одна из гипотез говорит о том, что 10 секундная вспышка гиперновой в шести тысячах световых лет от Земли снесла почти весь озоновый слой, а значит создала условия для вымирания многих видов. Если бы к тому времени жизнь выбралась на поверхность, это вымирание вполне могло переплюнуть пермское, но сейчас оно на втором месте.

30. Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции.

В 16 пункте я уже писал о Нобелевке 2015 года, это огромный скачок в изучении нейтрино и он очень важен для всей теории элементарных частиц. Помимо коллайдеров мы можем использовать сверхмощные космические лучи, но только как наблюдатели. Остается надеяться, что нам повезет, и правильный телескоп окажется в правильном месте в правильное время, что бы их изучить, а пока — мы знаем только верхний порог массы нейтрино, о конкретных значениях можно только мечтать.

Вот такой замечательный список, но я бы хотел добавить пару пунктов.

Исторически материаловедение относилось скорее к химии, чем к физике, однако наноструктурированные материалы открывают новые вехи в науке и технике, при этом не всегда их можно отнести к физике поверхности 7 пункта. Новые материалы это всегда трудный путь проб и ошибок, в первую очередь тут я жду биобезопасные материалы для кибернетических протезов, позволяющие беспроблемно интегрировать их в человеческое тело. Уже очень многое сделано в этом плане, но их все еще стараются изолировать от органики, вот бы можно было контачить напрямую с «мясом». *100 000 100 101 000 011 111 010 001 000 001 100 010 000 011 000 011 101 110 000 110 000 100 001 100 101 000 011 100 010 000 111 100 100 000 100 001 101 101 000 011 010 110 000 010 000 011 110 100 001 111 001 000 011 110 110 000 111 000 100 010 000 011 000 100 000 110 000 111 000 100 010 011 101 000 011 010*

Второй пункт — высокоэнтропийные сплавы. К ним относят все то, что имеет больше 5 компонентов, для сплавов это очень много, кто видел хотя бы 3х элементную фазовую диаграмму прекрасно меня поймет. Это новый этап для человечества, там много всего неизведанного и судящего новые этапы технического прогресса.

На сим я заканчиваю, поблагодарим Виталия Лазаревича Гинзбурга за его титанический труд в области популяризации науки, ведь и без этого его научная биография заслуживает отдельного рассказа.

Автор: Сергей Васильев

Оригинал