О квантах и звездах (Академик Кадомцев Б.) [1977 -

Если школьника-старшеклассника, проявившего любовь к физике и склонного посвятить свою жизнь научной деятельности, спросить, какого рода исследованиями - фундаментальными или прикладными - он предпочел бы заниматься, то почти наверняка последует ответ - фундаментальными. При этом молодой человек скорее всего будет иметь в виду физику элементарных частиц, поскольку после ядра это сейчас, безусловно, самый глубокий уровень изучения физических законов материи. Кроме того, вольно или невольно слова "фундаментальные исследования" получат у него окраску "чисто научные исследования" (кстати, раньше так и проходило разделение - на чистую и прикладную части научных исследований). Чисто научные исследования... - это, в понимании многих, движимые только жаждой познания, сохранившейся и пронесенной от детства через всю жизнь, неутомимой любознательностью и пытливостью ума, стремлением проникнуть в самые заветные тайны природы. Действительно, благодарная задача! И в былые времена, когда эти исследования проводились ничтожными средствами и буквально с помощью самодельного оборудования, они вызывали только чувство восхищения. Сейчас, когда для проведения научных исследований приходится затрачивать значительные материальные средства, к этому чувству часто примешивается полувопрос: "А в нужном ли направлении и в правильных ли масштабах расходуются эти средства?"

Традиционный ответ на этот вопрос состоит в том, что именно фундаментальные исследования и открытия дают наибольший импульс научно-техническому прогрессу. И это безусловно так. Такие исследования позволяют заложить основы науки, создать базис для понимания механизмов, лежащих в основе множества процессов, происходящих в окружающем нас мире. Понимание природы того или иного явления на самом глубоком, детальном уровне, безусловно, обернется на благо человеку независимо от того, как сам исследователь оценивает направленность и цели своих работ. В этой связи часто вспоминают слова знаменитого английского физика Резерфорда, который, выступая в 1933 году на съезде Британской ассоциации содействия развитию науки, заявил: "Всякий, кто ожидает получения энергии в результате трансформации атомов, говорит вздор".

Как известно, ситуация изменилась очень быстро: всего через пять лет было открыто деление урана, а через девять лет заработал первый атомный котел.

Но можно ли этот пример рассматривать как бесспорный аргумент в пользу развития лишь определенных, избранных разделов физики, направленных на изучение наиболее фундаментальных и глубоких ее законов? Мне кажется, что нет. И в последующем рассказе о некоторых наиболее ярких достижениях советской физики мне хотелось бы подчеркнуть некоторые особенности развития современных физических исследований. Кратко их можно суммировать следующим образом: в современной физике все ее разделы тесно связаны между собой, образуя одно общее здание. Причем в самых различных областях и на разных уровнях исследований проводятся чисто научные, поисковые работы, которые приводят к новым, подчас довольно неожиданным открытиям даже там, где это казалось совершенно невероятным. Результаты этих исследований, их экстракт, суммируется в теоретической физике, которая с единых позиций и сходными методами пытается составить общую картину физического мира - от квантов до звезд.

Уже в первые годы Советской власти, годы становления молодой советской науки, фундаментальным исследованиям уделялось очень большое внимание. Именно с постановки фундаментальных исследований начиналась советская физика.

А начинать приходилось буквально с нуля. Первая мировая война и последовавшие за ней годы блокады молодой республики прервали связи физиков с научным миром. Но уже в самые первые годы Советской власти в неотапливаемых, лишенных самого необходимого оборудования лабораториях Москвы и Петрограда трудились физики, пытаясь всеми доступными средствами изучать атомную структуру материи.

Именно в эти годы известный физик Д. Рождественский провел очень важные исследования по спектральному анализу и структуре атомов. В своих работах он с большой научной смелостью обобщил основные положения теории Бора (относившейся лишь к атому водорода) на другие, более сложные атомы. Идеи Д. Рождественского представляли собой фундаментальные открытия, лежащие в основе атомной теории. Спустя несколько лет стало известно, что многие из его положений были примерно в то же время открыты и опубликованы рядом ученых Запада. И это не умаляет, а, наоборот, подчеркивает заслугу Д. Рождественского. В условиях полной изоляции советской науки он один, полнее и в более общей форме высказал то, что удалось сделать нескольким наиболее крупным ученым за границей.

Обстановку, в которой зарождалась молодая советская физика, лучше всего характеризует письмо выдающегося советского физика А. Иоффе к немецкому ученому П. Эренфесту: "...Мы прожили тяжелые годы и многих потеряли, но сейчас начинаем снова жить. Научная работа идет у нас все это время. Работаем много, но закончено пока немного, так как год ушел на организацию работы в новых условиях, устройство мастерских и борьбу с голодом..."

Сразу же вскоре после снятия экономической и военной блокады по непосредственному заданию В. Ленина за границу выехало несколько групп советских физиков. Необходимо было восстановить прерванные научные связи, приобрести оборудование для лабораторий и научную литературу. Кроме того, требовалось как можно быстрее сломать барьер отчуждения, воздвигнутый западной пропагандой между молодой республикой и прогрессивной общественностью Запада. В том, что этот барьер был быстро сломлен, огромная заслуга ведущих ученых Европы, таких, как Н. Бор, А. Эйнштейн, Э. Резерфорд, М. Склодовская-Кюри, и многих других. К тому же лучшей "визитной карточкой" молодой советской физики были ее успехи, достигнутые, несмотря на трудные годы разрухи и становления Советской республики.

Многие из молодых талантливых физиков получили приглашение поработать в ведущих физических центрах Европы. И надо сказать, что они не только успешно стажировались и набирались опыта и знаний у известных физиков, но и зачастую сами вносили очень активный вклад в развитие физики конца 20-х - начала 30-х годов. Так, в Англии несколько лет успешно трудился молодой тогда советский физик П. Капица, которому удалось в самый короткий срок из ученика превратиться в ближайшего соратника Резерфорда.

