Наномашины, сынок!
Сегодня у нас на повестке дня обширная тема – чего мы не знаем, но, возможно, уже хотим знать? Если взять физику, куда бы вы ни пошли, везде стены. И даже если что-то начнет работать в отношении постулатов или других костылей, то, копнув глубже, вы обязательно столкнетесь с новым вращением, которое вроде бы понятно, но что это такое и откуда оно берется, до сих пор неизвестно.
Как правило, при подготовке магистерской диссертации, а иногда и уже на уровне бакалавра, студенты не просто повторяют уже пройденный кем-то путь, в сотый раз проделывают один и тот же эксперимент или повторяют давно проверенные расчеты, а делают что-то новое, выйти за пределы известного мира. Да, зачастую это просто применение старых методов к новому материалу, причем не принципиально новому, а просто с новой пропорцией компонентов для заполнения статистических данных, но когда появляется аномалия и она повторяется, да, стоит много. Или когда понимаешь, что учебник неправильно трактует процесс, никакого аморфизма здесь нет, атомных слоев просто не хватает на все классические вершины... Однако меня увлекли воспоминания, как-то это чудесное чувство, когда вы чувствуете, что раздвигаете границы того, что знали. А когда оно публикуется в журнале и становится достоянием мировой науки, это неописуемое чувство!
Однако есть и недостаток – современная наука очень узкоспециализирована, даже самые громкие открытия последних лет имеют решающее значение только для своих областей, а новые теории будут томиться десятилетиями в ожидании опровержения или подтверждения. Докторскую диссертацию я защитил по научной специальности 1.3.8 «Физика конденсированного состояния» и практически ничего не могу сказать о ее 4-х разделах «Теоретическое и экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений, высокотемпературной плазмы на природу изменения физических свойств конденсированного вещества». Конечно, будучи студентом, я знаю основы, но как ученому мне потребовалось бы много дней, чтобы просто изучить последние работы в этой области, чтобы понять, о чем говорят на научной конференции.
Поэтому я не могу взять на себя ответственность за составление перечня современных проблем физики, но мне есть что предложить заинтересованному читателю: давайте взглянем на замечательную статью совершенно выдающегося человека - Виталия Лазаревича Гинзбурга:
Гинзбург В.Л. "Какие проблемы физики и астрофизики кажутся особенно важными и интересными сейчас (тридцать лет спустя, и уже на пороге XXI века)?" Физ наук 169 419-441 (1999).
Как следует из названия, этот обзор продолжает и развивает статью 1971 года, а также призван показать масштабы современной (на тот момент) физики. Однако гораздо более важная задача — вдохновлять и направлять молодое поколение физиков в тех областях науки, которые наиболее актуальны и интересны человечеству. Что ж, давайте взглянем на этот список и я постараюсь, насколько это возможно, рассказать вам, что входит в эти пункты и что с ними произошло за последние 25 лет.
Гинзбург В.Л читает лекцию
-
Управляемый ядерный синтез.
Управляемый термоядерный реактор всегда через 50 лет) Эта известная в узких кругах шутка основана на том, что человечеству регулярно обещают термоядерный реактор в ближайшие 50 лет, но очень долгое время он оставался реализованным только в научной фантастике - работает. Однако экспериментальный китайский термоядерный реактор Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST, токамак HT-7U), расположенный в городе Хэфэй провинции Аньхой, буквально творит чудеса и в этом году установил очередной рекорд по удержанию высокотемпературной плазмы за 403 секунды. А затем этот рекорд с результатом 1056 секунд был побит реактором HL-2A Юго-Западного института физики CNNC в Чэнду при температуре около 70 миллионов °C. Несмотря на то, что это число восьмизначное, для термоядерных реакторов оно не столь велико, этот реактор уже достиг температуры 150 миллионов °С, хотя и со значительно меньшим временем работы. В той или иной степени это реальная заявка на возможность запуска электроэнергетического реактора к 2030 году.
2. Высокотемпературная и комнатная сверхпроводимость.
