IV. Современная экспериментальная физика

Ещё в нач. 20 в. такие эпохальные открытия, как открытие Резерфордом атомного ядра, можно было делать с помощью сравнительно простой аппаратуры. Но в дальнейшем эксперимент стал очень быстро усложняться и экспериментальные установки начали приобретать промышленный характер. Неизмеримо возросла роль измерительной и вычислительной техники. Современные экспериментальные исследования в области ядра и элементарных частиц, радиоастрономии, квантовой электроники и Ф. твёрдого тела требуют небывалых масштабов и затрат средств, к-рые зачастую доступны лишь крупным гос-вам или даже группам гос-в с развитой экономикой.

Огромную роль в развитии ядерной Ф. и Ф. элементарных частиц сыграли разработка методов наблюдения и регистрации отд. актов превращений элементарных частиц (вызванных их столкновениями друг с другом и с атомными ядрами) и создание ускорителей заряженных частиц, положившее начало развитию Ф. высоких энергий. Открытие В. И. Векслером

(1944) и независимо Э. М. Макмилланом (1945) принципа автофазировки повысило предел достижимых энергий частиц в тысячи раз. Ускорители со встречными пучками значительно увеличили эффективную энергию столкновения частиц. Были созданы высокоэффективные счётчики заряженных частиц, действие к-рых основано на различных принципах: газоразрядные, сцинтилляционные, черенковские и др. Фотоумножители позволяют регистрировать единичные фотоны. Наиболее полную и точную информацию о событиях микромира получают с помощью пузырьковой и искровой камер и толстослойных фотоэмульсий, в к-рых можно непосредственно наблюдать следы (треки) пролетевших заряженных частиц. Построены детекторы, позволяющие регистрировать редчайшие события - столкновения нейтрино с атомными ядрами.

Подлинная революция в экспериментальном исследовании взаимодействий элементарных частиц связана с применением ЭВМ для обработки информации, получаемой от регистрирующих устройств. Для фиксации маловероятных процессов приходится анализировать десятки тысяч фотографий треков. Вручную это заняло бы столь много времени, что получение нужной информации стало бы практически невозможным. Поэтому изображения треков с помощью спец. устройств преобразуются в серию электрич. импульсов и дальнейший анализ треков производится с помощью ЭВМ. Это чрезвычайно сокращает время между экспериментом и получением обработанной информации. В искровых камерах регистрация и анализ треков частиц осуществляются автоматически с использованием ЭВМ непосредственно в экспериментальной установке.

Значение ускорителей заряженных частиц определяется след. обстоятельствами. Чем больше энергия (импульс) частицы, тем меньше (согласно принципу неопределённости) размеры объектов или их деталей, к-рые можно различить при столкновениях частицы с объектом. К 1977 эти минимальные размеры составляют 10^-15 см. Изучая рассеяние электронов высокой энергии на нуклонах, удалось обнаружить элементы внутр. структуры нуклонов - распределение электрич. заряда и магнитного момента внутри этих частиц (т. н. формфакторы). Рассеяние электронов сверхвысоких энергий на нуклонах указывает на существование внутри нуклонов нескольких отдельных образований сверхмалых размеров, названных партонами. Возможно, пар-тоны представляют собой гипотетические кварки.

Другая причина интереса к частицам высоких энергий - рождение при их столкновениях с мишенью новых частиц всё большей массы. Всего известно 34 стабильных и квазистабильных (т. е. не распадающихся за счёт сильных взаимодействий) частиц (с античастицами) и более двухсот резонансов, причём подавляющее их число открыто на ускорителях. Исследование рассеяния частиц сверхвысоких энергий должно способствовать выяснению природы сильных и слабых взаимодействий.

Изучены самые различные типы ядерных реакций. На ускорителе Объединённого ин-та ядерных исследований в г. Дубне впервые осуществлено столкновение релятивистских ядер. Успешно идёт синтез трансурановых элементов. Получены ядра антидейтерия, антитрития и антигелия. На ускорителе в Серпухове открыта новая закономерность сильных взаимодействий - рост полного сечения взаимодействия адронов очень высоких энергий при их столкновении с увеличением энергии столкновения (т. н. серпуховский эффект).