Большое внимание, которое уделялось фундаментальным исследованиям с самых первых лет развития советской физики, позволило нашей стране в сравнительно короткое время занять ведущее положение в этой области науки. Это, по существу, предопределило успех нашей страны в решении ключевых проблем научно-технического прогресса, таких, как овладение атомной энергией, освоение космоса, создание лазерной техники и квантовой электроники и др.

В те же самые годы, когда было открыто деление ядер урана, исследования по этой проблеме уже велись и в нашей стране под руководством И. Курчатова. Это позволило советским физикам, несмотря на трудные годы войны, заложить основы атомной науки и уже в 1946 году построить первый в Европе атомный реактор. Так зародилась и начала развиваться атомная энергетика, достижения которой сейчас хорошо известны.

Во всех своих разделах и на всех уровнях изучения явлений современная физика стала довольно сложной. Она фактически уже потеряла сокровенную надежду найти некоторые фундаментальные, простые в своей основе первичные законы, из которых бы все остальные выводились лишь как следствие. Даже в простейшем примере описания поведения плазмы, то есть совокупности заряженных частиц, взаимодействующих по давно известным законам, приходится развивать свой собственный мир представлений (разумеется, имеющий аналогии с другими разделами физики). И то же самое имеет место в других разделах физики. Так что в этом смысле физика все более теряет качества простоты и элементарности и сближается с такими науками, как химия или биология, где имеют дело с очень сложными объектами природы.

Усложнение физики требует развития более сложной и дорогой техники эксперимента и измерительной аппаратуры, и это другая, отчетливо прослеживаемая характерная черта современной физики: сложность экспериментальных установок и их более сильная связь с уровнем и темпами развития техники и промышленности.

Иногда прогресс в науке и технике настолько тесен, что приходится говорить о научно-технических достижениях, а не просто о научных открытиях. Ярким примером этого может служить одно из выдающихся достижений науки и техники нашего времени - выход человека в космос и начало освоения космического пространства. Это, безусловно, триумф советской науки и техники. И что интересно, выход в космос открыл новую страницу в чисто физических исследованиях: это и физика околоземного космического пространства, и плазменные эксперименты в космосе (например, искусственное полярное сияние), и изучение планет, их строения и эволюции. Выход в космос позволил развить рентгеновскую и гамма-астрономию, то есть освоить новый диапазон длин волн в идущей из космоса информации в электромагнитном излучении.

В собственно физике одним из наиболее выдающихся достижений последнего времени является открытие и создание лазеров. Лежащий в основе лазера принцип индуцированного излучения, казалось бы, не являлся новым и в простейшей форме был давно известен. Но тем не менее лазеры, безусловно, были ярким и совершенно неожиданным открытием, авторы которого, советские физики академики Н. Басов и А. Прохоров, удостоены Нобелевской премии.

Перечислить все области применения лазеров совершенно невозможно: недаром, пусть и в шутку, о нынешней эпохе говорят как о лазерном веке. Просто поразительно, как быстро "чисто физическая", фундаментальная идея индуцированного излучения квантовых систем проникла, что называется; в плоть и кровь самых разных областей науки и техники.

Успех лазеров базируется на целом ряде их уникальных способностей. Это огромная точность измерений самых разных величин, очень малых и очень больших; высокая информативная емкость лазерного луча, делающая его незаменимым средством связи как между сверхдальними объектами на Земле и в космосе, так и в узлах ЭВМ с целью повышения их быстродействия; наконец, с одной стороны, возможность сконцентрировать огромную энергию в малых объемах и, с другой, способность чрезвычайно точно и деликатно воздействовать на такие тонкие механизмы, как, например, живая клетка.

Начальный этап развития лазеров был характерен тем, что наибольшее внимание уделялось процессам так называемого нерезонансного, чисто силового взаимодействия интенсивных световых потоков с веществом. К ним относятся лазерная обработка сверхтвердых материалов, лазерная сварка, сжатие вещества до высоких плотностей лазерными лучами и многое другое.

В последнее время повышается интерес к более тонкому по своей природе резонансному взаимодействию лазерного излучения с веществом, когда точным подбором свойств луча удается управлять процессами, идущими на атомно-молекулярном уровне. Здесь уже огромную роль играет возможность строгой дозировки и локализации вводимой в вещество энергии, точной настройки частоты света в резонанс с исследуемой системой.

Хорошо известно, сколь велика сейчас потребность множества областей науки-биологии, медицины, археологии, химии и т. д. - в различных изотопах химических элементов. Поэтому чрезвычайно важной является задача выделения изотопов из природного сырья, обычно представляющего собой смесь атомов самых разных сортов. Не так-то легко отделить друг от друга разные изотопы одного и того же химического элемента, например уран-235 и уран-238. Химически они идентичны, электрическое поле в прямом смысле здесь бессильно, поскольку число электронов у них на орбитах одинаково. Механическим путем тоже трудно многого добиться - слишком мала у них разница в массах.

Исследования, проведенные под руководством доктора физико-математических наук В. Летохова, показали, что лазерное излучение обладает уникальным свойством воздействовать только на желаемые изотопы в природной смеси, а не на всю смесь в целом, как это характерно для всех остальных методов разделения изотопов. В основе лазерных методов лежит возможность селективно, нацеленно возбуждать атомы определенного сорта лазерным излучением заданной частоты и интенсивности.

Известно, что испускание и поглощение энергии атомами происходит квантованно, дискретными порциями. Причем для атомов определенного сорта характерна "своя", только им присущая порция энергии. Поглотив ее, атом переходит в возбужденное состояние. Так что, если облучать смесь атомов разного сорта квантами определенной частоты, то поглощаться эти кванты будут атомами только одного сорта. И следовательно, возбуждаться будут именно эти атомы.

Дело в том, что возбужденные атомы или молекулы становятся более активными, реакциоспособными. Вот это свойство возбужденных атомов взаимодействовать с различными физическими или химическими агентами и используется для их дальнейшего выделения из смеси. Например, при облучении смеси светом другого лазера возбужденные атомы теряют слабо связанные внешние электроны и из нейтральных превращаются в положительно заряженные ионы. Теперь их можно легко выделить из смеси с помощью электрического поля, в то время как атомы других сортов остаются электрически нейтральными и не взаимодействуют с электрическим полем.

