Тенденции развития естествознания в физике

Представляется, что в дальнейшем характер развития физики изменится. Серьезные достижения в науке ученыходиночекстанутмаловероятными. Успехи могут быть достигнуты только усилиями больших коллективов ученых, располагающих сложнейшими, весьма дорогостоящими экспериментальными средствами.

Поэтому перспективы развития физики в значительной степени будут определяться возможностями привлечения материальных ресурсов и средств как в отдельных странах, так и по линии международного сотрудничества.

Чтобы представить размеры этого сооружения, достаточно сказать, что частицы разгоняются в тоннеле длиной 27 км. А один из детекторов частиц АТЛАС представляет собой размещенный под землей цилиндр длиной 26 м и диаметром 20 м, общим весом 7 тыс. т, со сложнейшей аппаратурой.

Другим примером сложнейшей установки по проекту ИТЕР, реализуемому в настоящее время, стоимостью 10 млрд долл., является прообраз термоядерного реактора будущего — гигантский токамак, в котором планируется достижение температуры плазмы до десятков миллионов градусов, когда возможно осуществление термоядерного синтеза легких элементов.

А для получения, например, астрофизической информации (изучения мегамира) коллективами ученых ряда стран разрабатываются сложнейшие комплексы для дистанционного исследования космических объектов во всем диапазоне длин электромагнитных волн от радио- и оптического до рентгеновского.

Проведение таких комплексных измерений планируется приводить во внеатмосферных условиях на международных космических станциях (МКС).

Можно указать также и целый ряд других крупных исследовательских международных программ, в числе которых комплексное изучение Мирового океана, глобальное изучение погодообразующих и климатообразующих факторов и т. д.

Можно ли сегодня представить основные направления развития физики в будущем? История развития физики показывает, что это сделать очень трудно, так как каждый период характеризуется, как правило, развитием новых направлений.

Например, XVII в. — век классической механики, ХVIII–XIX вв. — период развития термодинамики и электродинамики (включая оптику), XX в. — век атомной и ядерной физики, век теории относительности и квантовой физики.

Предсказать, каким будет XXI в., естественно, невозможно, но можно все же отметить те направления в области микро-, макро- и мегафизики, по которым уже был сделан определенный задел в XX в. и по которым сформулированы проблемы, ждущие своего решения в ближайшие 20–30 лет. Укажем некоторые из них.

Очевидно, что главное направление — это развитие исследований в области фундаментальных проблем теоретической физики. В числе основных здесь можно выделить по крайней мере четыре проблемы.

Это, во-первых, создание теории Великого объединения — объединения в рамках единой теории трех (из четырех) фундаментальных взаимодействий в природе — слабого, электро- магнитного и сильного.

Определенный оптимизм вселяет то, что, как известно, в конце XX в. уже была создана единая теория двух взаимодействий — электромагнитного и слабого — теория электрослабых взаимодействий.

Во-вторых, в более отдаленное время, — объединение всех четырех фундаментальных взаимодействий (включая гравитационное) в рамках программы “супергравитация”.

В-четвертых, развитие теории Большого взрыва с учетом новейших достижений физики элементарных частиц.

В области экспериментальных работ приоритетными на ближайшие десятилетия, по-видимому, будут те, в рамках которых могут реализоваться уже упомянутые технические проекты.

Например, продвижение исследований с помощью новых ускорителей в область все больших энергий позволит получить новые данные о процессах взаимодействия элементарных частиц, что, в частности, позволит развивать кварково-глюонную квантовую хромодинамику.

А развитие физики высоких энергий в целом, включая ускорители и космические лучи (в которых присутствуют частицы гораздо больших энергий), с учетом некоторых уже известных астрофизических процессов, возможно, даст ответ на некоторые принципиально важные для теоретической физики вопросы.

Среди них такие, как обнаружение монополя Дирака, установление факта распада протона, существование “скрытой материи” в природе, открытие гипотических “частиц Хиггса”. В случае положительного или отрицательного исхода таких экспериментов могут быть существенно пересмотрены многие из принятых сейчас теоретических схем, составляющих основу миропонимания.

Другим экспериментальным направлением работ, очевидно, будут исследования в области управляемого термоядерного синтеза.

Более радикального решения энергетических проблем человечества, чем управляемый термоядерный синтез, в настоящее время не существует. Кроме того, следует подчеркнуть, что это также и наиболее экологически чистая энергия.