Если вы внимательно следите за новостями, то сами знаете, что последнее громкое «открытие» оказалось ничем, и о реальных перспективах значительного увеличения нынешних рекордов сверхпроводимости, к сожалению, мне неизвестно.
3. Металлический водород. Другие экзотические вещества.
Наверняка, еще с первых уроков химии и знакомства с таблицей Менделеева вы слышали, что водород может иметь как металлические, так и неметаллические свойства. Однако получить чистый металлический водород пока не удалось, и моделирование показывает, что давление, необходимое для этого, находится за пределами человеческих возможностей, поскольку нам придется буквально вталкивать один атом в другой. Что ж, если нам удастся провернуть такой трюк, другие новые вещества будут созданы просто за счет отхода от геометрии атомных структур, состоящих из сфер.
4. Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты).
К сожалению, мне нечего вам здесь сказать; по сути, двумерная электронная жидкость представляет собой тонкую пленку проводящей жидкости, влияние которой в третьем измерении будет производить особые эффекты. Особый интерес представляет дробный эффект Холла (Нобель, 1998), поскольку он доказывает существование дробных зарядов - меньших заряда электрона, а поскольку он является таким зарядом, то и его носители являются такими же. Жидкость должна дать новый скачок по сравнению с газом, как это известно в опытах В.Л. Гинзбурга.
5. Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктура в полупроводниках, переходы металл-диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопия).
Но здесь можно писать и писать, но я постараюсь быть кратким. Гетеро- и наноструктуры составляют основу современной физики твердого тела. Лазеры, наночипы, преобразование солнечной энергии в электрическую, современная электроника и датчики — практически всё основано на этих элементах. Главным достижением в этой области, на мой взгляд, является открытие возможности и активное использование арсенида галлия, этой идеальной засранной дыры, готовой поглотить кучу разных добавок, сдвинуть, расширить или сузить запрещенную зону, но никак изменится кристаллическая структура, и, следовательно, у веществ с разными свойствами возникнет идеальная бездефектная граница.
6. Фазовые переходы второго рода и связанные с ними. Несколько примеров таких переходов. Охлаждение (особенно лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-Эйнштейновская конденсация в газах.
Конденсат Бозе-Эйнштейна (Нобелевская премия 2001 г.), как много в этом слове. Особое вещество, в котором останавливается даже свет. Может ли что-нибудь быть более удивительным для физика? Просто в прошлом году смогли сделать это не на мгновение, а на постоянной основе https://doi.org/10.1038/s41586-022-04731-z Надеюсь, в ближайшем будущем сделаем это увидеть много интересных результатов с его помощью, но в любом случае теперь пришло время задать новые вопросы, например, можно ли остановить время внутри этого конденсата?
7. Физика поверхности.
8. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики.
9. Фуллерены.
Пожалуй, я объединим эти 3 пункта в один, так как на мой взгляд все они сейчас интересны с одной точки зрения - замены полупроводниковой электроники. Под физикой поверхности В.Л. Гинзбург понимал физику всех нанообъектов, состоящих из поверхности, без возможности изолировать внутреннюю часть. Сегнетоэлектрические пленки, фуллерены, углеродные нанотрубки, графен — все они относятся к этой категории. Сможет ли FeRAM заменить уже известные флешки и SSD? Появятся ли квантовые ноутбуки на полках магазинов? В любом случае, мы ждем новых эффективных способов использования всех этих веществ или их новых модификаций.
10. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.
Прежде всего, это фундаментальный вопрос о нейтронных звездах: какие силы сжимают там атомы так, что электронная оболочка доходит до ядра? К сожалению, с экспериментальным исследованием здесь все печально, так как даже самые мощные магниты в сверхпроводящем состоянии хоть и генерируют сверхсильные магнитные поля в импульсном режиме, но это время составляет менее одной миллисекунды, а сам магнит будет скорее всего, будут существенно повреждены.
11. Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные достопримечательности.