Еще один способ выделения изотопов из смеси основан на возможности химического, связывания возбужденных атомов благодаря их повышенной химической активности. Вступая в реакцию с каким-либо химическим агентом, возбужденные атомы присоединяются к молекулам агента и образуют соединения, легко выделяющиеся из исходной смеси (например, выпадают из жидкости в осадок).

Разделение изотопов сейчас становится одной из важнейших сфер применения лазеров. В отличие от других методов разделения изотопов, каждый из которых применим лишь к узкому кругу элементов, лазерный метод в принципе подходит для разделения практически всех элементов таблицы Менделеева. Его универсальность дает возможность перевести этот процесс на промышленную основу и с большой экономической выгодой удовлетворить потребности многих отраслей науки и народного хозяйства.

Темпы научно-технического прогресса во многом зависят от уровня промышленного приборостроения и освоения новых материалов. А этот уровень в немалой степени определяется успехами физики твердого тела. Поэтому очевидно, что в современной технике физика твердого тела играет очень большую роль, являясь фундаментом научно-технического прогресса.

Не так давно квантовая теория твердого тела была привилегией лишь физиков-теоретиков. Сейчас положение изменилось коренным образом: прогресс науки и техники в нашей стране привел к тому, что квантовые свойства твердого тела уверенно стали использоваться при создании обширного класса электронных приборов. Прежде всего это относится к электронно-вычислительным машинам. Переход к микроэлектронным схемам с высокой степенью интеграции дал возможность уменьшить размеры и повысить быстродействие машин до десятков и даже сотен миллионов операций в секунду.

Развитие лазерной техники, а следовательно и связанных с ней областей, также во многом зависит от уровня работ по физике твердого тела. Созданные физиками искусственные кристаллы рубина в роли активных элементов позволили построить квантовые усилители радиодиапазона с рекордной чувствительностью. Сейчас эти усилители широко применяются для связи с космическими кораблями. А мощные лазеры с рабочим телом из неодимового стекла используются для исследований по термоядерному синтезу.

Известно, что в науке и технике имеется множество оригинальных идей (создание новых машин, новых принципов передачи движения, энергии и т. д.), которые не могут быть реализованы из-за отсутствия материалов с нужным комплексом свойств. Порою это ограничивает развитие целых научных областей. Например, в принципе известно, как провести ряд процессов преобразования энергии: химической, тепловой, ядерной - непосредственно в электрическую. Но пока нельзя создать такие агрегаты, в которых можно было бы с высокой эффективностью осуществлять эти преобразования. Конструктивные элементы таких агрегатов должны выдерживать сверхвысокие температуры и громадные давления, сильные электрические и магнитные поля и большие радиационные нагрузки. Если бы сейчас были подобного рода материалы, задача преобразования энергии могла быть решена гораздо быстрее. Поэтому создание новых материалов - одно из главных направлений физики твердого тела.

В настоящее время усилия как теоретиков, так и экспериментаторов направлены на решение еще одной важной задачи. Это проблема создания высокотемпературных сверхпроводников - материалов, обладающих бесконечно малым электрическим сопротивлением и позволяющих, следовательно, передавать энергию на большие расстояния почти без потерь. Требуется найти условия, при которых переход в сверхпроводящее состояние осуществлялся бы при температурах, значительно превышающих достигнутые. Наивысшее известное значение критической температуры (21°К) имеет сплав элементов Nb, Al, Ge. В последние годы сообщалось, что удалось поднять критическую температуру еще на несколько градусов. По-видимому, возможности повышения критической температуры традиционным методом, таким, как создание новых сплавов, их обработка, еще не исчерпаны.

Создание высокотемпературных сверхпроводников - материалов, обладающих бесконечно малым электрическим сопротивлением и позволяющих, следовательно, передавать энергию на большие расстояния почти без потерь

Но, с другой стороны, очень похоже, что этим путем вряд ли удастся достигнуть значительного повышения критической температуры, например, хотя бы до температуры жидкого азота (около 70°К). Поэтому сейчас большие усилия направлены на отыскание теоретического механизма, обеспечивающего сверхпроводимость.

Серьезные надежды на успех в этой области связывают, как это ни странно на первый взгляд, с водородом. (Заметим, что с первым элементом периодической системы связаны, по крайней мере, три большие надежды: надежда на термоядерную энергию, надежда на химическое топливо, безвредное для окружающей среды, и, наконец, надежда на передачу электроэнергии почти без потерь.)

Как известно, при атмосферном давлении в обычных условиях водород является молекулярным. Кипит он при температуре 20,3°К, затвердевает при 14°К. В твердом состоянии в обычных условиях он является диэлектриком. Однако при достаточно сильном сжатии внешние атомные оболочки элементов как бы раздавливаются, и в этих условиях все вещества должны переходить в металлическое состояние. Ожидается, что при плотности около 10 граммов в кубическом сантиметре в металлическое состояние может перейти и водород, который будет представлять собой в этом случае твердое тело, обладающее высокой электропроводностью и другими свойствами металла. Согласно теоретическим прогнозами водород в таком состоянии должен быть сверхпроводником при комнатной температуре.

Большое внимание проблеме создания металлического водорода уделяют советские физики. Недавно усилия ученых из Института высоких давлений АН СССР под руководством академика Л. Верещагина привели к первому успеху. Подвергнув твердый водород при температуре 4,2°К статическому сжатию, физики обнаружили, что при давлении около трех миллионов атмосфер электрическое сопротивление водорода уменьшилось в миллион раз. Авторы полагают, что этот факт является свидетельством перехода водорода в металлическое состояние. Правда, при снижении давления до миллиона атмосфер или при некотором повышении температуры происходил обратный переход в диэлектрическое состояние. Однако исследователи надеются, что специальные меры по "закалке" такого метастабильного состояния позволят как бы законсервировать механический водород.