И хотя эта проблема безуспешно решается более 50 лет, существует уверенность, что она все же будет решена, возможно, даже нетрадиционным способом.

Сейчас наряду с традиционным развитием данного направления появляются некоторые альтернативные способы запуска термоядерной реакции, например, с помощью лазеров.

К сожалению, мощность современных лазеров не достаточна для этих целей. Но развитие и совершенствование лазерной техники открывает перспективы возможного решения многих проблем, в том числе и управляемого термоядерного синтеза.

Третьим экспериментальным направлением является экспериментальная астрофизика. Выход человечества в космос позволил сделать прорыв в изучении мегамира.

Подобно тому, как изобретение микроскопа открыло окно в микромир, так и возможность проведения прямых атмосферных наблюдений в космосе во всех спектральных интервалах — от радиодиапазона до рентгеновских и γ-лучей — открывает для нас во всем многообразии мегамир.

Уже начальный этап таких исследований во второй половине XX в. привел к астрофизическим открытиям огромной важности. Обнаружен целый ряд новых космических объектов — пульсаров, квазаров, практически доказано существование черных дыр.

Специалисты изучают и еще более экзотические объекты — космические структуры, обладающие уникальными свойствами и особенностями.

Мы являемся свидетелями быстрого увеличения объема наблюдательной, экспериментальной информации в области астрофизики.

Ждет своего решения построение теории черных дыр, затем теории, объясняющей свойства удивительных объектов, — квазаров. По одной из гипотез, квазары — это ядра гигантских галактик. Полные энерговыделения в них доходят до фантастической цифры в 10⁶¹–10⁶² эрг. Одним из источников такой гигантской энергии считается возможное высвобождение энергии гравитационного поля.

То есть мы видим, что в космическом пространстве могут идти процессы совсем другой природы и других масштабов, по сравнению с теми, которые происходят в земных условиях. Следует ожидать, что могут быть открыты принципиально новые законы и построены фундаментальные теории, описывающие явления, специфические для мегамира.

Возможно, что и в целом XXI в. будет в основном веком изучения мегамира (так же, как XX в. по праву считается веком изучения микромира).

Во Вселенной могут присутствовать не обнаруженные еще новые виды материи, дающие свой вклад в среднюю плотность вещества.

Сейчас считается, что средняя плотность вещества во Вселенной равна 3 · 10⁻³¹ г/см3, а при такой плотности, по существующей модели, Вселенная расширяется. Если бы средняя плотность вещества была выше 10⁻²⁹ г/см3, то расширение Вселенной сменялось бы сжатием.

Кроме того, из теории Большого взрыва следует, что к нашей эпохе первичные нейтрино, образованные в начальные моменты взрыва, должны иметь температуру порядка 2 К. Обнаружение этих нейтрино было бы крупным достижением астрофизики.

Одним из важнейших направлений исследований является также экспериментальное подтверждение существования гравитонов, имеющее принципиальное значение для дальнейшего развития общей теории относительности.

И наконец, космические программы предполагают во всех больших масштабах поиски внеземных цивилизаций.

Перечисляяосновныенаправленияразвитияфизикив XXI в., нельзя не коснуться необходимости проведения огромного фронта научно-прикладных исследований.

Это и поиски новых и более эффективное освоение известных видов энергии, прежде всего солнечной.

Это и дальнейшие исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости. Получение сверхпроводящих веществ при комнатных температурах (в соответствии с существующими теориями принципиальных препятствий для этого нет) приведет к подлинной технической революции во многих отраслях техники.

Уже сейчас видны пути получения лазеров нового поколения, генерирующих излучение в области рентгеновского и γ-излучения, а также обеспечивающих огромные мощности: 10²⁶–10²⁷ Вт/см2 (сейчас достигнуты мощности 10²⁰–10²¹ Вт/см2).

Новые мощные лазеры, как уже отмечалось, возможно, помогут решить и проблему управляемого термоядерного синтеза.

Заканчивая рассмотрение основных перспективных направлений развития физики в XXI в., следует особо отметить, что она будет наукой нелинейных систем. Основанием для этого служат успехи нелинейной оптики, нелинейной акустики, успехи нелинейных динамических систем, относящихся к очень широкому классу явлений.

Нелинейный подход и идеи, в частности, обоснованные И. Р. Пригожиным, могут придать существенное развитие принципам самоорганизации неживой и живой природы, и на этой основе — могут получить более глубокие основания принципы универсального эволюционизма.