Книга Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №4 - Журнал «Домашняя лаборатория»

нынешнем веке, то, как я уже говорил, практически всё, что нас окружает и обеспечивает наше физическое и духовное существование, напрямую связано с научной и научно-технической деятельностью. Это вызвано тем, что XX век в целом был насыщен многочисленными открытиями, радикально изменившими не только физическую картину мира, но оказавшими решающее влияние на его технологический и технический облик.

Можно указать на ряд таких опорных открытий, сыгравших принципиальную роль в этом процессе. Среди них в области теоретической физики построение квантовой механики и квантовой теории поля, специальной и общей теории относительности; в области атомной и ядерной физики и физики элементарных частиц открытия естественной и искусственной радиоактивности и деления ядер тяжелых элементов, осуществление цепной ядерной реакции, построение теории атома и ядра и стандартной модели элементарных частиц; в области физики конденсированного состояния построение теории сверхпроводимости и сверхтекучести, а в области технической физики изобретение радиоприемника, открытие голографии, лазерно-мазерного принципа и транзисторного эффекта, создание полупроводников и микрочипов.

Вне всякого сомнения, по отношению к физике природа выдвигала и до сей поры выдвигает множество вызовов. Среди них в области фундаментальной физики наиболее крупными являются задачи построения единой теории электрослабых, сильных и гравитационных взаимодействий, предсказание параметров (прежде всего масс и спинов) всех мыслимых частиц и описание взаимодействия частиц при сверхвысоких энергиях.

Однако во второй половине XX в. В области фундаментальных исследований проявились новые тенденции. Они обнаружили себя в ряде выдающихся открытий в области наук о живом и в астрономии. Поэтому, если XX век можно определить как век физики, то XXI век будет, на мой взгляд, веком биологии и астрономии или, если хотите, веком физики живого и физики Вселенной. Остановлюсь на более известной мне области астрономии.

В астрономии наиболее впечатляющими открытиями второй половины XX в. являлись открытия звёздных ассоциаций и звездообразования Виктором Амбарцумяном (1947), квазаров — Мартином Шмидтом (1963), реликтового излучения — Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном (1965), пульсаров — Джоселин Белл и Энтони Хьюишем (1967), рентгеновских объектов — группой под руководством Риккардо Джиаккони (1970), солнечных нейтрино — Раймондом Дейвисом (1968) и космических нейтрино — группой под руководством Масатоши Кошиба (1987), построение теории ядерных реакций для объяснения источника энергии звезд — Хансом Бете (1938) и теории образования химических элементов в звёздах и во Вселенной — Уильямом Фаулером и Фредом Хойлом (1954–1957). Авторы почти всех этих открытий были удостоены Нобелевских премий в области физики.

В целом астрономия в конце XX в. претерпела революционные изменения, которые будут определять ее облик, по крайней мере, до середины нынешнего века. Во-первых, она стала всеволновой, используя для получения наблюдательной информации о Вселенной полный спектр электромагнитного излучения от радиоволн до гамма-лучей, а также нейтрино, гравитационные волны, космические лучи, вещество планет, их спутников и комет. Во-вторых, она стала глобальной, объединяя для реализации своих программ с помощью современных телекоммуникационных технологий телескопы, расположенные на различных материках, а в ряде случаев и в космосе, в единые глобальные сети реального времени — глобальные телескопы. В-третьих, для объяснения новых наблюдаемых явлений она стала использовать самые современные физические теории и самые изощренные математические методы.

Итак, астрономия стала высокотехнологической и, как следствие, очень дорогой наукой, использующей самые передовые наземные и космические технологии. Кардинально изменились и ее кадры — в астрономию пришли новые люди, физики, математики и инженеры, которые принесли с собой указанные выше методы и технические средства и которые, собственно говоря, ее и преобразовали…

Совершенно очевидно, что пространственно-временные и энергетические масштабы происходящих в космосе процессов таковы, что они всегда на порядки порядков будут превышать технические и технологические возможности любой сколько угодно высоко развитой цивилизации. Это означает, что Вселенная является уникальной физической лабораторией (наш выдающийся соотечественник академик Яков Зельдович остроумно определил Вселенную как "лабораторию для бедных"), которую природа предоставила исследователям для изучения необычных состояний вещества, построения и проверки фундаментальных физических теорий. По этой причине именно здесь сосредоточены все наиболее значительные вызовы природы и все, наиболее значительные возможные прорывы в ее понимании. Упомяну о нескольких примерах такого рода.

Среди фундаментальных физических теорий особое место занимает общая теория относительности — теория тяготения Эйнштейна. Это поистине фундаментальная теория и потому, что она описывает такие фундаментальные феномены, как сверхсильные гравитационные поля и основные свойства пространства-времени, и потому, что она не имеет внутренних ограничений на область своего применения. Будучи создана более 90 лет тому назад, она многократно и с всё возрастающей точностью проверялась в прямых и косвенных экспериментах, при этом до сих пор не было обнаружено ни одного экспериментального факта, противоречащего этой выдающейся физической теории. Вместе с тем при изучении ряда экзотических астрономических явлений, таких как черные дыры и ранняя Вселенная, возникает твердое ощущение, что теория тяготения Эйнштейна должна быть обобщена, подобно тому, как в свое время была обобщена теория тяготения Ньютона.

Черные дыры это особые области пространства-времени, которые могут возникать на заключительной стадии эволюции звезд (звёзды, как и люди, рождаются, живут и умирают) с массами, большими трех масс Солнца, а также в ядрах галактик и квазаров и на начальной фазе расширения Вселенной. Существование черных дыр предсказано общей теорией относительности, и в настоящее время существует ряд наблюдений, которые с высокой степенью достоверности подтверждают существование черных дыр со звёздными массами. Ближайшие десятилетия должны прояснить вопрос о существовании сверхмассивных (с массами в сотни миллионов и миллиардов масс Солнца) и первичных (с массами порядка миллиардов тонн) черных дыр — первых как источников первичной энергии ядер галактик и квазаров, вторых как источников информации об очень ранних стадиях эволюции Вселенной. Здесь же мы получим окончательный ответ о механизмах образования той видимой картины мира, которую мы привыкли видеть, вглядываясь в ночное звёздное небо.

Вселенная — это уникальное образование, возникшее порядка 1314,5 млрд. лет назад из сверхплотного и сверхгорячего состояния, из сингулярности, которая, подобно гену, содержала всю информацию о будущем Вселенной. Как я уже упоминал, в 1965 г. было открыто микроволновое реликтовое излучение, которое несёт информацию о первых нескольких сотнях тысяч лет жизни Вселенной. Расширяющийся огненный шар Вселенной остывал, и в силу расширения его излучение смещалось в инфракрасную область, в результате чего наступили "темные времена" ("dark ages"), которые длились до тех пор, пока не возникли звёзды, снова осветившие Вселенную. Информацию о более ранних этапах жизни Вселенной, вплоть до нескольких минут после её рождения, несут данные об ее первичном химическом составе и, прежде всего, о соотношении водорода, гелия, дейтерия и лития (более тяжелые элементы углерод, кислород, железо и др., рождаются в звёздах). Однако наиболее интересные явления сосредоточены