...С тех пор как в науке появилось соотношение E=MC², возникла и остается манящая проблема использования полной энергии вещества. Но полностью вещество превращается в энергию только при аннигиляции вещества с антивеществом. Физики еще не подобрали ключей к этому источнику энергии - прежде всего нужно найти технические возможности получения и долговременного хранения заметного количества антивещества в земных условиях. Задача эта необычайно трудна: ведь сохранить антивещество можно только в глубоком космическом вакууме, полностью исключив всякую возможность контакта с обычным веществом.

Однако первые шаги к получению антивещества уже удалось сделать! Физики сейчас умеют не только создавать в ядерных реакциях антиподы почти всем известным частицам, но и разгонять на ускорителях до заданной энергии целые пучки античастиц. А вслед за антидейтроном, антиподом ядра тяжелого водорода, полученным впервые американскими физиками, советским ученым удалось на одном из крупнейших в мире Серпуховском ускорителе синтезировать более тяжелый антигелий-3. И хоть сейчас удается пока получать считанное количество ядер антигелия, в принципе стала ясной возможность создания в земных условиях антиатомов всех элементов таблицы Менделеева.

А с помощью пучков ускоренных антипротонов недавно удалось сделать чрезвычайно интересное и далеко идущее по своим следствиям открытие. Впрочем, если быть точным, открытие, как нередко бывает в физике, было сделано сначала на бумаге. Авторы его - теоретики из Института теоретической и экспериментальной физики под руководством доктора физико-математических наук И. Шапиро. Выводы теоретиков позже подтвердились в эксперименте.

Суть открытия в том, что некоторые из тяжелых частиц, обнаруженных в последнее время, могут состоять из... нуклонов и антинуклонов! Частица и античастица, встретившись в одной из точек пространства, вместо того чтобы немедленно аннигилировать, образуют связанный микрообъект. Расчеты показали, что протон и антипротон, сойдясь на расстояние в 2-3 ферми (1 ферми равен 10-13 сантиметра), попадают в сферу действия ядерных сил. Именно ядерные силы связывают прочными нитями нуклоны - протоны и нейтроны в обычных ядрах. И эти же силы, оказывается, могут на некоторое время удержать вместе и протон со своим антиподом, образовав своеобразное "как бы ядро" (физики так и называют подобную систему - "квазиядро").

Живут в квазиядре нуклон и антинуклон около 10-20 секунды (а для микромира это очень много), прежде чем неумолимые законы природы заставят их сойтись еще ближе, на расстояние в 10-14 сантиметра и попасть в область аннигиляции. И тогда - взрыв! Частицы исчезают начисто, оставив после себя потомство в виде четырех-пяти пи-мезонов и несколько гамма- квантов.

Экспериментаторы получили сначала косвенные доказательства существования квазиядер, а в сериях последующих экспериментов удалось непосредственно обнаружить тяжелые частицы с массой около двух нуклонных масс. "Квазиядерные мезоны" - так назвали их физики - были обнаружены в 1975 году на ускорителях в Серпухове и ЦЕРНе (Швейцария). Продукты их распада и особенности аннигиляции совпали с предсказаниями теоретиков. Вероятно, это и есть ядра-частицы. Связывают их те же ядерные силы, которые держат протоны и нейтроны в ядрах, а ведут себя они во многом подобно элементарным частицам.

Так квазиядерные мезоны вновь связали две области физики, разошедшиеся некогда по своим направлениям, - физику атомного ядра и физику элементарных частиц. Когда-то в 50-х годах обилие открывавшихся элементарных частиц, которые к тому же подчинялись своим, ни на что не похожим законам, заставило выделиться в самостоятельную область науки - физику элементарных частиц. Тем не менее физики не оставляют попыток нащупать нечто общее между ядрами и частицами, уловить, хотя бы частично, замысел проекта, по которому природа построила микромир.

Вообще говоря, глазам физиков открыта пока что довольно разрозненная картина микромира. Существующие теории элементарных частиц представляют собой скорее оторванные друг от друга куски, нежели единое целое. Изучен довольно широкий круг явлений - превращения одних частиц в другие, внутриядерные процессы, рождение частиц как бы из "ничего" - из вакуума. Одни процессы управляются электромагнитными взаимодействиями, другие - сильными, ядерными, третьи - так называемыми слабыми.

Слабое взаимодействие универсально - в нем участвуют все известные частицы. К этому классу относятся разнообразные процессы, в частности, почти все распады ядер и отдельных частиц. Ряд частиц участвует только в слабых и электромагнитных взаимодействиях и не испытывает сильных взаимодействий. В то же время некоторые из таких частиц могут через промежуточное состояние, называемое виртуальным, превращаться в сильно взаимодействующие частицы.

Почему возможны такие процессы, физики пока что не знают. Как не знают ответа еще на многие десятки острых вопросов. Нет еще достаточно прочных связей между огромным множеством явлений микромира. Важность и необходимость создания общей теории, единым образом описывающей материю на субъядерном уровне, предельно очевидна.

Вероятно, для создания такой теории физикам не хватает пока каких-то существенных фактов, чтобы "докопаться" до той основы, на которой базируется все множество наблюдаемых явлений. В последнее время накопление нового экспериментального материала идет довольно бурно, сообщения о новых открытиях следуют практически одно за другим. И хотя, по всей видимости, решающие эксперименты еще впереди, результаты некоторых исследований кажутся весьма обнадеживающими.

Активную роль в процессах, подчиняющихся слабому взаимодействию, играет нейтрино. Оно само появляется в результате слабого взаимодействия, и в столкновениях с другими частицами поведение нейтрино определяется опять же слабыми взаимодействиями. Так что для изучения природы этих сил нейтрино - превосходный инструмент.

Идею нейтринных экспериментов на ускорителях еще 15 лет назад выдвинули советские физики, академики М. Марков и Б. Понтекорво. Однако прошли годы, прежде чем идею удалось реализовать. Ведь нейтрино невероятно инертная и неуловимая частица. Она почти беспрепятственно проходит через вещество. Поэтому для проведения экспериментов нужны очень плотные и мощные потоки нейтрино. Создать их можно лишь на ускорителе с очень высокой энергией. С вводом в строй мощного ускорителя в Серпухове такая возможность появилась.

