Физика сегодня — это мир, полный загадок и «наномашин», сынок! Куда ни посмотри, везде мы упираемся в границы понимания. Даже когда кажется, что найден рабочий постулат или «костыль» для теории, более глубокое изучение неизменно открывает новый, необъясненный поворот.
Радость открытия и вызовы узкой специализации
Студенческая и аспирантская работа — это не просто повторение пройденного. Это попытка выйти за пределы известного. Пусть иногда это лишь применение старых методов к новому материалу, но момент, когда обнаруживается аномалия или понимаешь, что учебник ошибается, — бесценен. Это чувство причастности к расширению границ знания, а затем и публикация в научном журнале — неописуемо.
Однако у современной науки есть оборотная сторона — крайняя узкая специализация. Даже громкие открытия часто значимы лишь в своей нише, а новые теории могут десятилетиями ждать подтверждения. Автор, защитивший докторскую по физике конденсированного состояния, признаётся, что не может компетентно судить о смежных разделах своей же специальности. Чтобы понять современные дискуссии в соседней области, потребуются недели погружения в литературу.
Путеводитель от классика: список Гинзбурга
Поэтому вместо субъективного списка проблем предлагается обратиться к классической работе выдающегося физика Виталия Лазаревича Гинзбурга «Какие проблемы физики и астрофизики кажутся особенно важными и интересными сейчас?», опубликованной в 1999 году. Этот обзор, продолжавший статью 1971 года, был призван показать масштаб науки на рубеже веков и вдохновить новое поколение. Давайте пройдёмся по этому списку и посмотрим, что изменилось за последние 25 лет.
Гинзбург В.Л. "Какие проблемы физики и астрофизики кажутся особенно важными и интересными сейчас (тридцать лет спустя, и уже на пороге XXI века)?" УФН 169 419-441 (1999).
Виталий Лазаревич Гинзбург читает лекцию
Управляемый ядерный синтез
Знаменитая шутка о том, что термоядерный реактор всегда «через 50 лет», понемногу теряет актуальность. Китайские токамаки, такие как EAST и HL-2A, ставят рекорды по удержанию высокотемпературной плазмы (сотни секунд при десятках миллионов градусов). Хотя до коммерческого реактора путь ещё долог, эти успехи — реальная заявка на возможный запуск энергетического прототипа к 2030-м годам.
Высокотемпературная и комнатная сверхпроводимость
Несмотря на периодические сенсационные заявления, прорыва здесь пока не случилось. Последние громкие «открытия» комнатной сверхпроводимости не подтвердились, и значительного повышения критических температур сверхпроводников в ближайшее время не ожидается.
Металлический водород. Другие экзотические вещества
Чистый металлический водород, предсказанный теорией, до сих пор не получен. Моделирование показывает, что для этого требуются колоссальные давления, недостижимые в современных лабораториях. Его создание откроет дорогу к целому классу новых экзотических материалов.
Двумерная электронная жидкость
Изучение проводящих тонких плёнок (двумерных электронных жидкостей) привело к открытию дробного квантового эффекта Холла (Нобелевская премия 1998 г.), доказавшему существование квазичастиц с дробным электрическим зарядом. Это направление остаётся важным для понимания квантовых явлений в низкоразмерных системах.
Некоторые вопросы физики твердого тела
Гетеро- и наноструктуры стали основой современной технологии. Лазеры, процессоры, солнечные батареи, датчики — всё это построено на управлении свойствами материалов на микро- и наноуровне. Ключевым достижением можно считать освоение таких материалов, как арсенид галлия, позволяющих создавать идеальные границы между веществами с разными свойствами.
Фазовые переходы второго рода и связанные с ними явления. Конденсат Бозе-Эйнштейна
Конденсат Бозе-Эйнштейна (Нобелевская премия 2001 г.) — состояние вещества при сверхнизких температурах, где атомы ведут себя как единое целое. Совсем недавно учёным удалось создать стабильный конденсат на постоянной основе, что открывает новые возможности для изучения квантовых явлений и, возможно, даже для экспериментов со «замедлением» света и времени.
Физика поверхности. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики. Фуллерены
Эти направления сегодня объединяет поиск альтернатив классической полупроводниковой электронике. Графен, углеродные нанотрубки, сегнетоэлектрические плёнки — все они представляют собой объекты, где поверхностные эффекты доминируют. Вопрос в том, смогут ли они привести к созданию принципиально новой энергонезависимой памяти (FeRAM) или даже квантовых компьютеров.
Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях
Это фундаментальная проблема, связанная с природой нейтронных звёзд, где поля чудовищной силы сжимают атомы. Экспериментальное изучение на Земле крайне сложно: самые мощные импульсные магниты создают нужные поля на доли миллисекунд и часто разрушаются в процессе.
Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос
Раздел, изучающий сложные системы, где малейшее изменение приводит к непредсказуемым последствиям (эффект бабочки). Сегодня этот подход находит новое дыхание в контексте исследования и прогнозирования поведения сложных нейронных сетей и искусственного интеллекта.