Лет 5 назад я говорил, что это очень интересный раздел физики (а может и не физика, а логика, математика или теория игр), изучающий очень сложные реальные процессы с таким количеством факторов, что малейшее изменение одного из них приведет к изменению всех процессов в системе, эффект бабочки, вот и все. Этому было посвящено много статей, разобрано много примеров, но сейчас, на мой взгляд, все они меркнут по сравнению с нейросетями. Сможем ли мы предсказать их развитие? Насколько сложным должен быть ИИ, чтобы считаться человеком и возможна ли в принципе хоть какая-то модель человечества?
12. Мощные лазеры, лазеры-гравьеры.
Ну, это относительно просто, в 2020 году китайский SULF-лазер достиг мощности в 13 петаватт. Пета — это степень от 10 до 15, квадриллион. Единицей измерения рядом с терабайтом является петабайт. Но на самом деле такая мощность достигается за счет сверхкороткого времени излучения, всего 23 фемтосекунды. А сама передаваемая энергия составляет всего 300 джоулей, 5 секунд работы обычной 60-ваттной лампочки. Но для проведения экспериментов со сверхвысокими энергиями это очень важно, особенно для изучения атома.
13. Сверхтяжелые предметы. Экзотические ядра.
Последний обнаруженный сегодня элемент, Теннессиан, имеет номер 117, признан 30 декабря 2015 года, впервые получен в 2009 году. Оганессон, номер 118, был открыт немного раньше. Здесь все внимание обращено на остров стабильности элемента, поскольку и Теннесс, и Оганессон не встречаются в природе и имеют микросекундные периоды полураспада. Если удастся синтезировать сверхтяжелые ядра с магическим числом нуклонов, они могут оказаться гораздо более стабильными, чем их соседи. Но помимо вопросов о самой концепции острова стабильности, есть еще проблемы с магическими числами – останутся ли они такими же, как для «обычных» легких и средних атомов? Или их изменят квантовые эффекты и сверхплотность? Ждем новых результатов из Дубны; стабильные сверхтяжелые элементы расскажут нам многое о строении атомных ядер.
14. Масс-спектр. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика.
Как работают протоны, нейтроны и электроны? Можно ли получить отдельные кварки? Действительно ли при рождении Вселенной существовала кварк-глюонная плазма? Насколько глубоко мы можем заглянуть в природу сильной силы? Большинство этих вопросов остаются неизменными, хотя теоретических моделей заметно больше, кварк-глюонная плазма сейчас считается жидкостью, но экспериментальное подтверждение мы вряд ли увидим в ближайшие 20-30 лет.
15.
Обратите внимание: Титаник II спустят на воду в 2022 году.
Общая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. Бозоны W+ и Z®. Лептоны.Вероятно, это одно из немногих направлений в списке, которые можно закрыть. Теория развита, экспериментально доказана, описаны бозоны и лептоны. Связь между заряженными лептонами и их нейтрино не совсем очевидна, но относится либо к предыдущему, либо к следующему разделу.
16. Крупное объединение. Супер союз. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи.
Если с сочетанием слабого и электромагнитного взаимодействия все более-менее понятно, то как добавить сильное взаимодействие – очень интересный вопрос. В идеале для этого нужны суперэнергии, коллайдер для этих целей был бы размером со всю Солнечную систему, поэтому человечеству нужен принципиально иной подход. Возможно, лазеры смогут сделать что-то подобное, но пока всё на уровне даже не гармонических гипотез, а лишь идеологических предположений. С нейтрино тоже все сложно - оно должно иметь массу, так как в ней происходят колебательные процессы за счет переходов в другие нейтрино и антинейтрино (Нобелевская премия 2015), когда она будет определена, современную стандартную модель придется перекраивать, и мы поймали именно бозон Хиггса и заставили его как-то работать *намеренно прячет гравитон в шкафу*. Магнитный монополь - этой теме уже более 100 лет, но предпосылок для его открытия или создания у нас нет, но если он будет найден, то все современные теоретические представления электродинамики придется перекроить под новые уравнения Максвелла, это станет поистине мощным скачком в технологии. Но мое образование специалиста по магнитам говорит, что это в принципе невозможно.
17. Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Столкновение.
Об экспериментальном подтверждении существования бозона Хиггса, «частицы Бога», наверное, раструбили все СМИ, но это было уже 10 лет назад (Нобелевская премия 2013). Большой адронный коллайдер ушел на ремонт, но, очевидно, скоро вернется с новыми энергиями и новыми частицами, может быть, мы лучше изучим нейтрино, в любом случае новые открытия должны прояснить стандартную модель, а эта проблема давно назрела и сейчас является самой актуальной важно для физики элементарных частиц.
18. Несохранение CP-инвариантности.
Несмотря на столь странное название, описание самой проблемы можно написать иначе – Почему вокруг нас так мало антиматерии? Нарушение симметрии материи и антиматерии — очень важный теоретический вопрос; возможно, именно здесь начнется детальный анализ физики Большого взрыва и процессов, его вызвавших. Квантовая хромодинамика – теория сильного взаимодействия элементарных частиц – тоже подливает масла в огонь, потому что там есть симметрия и все хорошо. Современные идеи, которые могут объяснить это, упираются в необходимость существования новой частицы — аксиона, и это порождает собственную кучу вопросов. Давайте копнем дальше, хотя действие — всего лишь гипотеза, оно объясняет множество интересных эффектов.
19. Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме.
Вакуум, как много он в себе скрывает. На самом деле физический и технический вакуум — понятия родственные, но у них есть принципиальная разница — для физики удаление материи не столь критично; он должен удалить взаимодействие из системы. Итак, квантовый вакуум — это просто основное состояние материи. А в начале времен это был именно вакуум как особая среда со своими законами взаимодействия объектов, которая сама могла передавать разные волны. Проблема этого направления в том, что такой вакуум становится аналогом «эфира», а это очень непопулярный подход в наше время. Остается только надеяться на смельчаков, что, вопреки стереотипам, они смогут добиться научного прогресса в этой области
20. Стрингеры. М-теория.
21. Экспериментальная проверка общей теории относительности.
22. Гравитационные волны, их обнаружение.
Опять же, я хочу объединить 3 вопроса в один. Общая теория относительности посвящена теории гравитации, а специальная теория — теории скорости света. Теория струн должна дать начало новой квантовой теории гравитации. Гравитационные волны были открыты экспериментально (Нобелевская премия 2017 г.), поэтому формально пункты 21 и 22 просто закрыты. Однако именно они позволяют существенно продвинуть теорию струн, по крайней мере, отсекая лишнее. Например, в 2020 году были опровергнуты некоторые версии теории струн, основанные на определенных действиях, а сами эти действия были признаны невозможными. Тема очень сложная, это передний край современной квантовой и космической теории, но вот у меня вопрос - если сейчас мы скажем, что частицы - это не точки, а струны, не станет ли каждая точка на этой струне нитью? Поскольку мы делаем точку линией, что мешает нам сделать линию поверхностью, а затем добавить третье измерение? Я думаю, здесь есть более чем столетие работы для человечества
23. Космологическая проблема. Инфляция. Л член. Связь между космологией и физикой высоких энергий.
24. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые.
25. Черные дыры. Космические струны.
26. Квазары и ядра галактик. Образование галактик.
Мы расширяем ассоциацию, сейчас там уже 4 точки. К сожалению, я не астрофизик и очень сложно описать все эти проблемы, не начав перечислять конкретные новые объекты. Нобелевские премии 2011, 2019 и 2020 годов подтверждают важность новых открытий, возможности новых телескопов и фотографии горизонта событий черной дыры открывают огромные возможности для получения информации, экспериментально подтверждена общая теория относительности, что означает, что все это можно описать в его рамках. Но Вселенная поистине безгранична, поэтому эти точки никогда не закроются.
27. Проблема темной материи (скрытой массы) и ее обнаружения.