Огромные трудности проведения нейтринных экспериментов обещают с лихвой окупиться результатами. Залогом тому - одно из наиболее перспективных открытий последних лет: нейтральные нейтринные токи.

До последнего времени все исследования показывали, что нейтрино всегда появляется в паре с легкой заряженной частицей. Так бывает при бета-распаде, благодаря которому физики впервые предположили существование нейтрино. Нейтрон превращается в протон, при этом испускается нейтрино с электроном. Пи- и ка- мезоны распадаются на мю-мезон и опять же нейтрино. Такие реакции с появлением нейтрино в паре с легкой заряженной частицей физики называют заряженными нейтринными токами.

А вот процесс, в котором есть нейтрино, но нет его попутчиков электрона или мюона - нейтральный нейтринный ток, - в экспериментах никогда не наблюдался. Однако ни один из фундаментальных законов не запрещает его. И в большинстве наиболее перспективных моделей, построенных с целью объединить разрозненную картину микромира, связать воедино все виды взаимодействий, нейтральные нейтринные токи были одним- из "краеугольных камней". Но тот факт, что в эксперименте подобные процессы не наблюдались, ставил эти модели под сомнение.

Наконец, в 1973-1974 годах в нескольких экспериментах, поставленных независимо разными группами исследователей, нейтральные нейтринные токи были открыты. В частности, наблюдался такой процесс: нейтрино и протон, столкнувшись друг с другом, разлетаются в разные стороны. В столкновении рождаются три тяжелых пи-мезона, а легких, слабовзаимодействующих частиц в реакции нет.

Успех укрепил уверенность теоретиков в правильности выбранного направления. А недавно открытые новые частицы еще раз показали силу теории и привели к обнаружению нового свойства частиц, также предсказываемого в рамках последних теоретических моделей. Конкретно речь идет о существовании нового класса микрообъектов - так называемых очарованных частиц. Это частицы, у которых проявляется некоторое специфическое свойство, сходное с зарядом, и получившее название "очарование". Оказалось, что существует целый класс частиц с "очарованием".

И хотя ситуация пока еще не вполне ясная, но можно с определенностью сказать, что на "мельницу" будущей единой теории сейчас хлынул бурный поток экспериментальных данных. Период застоя в микрофизике закончился, и она с уверенностью берется за решение задач, необычайно важных для понимания физической природы окружающего нас огромного мира.

За всю свою историю человечество истратило немногим более... тридцати тонн энергии! Это не шутка и не парадокс: энергию вполне можно измерять в тоннах, надо лишь вспомнить ту же формулу Эйнштейна Е=МС², дающую взаимосвязь массы и энергии. Теперь, вероятно, более ощутимыми станут огромные резервы энергии, скрытые в веществе.

Практически вся масса вещества сосредоточена в атомных ядрах. Грубо говоря, чем тяжелее ядро, тем большим резервом энергии оно обладает. Так что, если подходить к делу утилитарно, становится понятным тот интерес, который проявляют физики к тяжелым трансурановым элементам.

Список элементов, существующих в природе, заканчивается ураном. Первый трансурановый элемент - плутоний - был получен уже искусственно, в атомном реакторе. За тридцать лет физики последовательно добрались до 106-го элемента. Конечно, говорить о практическом использовании трансурановых ядер, например об извлечении из них энергии путем цепной реакции деления, еще рановато.

Пока что здесь стоит несколько обратная задача - думать не о том, как разделить эти ядра (они и так делятся, причем гораздо охотнее, чем того хотелось бы), а о том, как синтезировать их, сталкивая друг с другом ядра элементов из середины таблицы Менделеева. И задача эта необычайно сложна.

Дело в том, что самые тяжелые из трансурановых элементов живут секунды и даже доли секунд. Чем тяжелее элемент, тем быстрее он разваливается под собственной тяжестью, едва успев родиться. Уже для 104-го элемента теоретики предсказывали срок жизни в сотые доли секунды, а грубая экстраполяция приводила к выводу, что элементы, начиная со 108-го, должны спонтанно делиться с такой большой скоростью, что не только изучение их, но и получение, синтез совершенно невозможны.

Однако последующие эксперименты опровергли эти предсказания. В течение десяти последних лет физики одного из крупнейших в мире научных центров - Объединенного института ядерных исследований в Дубне под руководством академика Г. Флерова синтезировали 104, 105, 106 и 107-й элементы. Изучение этих элементов показывает, что с увеличением атомного номера стабильность их если и не возрастает, то, по крайней мере, уже не так быстро падает. Это вселяет надежду на существование так называемого "острова стабильности". Что же это за остров?

Еще в 30-е годы была замечена некая странная закономерность. Некоторые химические элементы резко отличались от своих соседей по периодической таблице повышенной живучестью. И в природе элементы с номерами 2, 8, 20, 50, 82 встречаются чаще, чем другие. Поначалу это казалось странным и необъяснимым, что дало физикам повод в шутку назвать эти числа "магическими". Потом появилась теория, раскрывшая эту закономерность тем, что ядра, содержащие в себе подобное число нуклонов (протонов или нейтронов, или тех и других одновременно), обладают завершенной конструкцией и потому наиболее устойчивы. Теория предсказала и еще одно магическое число - 114. Конкретно предполагается, что элемент со 114 протонами обладает замкнутой оболочкой, а изотоп этого элемента, содержащий 184 нейтрона, является даже дважды магическим.

Впрочем, точность теории здесь пока невелика, поэтому физики осторожны в прогнозах и очерчивают островок из нескольких элементов - 110-114, один из которых может оказаться наиболее устойчивым. Причем время жизни такого магического "сверхъядра" ожидается просто огромным: период полураспада его оценивается в 10⁸ лет!

