Большая Советская Энциклопедия (ФИ)

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. �сследование рассеяния частиц сверхвысоких энергий должно способствовать выяснению природы сильных и слабых взаимодействий.

  �зучены самые различные типы ядерных реакций. На ускорителе Объединённого института 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).

В  Развитие радиофизики получило РЅРѕРІРѕРµ направление после создания радиолокационных станций РІРѕ время 2-Р№ РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹ 1939–45. Радиолокаторы нашли широкое применение РІ авиации Рё РјРѕСЂСЃРєРѕРј транспорте, РІ космонавтике. Была осуществлена локация небесных тел: Луны, Венеры Рё РґСЂ. планет, Р° также Солнца. Сооружены гигантские радиотелескопы, улавливающие излучения космических тел СЃРѕ спектральной плотностью потока энергии 10 ^-26 СЌСЂРі/СЃРј ²Р§ секЧ РіС†.Р�нформация Рѕ космических объектах неизмеримо возросла. Были открыты радиозвёзды Рё радиогалактики СЃ мощным излучением РІ диапазоне радиоволн, Р° РІ 1963 – наиболее удалённые РѕС‚ нас квазизвёздные объекты – квазары.Светимость квазаров РІ сотни раз превышает светимость ярчайших галактик. Разрешающая способность современных радиотелескопов, использующих передвижные антенны, управляемые Р­Р’Рњ, достигает угловой секунды (для излучения СЃ длиной волны РІ несколько СЃРј) .РџСЂРё разносе антенн РЅР° большие расстояния (РїРѕСЂСЏРґРєР° 10 тыс. РєРј) получается ещё более высокое разрешение (РІ сотые доли угловой секунды).

  �сследование радиоизлучения небесных тел помогло установить источники первичных космических 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 которого периодически меняется из-за вращения звёзд.

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

  Современные радиофизические методы позволяют осуществлять космическую связь на расстояния в десятки и сотни млн. км.Необходимость передачи большого объёма информации стимулировала разработку принципиально новых, оптических линий связи с применением волоконных светопроводов.

  Высочайшей точности достигли измерения амплитуды колебаний макроскопических тел. С помощью радиотехнических и оптических датчиков можно регистрировать механические колебания с амплитудой порядка 10 ^-15 см(имеется возможность повысить этот предел до 10 ^-16–10 ^-19 см).

  Для исследования структуры кристаллов и органических 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. Блохом в 1946), Мёссбауэра эффект (открыт Р. Л. Мёссбауэром в 1958). Совершенствуется исследование структуры атомов и молекул органических и неорганических 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. �винг, Дж. Ворцель, 1944, и независимо сов. физики Л. М. Бреховских,Л. Д. Розенберг и др., 1946).

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

В  Быстрое развитие Р¤. полупроводников совершило переворот РІ радиотехнике Рё электронике. Полупроводниковые РїСЂРёР±РѕСЂС‹ вытеснили электровакуумные лампы. Резко уменьшились Рё стали надёжнее радиотехнические устройства Рё вычислительные машины, существенно уменьшилась потребляемая РёРјРё мощность. Появились интегральные схемы, сочетающие РЅР° РѕРґРЅРѕРј небольшом (РІ десятки РјРј ²) кристалле тысячи Рё более электронных элементов. Процесс последовательной микроминиатюризации радиоэлектронных РїСЂРёР±РѕСЂРѕРІ Рё устройств привёл Рє созданию РЅР° нескольких кристаллах С‚. РЅ. микропроцессоров, выполняющих операционные функции Р­Р’Рњ. Небольшие вычислительные машины изготавливаются РЅР° РѕРґРЅРѕРј кристалле.

  ЭВМ стали неотъемлемой частью физических исследований и применяются как для обработки экспериментальных данных, так и в теоретических расчётах, особенно тех, которые 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. �сследование 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 космического пространства.

  V. Некоторые нерешенные 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 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 ^-15 сми соответственно времён t~ l/c~ 10 ^-25 секобычные 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 Ф. 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 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 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 Ф., – 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. �меются 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.

В  Квантовая электроника.Квантовые генераторы дают электромагнитное излучение, уникальное РїРѕ СЃРІРѕРёРј свойствам. Р�злучение лазера когерентно Рё может достигать РІ СѓР·РєРѕРј спектральном интервале РѕРіСЂРѕРјРЅРѕР№ мощности: 10 ¹²вЂ“10 ¹³ РІС‚,причём расходимость светового пучка составляет всего около 10 ^-4 рад.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.

В  Лазерное излучение применяют для разделения изотопов, РІ частности для обогащения урана изотопом ²³⁵U, для испарения Рё сварки металлов РІ вакууме, РІ медицине Рё С‚.Рґ. Перспективно, РїРѕ-РІРёРґРёРјРѕРјСѓ, применение лазеров для нагрева вещества РґРѕ температур, РїСЂРё которых возможно осуществление термоядерных реакций. Стоит задача РїРѕРёСЃРєРѕРІ новых применений лазерного излучения, например для СЃРІСЏР·Рё РІ РєРѕСЃРјРѕСЃРµ.

  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.Ф. 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 Ф. 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 3Ч10 ^-3К) 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 Ф. 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 Ф. 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 Ф. 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 Ф. 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.

  �сследование электромагнитного и корпускулярного излучения плазмы имеет решающее значение для объяснения ускорения заряженных частиц при вспышках сверхновых, излучения пульсаров и др.