В начале 2010-х годов ученые активно изучали ряд столкновений галактик, поскольку данные телескопа Хаббл позволили проанализировать не только факты самого столкновения, но и возникшее в результате распределение масс. Тогда было подтверждено, что там есть объекты, имеющие массу, но не имеющие электромагнитного взаимодействия с окружением, т.е та же темная материя (DOI 10.1088/0004-637X/747/2/96). Однако это лишь подтверждает факт его существования; как определить ее местоположение без столкновения галактик пока не известно, но вряд ли в ближайшие 50-100 лет произойдет революция в этой области.
28. Происхождение космических лучей сверхвысоких энергий.
Если открыть учебник по астрофизике или космологии, где есть тема о космических лучах сверхвысоких энергий, то там категорически будет указано, что их источником является взрыв сверхновой. А вот что там происходит, как это влияет на конечные лучи, существуют ли такие лучи от Большого взрыва – это вопросы будущей физики.
29. Гамма-всплеск. Гиперновые.
Гамма-всплеск — это мощный всплеск гамма-излучения за доли секунды (от 10 миллисекунд до 2 секунд), возникающий в результате столкновения двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. А если две черные дыры столкнутся... Подобно тому, как взрыв гиперновой представляет собой огромный поток энергии, если он произойдет в ближайшем окружении нашей системы, то на Земле выжить будет невозможно. Однако, по оценкам, в нашей Галактике Млечный Путь подобные события происходят раз в 100 миллионов лет и, как правило, в далеких от нас частях, а ордовикско-силурийское вымирание произошло 450 миллионов лет назад. Это не одно вымирание, было как минимум 2 извержения с интервалом в 1 миллион лет, это могло быть вызвано и внутренними факторами - тогда вся жизнь была только в океанах и уровень/температура воды могли все кардинально изменить. Однако одна из гипотез предполагает, что 10-секундный взрыв гиперновой в шести тысячах световых лет от Земли разрушил почти весь озоновый слой, а это означает, что это создало условия для вымирания многих видов. Если бы в то время жизнь вышла на поверхность, это вымирание вполне могло бы превзойти пермское, но сейчас оно находится на втором месте.
30. Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции.
В разделе 16 я уже писал о Нобелевской премии 2015 года; это большой скачок в изучении нейтрино, и он очень важен для всей теории элементарных частиц. Помимо коллайдеров мы можем использовать сверхмощные космические лучи, но только в качестве наблюдателей. Нам остается только надеяться, что нам повезет и что нужный телескоп окажется в нужном месте в нужное время для их изучения, но пока мы знаем только верхний порог массы нейтрино, о конкретных значениях можно только мечтать.
Это такой большой список, но я хотел бы добавить пару пунктов.
Исторически материаловедение относилось больше к химии, чем к физике, но наноструктурированные материалы открывают новые вехи в науке и технике, и их не всегда можно отнести к физике поверхности 7 баллов. Новые материалы – это всегда сложный путь проб и ошибок; в первую очередь здесь меня ждут биобезопасные материалы для кибернетических протезов, чтобы их можно было беспрепятственно интегрировать в организм человека. В этом плане уже многое сделано, но их все еще пытаются изолировать от органики, чтобы можно было напрямую контактировать с «мясом». *10000010010100001111111010001000001100010000011000011101110000110000100001100101000011100010000010101010101010101010101010 1 0101010 010110000010000011111010000111100100001111011000011100010001000001100010000011000011100010001010010
Второй момент – это высокоэнтропийные сплавы. К ним относятся все, что имеет более 5 компонентов; для сплавов это много; любой, кто видел хотя бы трехэлементную фазовую диаграмму, меня прекрасно поймет. Это новый этап человечества, здесь много неизведанного и судятся новые этапы технического прогресса.
На этом, завершая, поблагодарим Виталия Лазаревича Гинзбурга за его титанический труд по популяризации науки, ведь и без этого его научная биография заслуживает отдельного рассказа.
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).