Нынешнюю ситуацию в физике трансурановых элементов очень образно описывает руководитель работ по синтезу сверхтяжелых ядер академик Г. Флеров: "В последние годы мы долго плавали по морю нестабильности. И вот в последний момент мы спустили ноги... и ощутили дно. Что это? Случайная подводная скала? Или отмель желанного острова стабильности, о котором так много говорилось в последнее время?"

Совершенно ясно, что, если ядра с номерами 110-114 окажутся действительно стабильными, из них удастся создавать новые, необычные вещества. И тогда можно будет подумать также о том, как извлечь из таких ядер энергию.

А пока идут эксперименты, сложные и тонкие, мысль теоретиков забегает еще дальше: а не существует ли другая, более плотная фаза ядерного вещества? Первые теоретические расчеты, проведенные академиком А. Мигдалом и членом-корреспондентом В. Галицким, показывают, что не исключено существование другой, устойчивой формы ядерного вещества, с плотностью в два- три раза большей, чем в обычных ядрах. Обнаружение фазовых переходов в ядрах привело бы к открытию совершенно новой области ядерной физики.

Количество энергии, скрытой в земных запасах тяжелых делящихся элементов - уране и тории, - в несколько десятков раз превышает энергию нефти, угля и газа. Но, оказывается, гораздо большие запасы ядерной энергии заключены в легких элементах. Легчайшие элементы - водород и литий также могут стать источниками энергии, но не в ходе реакции деления ядер, а в процессе прямо противоположном - слиянии легких ядер в более тяжелые.

Интересно отметить, что еще 1 мая 1862 года в Лондоне, в день открытия Всемирной выставки, газета "Тайме" опубликовала прогнозы развития человечества на сто лет вперед. Самым нереальным и несерьезным казалось предсказание, что через сто лет человечество сделает страшное открытие - способ горения воды, которое будет угрожать жизни на планете.

Велико было бы удивление авторов прогноза, если бы они узнали, что именно это предсказание окажется наиболее точным. Науке нашего времени осталось сделать последние шаги в решении проблемы управляемого термоядерного синтеза, в ходе которого удастся "сжигать" воду ради энергии, а точнее говоря, сжигать термоядерное горючее, содержащееся в воде, - тяжелый водород, дейтерий.

Но даже самая "необузданная" фантазия футурологов прошлого не могла себе представить масштабов нового источника энергии - из одного литра воды можно получить столько же энергии, как при сжигании 300 литров бензина. Что же касается угрозы для жизни на Земле, создаваемой этим открытием, то к термоядерной энергетике эта часть прогноза отношения не имеет. Сама по себе термоядерная реакция не дает радиоактивных отходов. К тому же в термоядерном реакторе в принципе исключается возможность саморазгоняющейся реакции, подобной взрыву водородной бомбы.

На Земле запасы термоядерной энергии огромны. Ведь в принципе все легкие элементы могли бы синтезироваться в элементы из середины таблицы Менделеева, выделяя при этом энергию. Однако легче всего (а если точнее, относительно легко) идут реакции синтеза между тяжелыми изотопами водорода - дейтерия и трития. Но даже эти реакции не так-то просто осуществить. Для синтеза ядер дейтерия нужна температура около одного миллиарда градусов, а для синтеза дейтерия с тритием - не меньше 100 миллионов.

В этом и состоит главная трудность. Во-первых, нагреть вещество до таких температур само по себе не просто. Во-вторых, при таких температурах любое вещество превращается в плазму - газ из электронов и полностью ионизированных атомов, - обладающую необычайно высокой теплопроводностью. Плазма же мгновенно отдает свою тепловую энергию стенкам камеры, в которой она содержится.

"Нагреть в замкнутом контейнере плазму до миллионов градусов - это то же самое, что вскипятить воду в стакане изо льда", - очень метко заметил известный советский физик профессор Д. Франк-Каменецкий.

Главная стратегическая задача термоядерного синтеза - нагреть плазму примерно до 100 миллионов градусов и удерживать вне контакта со стенками столько времени, чтобы успело прореагировать достаточное количество вещества. Наиболее удобной характеристикой является, однако, не время удержания плазмы, а произведение времени удержания на ее плотность - так называемый параметр удержания. Действительно, в более плотной плазме скорость реакции больше, поэтому время удержания для нее может быть меньше, и наоборот. Так, для смеси дейтерия и трития это произведение должно быть не менее 10¹⁴ сек Х см^-3. Другими словами, при плотности частиц около 10¹⁴ в одном кубическом сантиметре (это в сотни тысяч раз меньше, чем плотность воздуха) время поддержания высокой температуры должно превышать секунду.

Основная идея удержания и термоизоляции плазмы с помощью магнитных полей была высказана советскими учеными почти 25 лет назад.

Идея магнитной термоизоляции плазмы чрезвычайно проста. Из школьной физики известно, что заряженная частица (а плазма состоит из заряженных частиц - электронов и ионов) не может двигаться поперек магнитной силовой линии. В однородном магнитном поле частица будет закручиваться вокруг силовых линий. Так что если создать систему замкнутых магнитных силовых линий, то в принципе можно удерживать плазму в некотором ограниченном объеме. Существует очень много конкретных вариантов реализации этой идеи.

Когда в 1958 году состоялась II Женевская конференция по мирному использованию атомной энергии, ее назвали "ярмаркой идей": так много интересных предложений было высказано на ней о путях управления термоядерным синтезом. Но потом наступили тяжелые времена. Появилось столько препятствий, что порой они выглядели непреодолимыми. Были такие периоды пессимизма, когда ученым казалось, будто природа принципиально исключила всякую возможность управляемой реакции синтеза. И самое главное препятствие - неустойчивость плазмы.

Первой перспективной программой управляемого синтеза стала советская программа "Токамак". Еще в 1968 году на Международной конференции по управляемому термоядерному синтезу, состоявшейся в Новосибирске, советские физики сообщили, что на установке "Токамак-3" получен устойчивый режим и температура плазмы поднялась столь высоко, что удалось зарегистрировать первые признаки реакции синтеза - термоядерные нейтроны.