Развитие радиофизики получило новое направление после создания радиолокационных станций во время 2-й мировой войны 1939-45. Радиолокаторы нашли широкое применение в авиации и мор. транспорте, в космонавтике. Была осуществлена локация небесных тел: Луны, Венеры и др. планет, а также Солнца. Сооружены гигантские радиотелескопы, улавливающие излучения космич. тел со спектральной плотностью потока энергии 10^-26 эрг/см²*сек*гц. Информация о космич. объектах неизмеримо возросла. Были открыты радиозвёзды и радиогалактики с мощным излучением в диапазоне радиоволн, а в 1963 - наиболее удалённые от нас квазизвёздные объекты- квазары. Светимость квазаров в сотни раз превышает светимость ярчайших галактик. Разрешающая способность совр. радиотелескопов, использующих передвижные антенны, управляемые ЭВМ, достигает угловой секунды (для излучения с длиной волны в неск. см). При разносе антенн на большие расстояния (порядка 10 тыс. км) получается ещё более высокое разрешение (в сотые доли угловой секунды).

Исследование радиоизлучения небесных тел помогло установить источники первичных космич. лучей (протонов, более тяжёлых атомных ядер, электронов). Этими источниками оказались вспышки сверхновых звёзд. Было открыто реликтовое излучение - тепловое излучение, соответствующее температуре 2, 7 К. В 1967 открыты пульсары - быстро вращающиеся нейтронные звёзды. Пульсары создают направленное излучение в радиодиапазоне, видимом и рентгеновском диапазонах, интенсивность к-рого периодически меняется из-за вращения звёзд.

Большую роль в изучении околоземного космич. пространства и далёкого космоса сыграли запуски космич. станций: были открыты радиационные пояса Земли, обнаружены космич. источники рентгеновского излучения и всплески у-излучения (эти виды излучения поглощаются атмосферой Земли и не доходят до её поверхности).

Совр. радиофизич. методы позволяют осуществлять космич. связь на расстояния в десятки и сотни млн. км. Необходимость передачи большого объёма информации стимулировала разработку принципиально новых, оптич. линий связи с применением волоконных светопроводов.

Высочайшей точности достигли измерения амплитуды колебаний макроскопич. тел. С помощью радиотехнич. и оптич. датчиков можно регистрировать механич. колебания с амплитудой порядка 10^-15 см (имеется возможность повысить этот предел до 10^-16 -10^-19 см).

Для исследования структуры кристаллов и органич. молекул применяются высокоточные автоматические рентгеновские и нейтронные дифрактометры, в сотни тыс. раз сократившие время расшифровки структур. В структурных исследованиях применяются также электронные микроскопы большой разрешающей силы. Нейтронография позволяет изучать и магнитную структуру твёрдых тел.

Для исследования структуры и распределения электронной плотности в веществе успешно применяются электронный парамагнитный резонанс (открыт Е. К. Завойским в 1944), ядерный магнитный резонанс (открыт Э. Пёрселлом и Ф. Б лохом в 1946), Мёссбауэра эффект (открыт Р. Л. Мёссбауэром в 1958). Совершенствуется исследование структуры атомов и молекул органич. и неорганич. веществ по их спектрам излучения и поглощения в широком диапазоне частот (в т. ч. с применением лазерного излучения; см. Спектроскопия лазерная).

В гидроакустике открыто и исследовано явление сверхдальнего распространения звука в морях и океанах - на расстояния в тысячи км (амер. учёные М. Ивинг, Дж. Ворцель, 1944, и независимо сов. физики Л. М. Бреховских, Л. Д. Розенберг и др., 1946).

В последнее десятилетие развиваются акустич. методы исследования твёрдых тел, основанные на применении ультразвуковых и гиперзвуковых волн (см. Ультразвук, Гиперзвук), а также поверхностных акустич. волн.

Быстрое развитие Ф. полупроводников совершило переворот в радиотехнике и электронике. Полупроводниковые приборы вытеснили электровакуумные лампы. Резко уменьшились и стали надёжнее радиотехнич. устройства и вычислит. машины, существенно уменьшилась потребляемая ими мощность. Появились интегральные схемы, сочетающие на одном небольшом (в десятки мм²) кристалле тысячи и более электронных элементов. Процесс последовательной микроминиатюризации радиоэлектронных приборов и устройств привёл к созданию на неск. кристаллах т. н. микропроцессеров,

выполняющих операционные функции ЭВМ. Небольшие вычислительные машины изготавливаются на одном кристалле.

ЭВМ стали неотъемлемой частью физ. исследований и применяются как для обработки экспериментальных данных, так и в теоретич. расчётах, особенно тех, к-рые ранее были неосуществимыми из-за огромной трудоёмкости.

Большое значение как для самой науки, так и для практических применений имеет исследование вещества при экстремальных условиях: при очень низких или очень высоких температурах, сверхвысоком давлении или глубоком вакууме, сверхсильных магнитных полях и т. д.

