«Физический минимум» на начало XXI века

Можно рассчитывать на то, что в XXI веке наука будет развиваться не менее быстро, чем в ушедшем XX столетии. Вместе с тем физика так разрослась и дифференцировалась, что за деревьями трудно разглядеть лес, трудно охватить мысленным взором картину современной физики как целого. Между тем такая картина существует и, несмотря на все ответвления, у физики имеется стержень. Таким стержнем являются фундаментальные понятия и законы, сформулированные в теоретической физике.

Я пропагандирую «проект» (как сейчас стало модно говорить) так называемого «физического минимума». Речь идет о составлении некоторого списка проблем, представляющихся в данное время наиболее важными и интересными. Это темы, о которых каждый физик должен иметь некоторое представление, знать о чем идет речь. Быть может, менее тривиально мнение, что достичь подобной цели вовсе не так уж трудно, не так уж на это нужно потратить много времени и сил. Но для этого необходимы известные усилия не только со стороны «обучающихся», но и со стороны «старших товарищей».

«Особенно важные» проблемы выделяются не тем, что другие не важны, а тем, что на обсуждаемый период времени находятся в фокусе внимания, в какой-то мере находятся на главных направлениях. Завтра эти проблемы могут оказаться уже в тылу, на смену им придут другие. Подобные «списки», конечно, в известной мере субъективны. Я сейчас, в 2004 году, могу предложить такой.

Быть может, следовало бы сюда добавить «пункты» о квантовых компьютерах и некоторых проблемах оптики. Однако обращаю внимание читателя на субъективность и антидогматичность подобных «списков».

Список «особенно важных и интересных проблем»

Макрофизика
Управляемый ядерный синтез.
Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость.
Металлический водород. Другие экзотические вещества.
Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты).
Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктуры в полупроводниках, переходы металл—диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика).
Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах.
Физика поверхности. Кластеры.
Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики.
Фуллерены. Нанотрубки.
Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.
Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы.
Разеры, гразеры, сверхмощные лазеры.
Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра.

Микрофизика
Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. Кварк-глюонная плазма.
Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W–+- и Z0-бозоны. Лептоны.
Стандартная модель. Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи.
Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры.
Несохранение СР-инвариантности.
Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме.
Струны. М-теория.

Астрофизика
Экспериментальная проверка общей теории относительности.
Гравитационные волны, их детектирование.
Космологическая проблема. Инфляция. L-член. Связь между космологией и физикой высоких энергий.
Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды.
Черные дыры. Космические струны(?).
Квазары и ядра галактик. Образование галактик.
Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирования.
Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией.
Гамма-всплески. Гиперновые.
Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции.

О трех «великих» проблемах
Для известной полноты картины хочу упомянуть еще о трех проблемах (или круге вопросов), которые остались за пределами изложенного.

Во-первых, речь идет о возрастании энтропии, необратимости и «стреле времени». Во-вторых, это проблема интерпретации и понимания квантовой механики. И в-третьих, это вопрос о связи физики с биологией и, конкретно, проблема редукционизма.

Что касается «стрелы времени», не вижу каких-то новых экспериментов, могущих способствовать прогрессу в понимании. Интуитивно думаю, что важно несохранение СР, а тем самым и Т-инвариантности. Но все это еще недостаточно исследовано и осознано.

Хочу отметить, что обсуждение основ нерелятивистской квантовой механики сохраняет известную актуальность и не следует им пренебрегать. Значительная, если не подавляющая часть критиков квантовой механики не удовлетворены вероятностным характером части ее предсказаний. Они хотели бы, видимо, вернуться и при анализе микроявлений к классическому детерминизму и, наглядно говоря, узнать в конце концов, куда именно попадает каждый электрон в известных дифракционных опытах. Сейчас надеяться на это нет никаких оснований.

Теперь о связи физики с биологией. С конца XIX века и примерно до 60-х или 70-х годов XX века физика была, можно сказать, первой наукой, главной, доминирующей. Конечно, всякие ранги в науке условны, и речь идет лишь о том, что достижения физики в указанный период были особенно яркими и, главное, в значительной мере определяли пути и возможности развития всего естествознания. Развитие физики привело в середине XX века к известной кульминации — овладению ядерной энергией и, к великому сожалению, созданию атомных и водородных бомб. Полупроводники, сверхпроводники, лазеры — все это тоже физика, определяющая лицо современной техники и тем самым, в значительной мере, современной цивилизации. Но дальнейшее развитие фундаментальной физики, основ физики и, конкретно, создание кварковой модели строения вещества — это уже физические проблемы, для биологии и других естественных наук непосредственного значения не имеющие. В то же время биология, используя в основном все более совершенные физические методы, быстро прогрессировала и, после расшифровки в 1953 году генетического кода, начала особенно бурно развиваться. Сегодня именно биология, особенно молекулярная биология, заняла место лидирующей науки. Можно не соглашаться с подобной терминологией и маловажным, по существу, распределением «мест» в науке. Я хочу лишь подчеркнуть факты, не всеми физиками, особенно в России, понимаемые. Для нас физика остается делом жизни, молодой и прекрасной, но для человеческого общества и его развития место физики заняла биология.

Мы полагаем в настоящее время, что знаем, из чего устроено все живое — из электронов, атомов и молекул. Знаем строение атомов и молекул, а также управляющие ими и излучением законы. Поэтому естественна гипотеза о редукции — возможности все живое объяснить на основе физики, уже известной физики. Конкретно, основными являются вопросы о происхождении жизни и появлении сознания (мышления). Образование в условиях, царивших на Земле несколько миллиардов лет назад, сложных органических молекул уже прослежено, понято и смоделировано. Казалось бы, переход от таких молекул и их комплексов к простейшим организмам, к их воспроизводству можно себе представить. Но здесь имеется какой-то скачок, фазовый переход. Проблема не решена, и я склонен думать, будет безоговорочно решена только после создания «жизни в пробирке».

О будущем нельзя не думать с завистью — сколь много важного и интересного мы узнаем даже в ближайшие лет десять! Думаю, что в пределах 20–30 лет мы получим ответы на все упомянутые выше вопросы, за исключением, быть может, фундаментальных проблем физики элементарных частиц (суперструны и т. д.) и квантовой космологии вблизи классических сингулярностей. В этих двух направлениях я просто не берусь ничего предвидеть.

И еще. Распространенные в последние годы довольно пессимистические прогнозы в отношении развития физики и астрофизики в обозримое время представляются мне плодом недостаточной информированности, некомпетентности или просто недоразумения.

Более подробно затронутые в этой статье проблемы изложены в главе «Какие проблемы физики и астрофизики представляются особенно важными и интересными в начале XXI века» в книге В. Л. Гинзбурга «О науке, о себе и о других». М., изд-во «Физматлитература», 2003 г. (3-е издание).