За рубежом сообщение было встречено с недоверием. Это, в общем, понятно, так как в течение предыдущих двадцати лет положительные результаты добывались с невероятным трудом и очень часто при дальнейшей проверке не подтверждались. Так было не раз с сообщениями американских и английских ученых. Поэтому неудивительно, что и к советским достижениям отнеслись с изрядным скепсисом. Тогда по инициативе академика Л. Арцимовича в Институт атомной энергии имени И. В. Курчатова были приглашены английские физики со своей аппаратурой, чтобы еще одним независимым методом измерить температуру плазмы в "Токамаке". Их измерения полностью подтвердили результаты советских ученых.

Сейчас ведутся работы по проектированию и созданию крупных установок типа "токамак", отвечающих требованиям так называемого демонстрационного, или испытательного реактора, которые вступят в строй в 1980-1985 годах. А вслед за этими установками уже прорисовываются контуры первых энергетических реакторов.

Другим, если можно так сказать, полярным направлением в попытках решить проблему термоядерного синтеза является метод лазерного нагрева горючего. Идея здесь проста: в фокусе лазерного луча нагреваются твердые или жидкие частички (радиусом около 0,01-0,1 сантиметра) из смеси дейтерия с тритием. Плотность ядер в твердом веществе почти в миллиард раз выше, чем плотность плазмы в "токамаках". А скорость реакции в более плотном веществе выше. Поэтому, если нагреть такую частичку до подходящей температуры, для зажигания смеси достаточно будет всего одной миллиардной доли секунды.

Но, несмотря на идейную простоту "лазерного термояда", здесь еще множество сложных задач.

Есть надежда преодолеть эти трудности, и эксперименты на созданной недавно учеными Физического института АН СССР установке "Дельфин" должны показать, сколь она обоснована. В этой установке 216 лазерных лучей, сведенные в двенадцать мощных пучков, будут нагревать со всех сторон мишень - дейтериевый шарик диаметром в один миллиметр. Под давлением лазерных лучей шарик сжимается так, что плотность вещества повышается. Суммарная мощность лазерных импульсов в установке (10¹³ ватт), как надеются ученые, будет достаточной, чтобы "поджечь" смесь дейтерия с тритием.

Еще один многообещающий способ быстрого нагрева и сжатия термоядерных мишеней состоит в использовании ускорителей релятивистских (движущихся со скоростями, близкими к скорости света) электронов. Как и с помощью лазеров, здесь удается быстро нагреть мишень до 10 миллионов градусов и достигнуть тысячекратного ее сжатия. Эксперименты, выполненные в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова, показали, что таким путем можно достигнуть условий, когда начинает протекать термоядерная реакция.

На примере проблемы термоядерного синтеза наглядно проявляется важнейшая черта современной физики- ее внутреннее единство. Практически любая крупная физическая проблема не изолирована, а тесно связана с множеством направлений и областей физики. Сама по себе задача создания термоядерных реакторов поначалу выглядела как прикладная. Однако затем исследования привели к появлению чисто фундаментальной области - физики высокотемпературной плазмы. Лишь глубокое изучение основ этой области, законов, которым подчиняется горячая плазма (казалось бы, простейшее вещество, незамысловатая комбинация частиц с зарядами противоположных знаков), позволило построить базис для понимания множества физических процессов. Это привело к прогрессу в проблеме термоядерного синтеза. И с другой стороны, дало возможность разобраться в природе многих астрофизических явлений как в ближнем, так и в дальнем космосе.

Плазма встречается в космосе повсюду. Уже на первом этапе исследований ближнего космоса советскими автоматическими станциями были обнаружены потоки солнечной плазмы - солнечный ветер. Это дало основание именно с позиций физики плазмы взглянуть на многие процессы, происходящие на Солнце. Достаточно стройное и логичное объяснение получило, например, такое важное и интересное астрофизическое явление, как солнечные хромосферные вспышки. Измерения с помощью приборов, вынесенных в космос, показали, что во время вспышек возникают потоки ускоренных частиц - электронов и тяжелых ионов - и выбрасываются сгустки плазмы.

Еще одно крупное открытие, сделанное советской наукой и относящееся к "ведомству" физики плазмы, - радиационные пояса Земли. Энергичные заряженные частицы, приходящие из окружающего космического пространства, захватываются и удерживаются магнитным полем Земли. Фактически природа поставила здесь гигантский эксперимент по удержанию частиц в магнитной ловушке, очень сильно напоминающий физикам их лабораторные эксперименты по удержанию плазмы в термоядерных исследованиях. Аналогия между динамикой плазмы в лабораторных магнитных ловушках и радиационных поясах Земли помогла установить конкретные механизмы, управляющие поведением частиц в магнитном поле. Удалось создать точные математические модели процессов в радиационных поясах, а также применить полученные знания к другим областям космоса - Солнцу, планетам солнечной системы, межзвездному пространству.

Космическая техника помогает исследовать физические процессы в космосе. В свою очередь, прогресс космической и ракетной техники очень тесно связан с достижениями физики. В частности, будущее космических полетов сильно зависит от успеха в создании новых перспективных типов двигателей - ядерных, ионных, плазменных. А успехи в лазерной технике позволили приступить к разработке и лазерных двигателей для ракет.

За последние годы на другом полюсе исследований- в астрофизике - было сделано немало замечательных открытий, обнаружено множество необычных и загадочных объектов. Это - пульсары, или нейтронные звезды, квазары, рентгеновские источники, реликтовое (остаточное) микроволновое излучение, а также гипотетические "черные дыры". Этому потоку открытий в значительной степени способствовало развитие материальной базы астрофизики. В частности, в нашей стране международную известность получили крупнейшие в мире радиотелескоп РАТАН-600 и 6-метровый оптический телескоп БТА. Возможности наземной астрономии дополняют и расширяют космические обсерватории, подобные тем, что работают на кораблях "Союз" и орбитальных станциях "Салют". Надо думать, и новые открытия не заставят себя ждать.

Но можно смело утверждать, что любое открытие состоится только наполовину, если не найдено объяснение его природы, механизм явлений, не вскрыта связь с уже известными процессами.