Высокий и сверхвысокий вакуум создаётся в электронных приборах и ускорителях для того, чтобы избежать столкновений ускоряемых частиц с молекулами газа. Исследование свойств поверхностей и тонких слоев вещества в сверхвысоком вакууме открыло новый раздел Ф. твёрдого тела. Эти исследования очень важны, в частности, в связи с освоением космич. пространства. V. Некоторые нерешённые проблемы физики

Физика элементарных частиц. Наиболее фундаментальной проблемой Ф. было и остаётся исследование материи на самом глубоком уровне - уровне элементарных частиц. Накоплен огромный экспериментальный материал по взаимодействиям и превращениям элементарных частиц, произвести же теоретич. 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 нерешённой задача о теоретич. определении спектра масс элементарных частиц. Возможно, для решения этой проблемы и устранения бесконечностей в квантовой теории поля необходимо введение нек-рой фундаментальной длины (l), к-рая ограничивала бы применимость обычных представлений о пространстве-времени как о непрерывной сущности. До расстояний порядка 10^-15 см и соответственно времён t ~ l /с~10^-25 сек обычные пространственно-временные соотношения, по-видимому, справедливы, но на меньших расстояниях, возможно, они нарушаются. Делаются попытки введения фундаментальной длины в единой теории поля (Гей-зенберг 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 Ф. элементарных частиц и атомного ядра позволило приблизиться к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях развития, эволюция звёзд и образование хим. элементов. Однако, несмотря на огромные достижения, перед совр. астрофизикой стоят и нерешённые проблемы. Остаётся неясным, каково состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри звёзд и " чёрных дыр". Не выяснена физ. природа квазаров и радиогалактик, причины вспышек сверхновых звёзд и появления всплес-кол у-излучения. Непонятно, почему попытки обнаружения солнечных нейтрино, к-рые должны рождаться в недрах Солнца при термоядерных реакциях, к успеху не привели (см. Нейтринная астрономия). Не выявлен полностью механизм ускорения заряженных частиц (космич. 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 Совр. Ф. 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 поиска ми путей эффективного использования осн. 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 по-следоват. 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 ориентации их спинов.

Значит. интерес представляет возможность экспериментального обнаружения долгоживущих элементов с атомными номерами ок. 114 и 126 (т. н. островов стабильности), к-рые предсказываются теорией.

Одна из важнейших задач, к-рую предстоит решить Ф., - проблема управляемого термоядерного синтеза. В большом масштабе ведутся экспериментальные и теоретич. 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 -10¹³ вт, причём расходимость светового пучка составляет всего ок. 10^-4 рад. Напряжённость электрич. 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 теоретич. и практич. 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 темп-р, при к-рых возможно осуществление термоядерных реакций. Стоит задача поисков новых применений лазерного излучения, напр. для связи в космосе.

Гл. проблемы, к-рые 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. Ф. твёрдого тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными свойствами в отношении механич. прочности, теплостойкости, электрич., магнитных и оптич. 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 Ф. и техники, в т. ч. решило бы проблему передачи электрич. энергии на большие расстояния практически без потерь.

Весьма интересная проблема - исследование физ. свойств твёрдого и жидкого гелия-3 при сверхнизких (ниже 3*10^-3 К) темп-pax. Твёрдый гелий-3 должен быть, по-видимому, единств. обменным ядерным антиферромагнетиком. Жидкий гелий-3 - простейшая ферми-жидкость, теория к-рой составляет существенный предмет квантовой статистики.

Большой науч. и практич. интерес представляет получение металлич. водорода и изучение его физ. свойств. Он должен быть уникальным физ. объектом, т. к. его решётка состоит из протонов. Полагают, что металлич. водород будет обладать рядом необычных свойств, изучение к-рых может привести к принципиально новым открытиям в Ф. В Ин-те физики высоких давлений АН СССР сделаны первые шаги в этом направлении - обнаружен переход в металлич. состояние тонких плёнок твёрдого водорода при темп-ре 4, 2 К и давлении ок. 1 Мбар.

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

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

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

Большое значение имеет изучение Ф. полимеров с их необычными механич. и термодинамич. свойствами, в частности биополимеров, к к-рым 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, радиац. пояса и ионосфера Земли и др. Во-вторых, именно в высокотемпературной плазме имеется реальная возможность осуществ ления управляемого термоядерного синтеза.

Осн. уравнения, описывающие плазму, хорошо известны. Однако процессы в плазме столь сложны, что предсказать её поведение в различных условиях весьма трудно. Гл. проблема, стоящая перед Ф. плазмы, - разработка эффективных методов разогрева плазмы до темп-ры 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 совр. Ф. не сводятся к перечисленным; свои проблемы имеются во всех разделах Ф., и общее число их столь велико, что они не могут быть здесь приведены.