Мощные лазеры
Здесь достигнут впечатляющий прогресс: китайский лазер SULF в 2020 году достиг мощности в 13 петаватт. Хотя такая мощность достигается в сверхкороткие (фемтосекундные) импульсы, это критически важно для экспериментов в физике высоких энергий и изучения структуры вещества.
Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра
Синтезированы элементы вплоть до 118-го (оганессон). Главная цель — достичь «острова стабильности», где сверхтяжёлые ядра с «магическим» числом протонов и нейтронов могут существовать гораздо дольше. Это позволит глубже понять силы, удерживающие ядро вместе.
Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика
Вопросы о внутренней структуре протонов и нейтронов, о возможности выделения свободных кварков и свойствах кварк-глюонной плазмы остаются открытыми. Теория развивается, но экспериментальные подтверждения, особенно для плазмы, — дело далёкого будущего.
Объединённая теория слабого и электромагнитного взаимодействия
Это одна из самых успешных областей: теория создана, её предсказания (W± и Z⁰ бозоны) блестяще подтверждены экспериментально. Можно считать этот пункт в значительной степени закрытым.
Великое объединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи
Объединить сильное взаимодействие с электрослабым — задача невероятной сложности, требующая энергий, недостижимых в коллайдерах земного масштаба. У нейтрино, как доказано (Нобелевская премия 2015), есть масса, но её точное значение неизвестно. Открытие магнитного монополя перевернуло бы электродинамику, но пока это лишь гипотетический объект.
Физика высоких энергий и бозон Хиггса
Открытие бозона Хиггса (Нобелевская премия 2013) стало триумфом. Сейчас Большой адронный коллайдер, вернувшись после модернизации, ищет отклонения от Стандартной модели, которые укажут на новую физику.
Нарушение CP-инвариантности
Почему во Вселенной почти нет антиматерии? Нарушение симметрии между материей и антиматерией — ключ к пониманию эволюции Вселенной после Большого взрыва. Одним из кандидатов на объяснение является гипотетическая частица — аксион.
Нелинейные явления в вакууме. Фазовые переходы в вакууме
Современный квантовый вакуум — не пустота, а сложная среда. Изучение его свойств в сверхсильных полях граничит с концепцией «эфира», что делает эту область сложной и неоднозначной, но потенциально прорывной.
Теория струн, ОТО и гравитационные волны
Экспериментальная проверка общей теории относительности. Гравитационные волны, их обнаружение.
Гравитационные волны обнаружены (Нобелевская премия 2017), что блестяще подтвердило ОТО. Теперь эти волны стали новым инструментом астрономии. Их изучение также помогает проверять и отсеивать различные варианты теории струн, которая претендует на роль теории квантовой гравитации. Работа здесь — на столетия вперёд.
Космология и астрофизика
Космологическая проблема. Нейтронные звезды. Чёрные дыры. Квазары.
Открытия сыплются как из рога изобилия: прямое изображение горизонта событий чёрной дыры, детальное изучение нейтронных звёзд, подтверждение модели ускоренного расширения Вселенной (несколько Нобелевских премий). ОТО подтверждается, но масштабы Вселенной гарантируют, что новые загадки будут появляться всегда.
Тёмная материя
Её существование подтверждено косвенными наблюдениями (например, при столкновениях галактик). Однако природа тёмной материи и методы её прямого обнаружения остаются, пожалуй, главной загадкой современной космологии. Прорыв здесь вряд ли случится быстро.
Космические лучи сверхвысоких энергий и гамма-всплески
Известно, что источники таких лучей — катастрофические события вроде взрывов сверхновых или слияния нейтронных звёзд. Короткие гамма-всплески от таких слияний — одни из самых мощных выбросов энергии во Вселенной. Есть гипотезы, что подобные события в относительной близости от Земли могли вызывать массовые вымирания в прошлом.
Нейтринная физика и астрономия
Открытие нейтринных осцилляций (Нобелевская премия 2015) доказало, что у нейтрино есть масса, что выходит за рамки Стандартной модели. Нейтринная астрономия позволяет заглянуть в недра звёзд и ядер галактик, но для точного определения массы нейтрино нужны новые эксперименты и, возможно, удача.
Что добавить к списку сегодня?
Спустя 25 лет хочется дополнить этот титанический труд Гинзбурга.
1. Новые материалы и наноструктуры. Материаловедение, особенно создание биосовместимых материалов для интеграции с живыми тканями (кибернетические протезы) или высокоэнтропийных сплавов (сложные многокомпонентные системы), — это передний край, сулящий технологические революции.
2. Физика сложных систем и искусственный интеллект. Моделирование и понимание таких систем, как климат, мозг или глобальные нейросети, требуют новых физических и математических подходов, стирающих границы между дисциплинами.
Завершая, стоит ещё раз поблагодарить Виталия Лазаревича Гинзбурга не только за фундаментальный вклад в науку, но и за его титанический труд по её популяризации и структурированию наших знаний о самых важных проблемах мироздания.
Подпишитесь, чтобы не пропустить новые интересные публикации!
Автор статьи — Сергей Васильев
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Современные проблемы физики (30+25 лет спустя).