И в этом смысле очевиден успех физики, предсказавшей и объяснившей многие астрофизические открытия. Так, открытие пульсаров показало, что многое из того, что в принципе может предсказать квантовая механика, на самом деле происходит, реализуется в природе. Разумеется, физика говорила просто об областях с очень большой плотностью вещества, но это может быть только в звездах - ясно, что предельные состояния там легче реализуются, чем в лаборатории. Таким образом, пульсары оказались подтверждением очень глубокой физической идеи о неустойчивости больших гравитирующих систем и устойчивости нейтронного образования с высокой плотностью - нейтронной звезды. Все это предсказывается на основе формул квантовой механики, правомерность применения которой к объектам во вселенной и подтвердилась открытием пульсаров.

Еще один вид небесных объектов был предсказан также на основе физической теории в 1932 году выдающимся советским физиком Л. Ландау. Известно, что светимость звезды обусловлена выделением энергии за счет ядерных реакций в ее недрах, а устойчивое равновесие звезды обязано равенству сил давления горячего газа и излучения, распирающих звезду изнутри, и сил гравитации, стремящихся сжать ее снаружи. Но в конце эволюции звезды источники ядерной энергии иссякают и ничто уже не может предотвратить катастрофического сжатия. Звезда сжимается все быстрее и быстрее. Если масса звезды в несколько раз больше солнечной массы, то при радиусе в десять-пятнадцать километров она становится невидимой и превращается в так называемую "черную дыру". Поле тяготения ее становится столь сильным, что не только частицы, но и свет не могут выйти наружу.

Такая звезда сама по себе ничего не излучает, и, казалось бы, обнаружить ее в космосе нет никакой возможности. И тем не менее, как предположили и обосновали свои предположения советские астрофизики академик Я. Зельдович и доктор физико-математических наук Р. Сюняев, увидеть "черную дыру" все-таки можно. Вот на чем базируются их расчеты, получившие в последние годы всеобщее признание.

Мощным гравитационным полем "черная дыра" неумолимо втягивает в себя межзвездное вещество, которое разгоняется при этом до огромных скоростей. У поверхности "черной дыры" падающее вещество имеет скорость до 100 тысяч километров в секунду - треть скорости света. При взаимодействии вещества с гравитационным полем выделяется огромное количество энергии - от 10 до 40 процентов полной энергии вещества (вспомним Е=МС², а также то, что полностью энергия выделяется лишь при аннигиляции). Такой процесс падения вещества на поверхность "черной дыры" называется аккрецией. Энергия, выделяющаяся при аккреции, излучается в форме электромагнитного излучения - света или рентгеновских лучей. А это излучение ученые уже умеют регистрировать с помощью средств внеземной астрономии, успешно развивающейся в нашей стране на базе искусственных спутников Земли.

Предполагается, что одна такая "черная дыра" обнаружена. Ею может быть недавно открытый рентгеновский источник Лебедь X-1. Установлено, что этот источник входит в состав тесной двойной пары. Один из членов этой пары - оптический сверхгигант с массой в 25 масс Солнца, а второй - невидимый в оптическом диапазоне компактный объект с массой около десяти солнечных масс. Эта черная "малютка" своим мощным гравитационным полем высасывает из огромного соседа вещество и превращает его в рентгеновское излучение. В области радиусом всего несколько десятков километров происходят грандиозные процессы - за несколько миллисекунд здесь выделяется энергии больше, чем при взрыве 100 миллиардов мощных водородных бомб!

На фоне бурного накопления наблюдательных данных астрофизики сейчас все больше задаются вопросом о том, как рождаются галактики, как рождаются звезды, откуда они берут энергию, как развивается вселенная и, наконец, что с ней было на ранних этапах ее развития. И проблема изучения динамики вселенной неожиданно оказывается связанной с необходимостью развивать квантовую механику, строить единую теорию элементарных частиц и гравитации. Ведь изучение ранней истории вселенной требует хорошего понимания процессов в микромире, поскольку согласно теории так называемого "большого взрыва" вселенная 15-20 миллиардов лет назад была сжата в "точку". Не исключено даже, что все вещество вселенной (примерно около 1053 граммов) было собрано в объеме 10-13 сантиметра. Чтобы установить правомерность такой теории, необходимо познать свойства вещества при очень высоких плотностях, намного превышающих даже ядерные плотности. Это невозможно без хорошего понимания природы микромира на субъядерном, а может быть, и более глубоком уровне. Потому что при высоких плотностях уже нет атомов, нет ядер, да и само по себе понятие элементарных частиц уже теряется.

Трудно вообразить себе чудовищно малый объем, в который загнана вся вселенная с ее галактиками, звездами, планетами... Точно так же, как нелегко представить, какая сила могла раскидать вещество на грандиозные расстояния, через которые даже свет пробирается миллиарды лет. Но сам факт способности современной физики поставить задачу о поведении всей вселенной в целом представляет собой великолепную демонстрацию ее могущества.

Далеко вперед ушла за шестьдесят лет советская физика, превратившись за эти годы из лабораторной, сугубо академичной науки в науку, если можно так выразиться, индустриальную. Все больше появляется лабораторий, по размерам и технической оснащенности не уступающих крупным цехам, а огромный Серпуховский ускоритель можно, пожалуй, сравнить с заводом. Конструкция гигантского 6-метрового оптического телескопа БТА весит около 1000 тонн и включает в себя сотни сложных узлов и механизмов, управлять которыми под силу только ЭВМ. Достижения десятков отраслей промышленности, продукция сотен заводов используются сейчас для постановки физических исследований.

И физика, в свою очередь, не остается в долгу перед нашей страной. Атомная энергетика и лазерная техника, миниатюрные электронные микросхемы и гигантские космические корабли, термоядерная энергетика будущего и технологические материалы с новыми необычными свойствами - все это плоды фундаментальных исследований. Изучая глубочайшие свойства материи, являясь выражением высших духовных потребностей человека, физика в то же время раскрывает новые перспективы перед современной техникой и производством, выполняющими задачу построения материально-технической базы коммунизма.