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. Имеются 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.
Квантовая электроника.Квантовые генераторы дают электромагнитное излучение, уникальное по своим свойствам. Излучение лазера когерентно и может достигать в узком спектральном интервале огромной мощности: 10 12–10 13 вт,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.
Лазерное излучение применяют для разделения изотопов, в частности для обогащения урана изотопом 235U, для испарения и сварки металлов в вакууме, в медицине и т.д. Перспективно, по-видимому, применение лазеров для нагрева вещества до температур, при которых возможно осуществление термоядерных реакций. Стоит задача поисков новых применений лазерного излучения, например для связи в космосе.
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.
Исследование электромагнитного и корпускулярного излучения плазмы имеет решающее значение для объяснения ускорения заряженных частиц при вспышках сверхновых, излучения пульсаров и др.
Разумеется, проблемы современной Ф. не сводятся к перечисленным; свои проблемы имеются во всех разделах Ф., и общее число их столь велико, что они не могут быть здесь приведены.
VI. Связь физики с другими науками и техникой
Физика и философия.Вследствие общности и широты своих законов Ф. всегда оказывала воздействие на развитие философии и сама находилась под её влиянием. С каждым новым открытием в естественнонаучной области, по словам Ф. Энгельса, материализм неизбежно должен менять свою форму.
В достижениях современной Ф. всё большее подтверждение и конкретизацию находит высшая форма материализма – диалектический материализм.При переходе к исследованию микромира закон диалектики – единство противоположностей – проявляется особенно отчётливо. Единство прерывного и непрерывного находит своё отражение в корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц. Необходимое и случайное выступают в неразрывной связи, что выражается в вероятностном, статистическом характере законов движения микрочастиц. Провозглашаемое материализмом единство материального мира ярко проявляется во взаимных превращениях элементарных частиц – возможных форм существования физической материи. Особенно важен правильный философский анализ в революционные эпохи развития Ф., когда старые представления подвергаются коренному пересмотру. Классический образец такого анализа был дан В. И. Лениным в книге «Материализм и эмпириокритицизм». Лишь понимание соотношения между абсолютной и относительной истинами позволяет правильно оценить сущность революционных преобразований в Ф., видеть в них обогащение и углубление наших представлений о материи, дальнейшее развитие материализма.
Физика и математика.Ф. – количественная наука. Основные её законы формулируются на математическом языке, главным образом с помощью дифференциальных уравнений. С др. стороны, новые идеи и методы в математике часто возникали под влиянием Ф. Анализ бесконечно малых был создан Ньютоном (одновременно с Г. В. Лейбницем ) при формулировке основных законов механики. Создание теории электромагнитного поля привело к развитию векторного анализа. Развитие таких разделов математики, как тензорное исчисление, римановская геометрия,теория групп и др., стимулировалось новыми физическими теориями: общей теорией относительности и квантовой механикой. Развитие квантовой теории поля ставит новые проблемы функционального анализа и т.д.
Физика и другие естественные науки.Тесная связь Ф. с др. отраслями естествознания привела, по словам С. И. Вавилова, к тому, что Ф. глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и др. естественные науки. Образовался ряд пограничных дисциплин: астрофизика, геофизика, биофизика, физическая химияи др. Физические методы исследования получили решающее значение для всех естественных наук. Электронный микроскоп на несколько порядков повысил возможности различения деталей объектов, позволив наблюдать отдельные молекулы. С помощью рентгеноструктурного анализа изучаются не только кристаллы, но и сложнейшие биологические структуры. Подлинным его триумфом явилось установление структуры молекул ДНК, входящих в состав хромосом клеточных ядер всех живых организмов и являющихся носителями наследств, кода. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной биологии и генетики, была бы невозможна без Ф.
Метод т. н. меченых атомов играет огромную роль в исследовании обмена веществ в живых организмах; многие проблемы биологии, физиологии и медицины были решены с их помощью. Ультразвук применяется в медицине для диагностики и терапии.
Как говорилось выше, законы квантовой механики лежат в основе теории химической связи. С помощью меченых атомов можно проследить кинетику химических реакций. Физическими методами, например с помощью пучков мюонов, полученных на ускорителях, удаётся осуществить химические реакции, не идущие в обычных условиях. Используются структурные аналоги атома водорода – позитроний и мюоний,существование и свойства которых были установлены физиками. В частности, с помощью мюония удаётся измерять скорость протекания быстрых химических реакций. (См. Мюоны .)
Развитие электроники позволяет наблюдать процессы, протекающие за время, меньшее 10 -12 сек.Оно же привело к революции в астрономии – созданию радиоастрономии.
Результаты и методы ядерной Ф. применяются в геологии; с их помощью, в частности, измеряют абсолютный возраст горных пород и Земли в целом (см. Геохронология ).
Физика и техника.Ф. образует фундамент главнейших направлений техники. Электротехника и энергетика, радиотехника и электроника, светотехника, строительная техника, гидротехника, значительная часть военной техники выросли на основе Ф. Благодаря сознательному использованию физических законов техника из области случайных находок вышла на широкую дорогу целенаправленного развития. Если в 19 в. между физическим открытием и первым его техническим применением проходили десятки лет, то теперь этот срок сократился до нескольких лет.
В свою очередь, развитие техники оказывает не менее существенное влияние на совершенствование экспериментальной Ф. Без развития электротехники, электроники, технологии производства очень прочных и лишённых примесей материалов было бы невозможно создание таких устройств, как ускорители заряженных частиц, огромные пузырьковые и искровые камеры, полупроводниковые приборы и т.д.
Возникновение ядерной энергетики связано с крупными достижениями ядерной Ф. Ядерные реакторы-размножители на быстрых нейтронах могут использовать природный уран и торий, запасы которого велики. Осуществление управляемого термоядерного синтеза практически навсегда избавит человечество от угрозы энергетического кризиса.
Техника будущего будет основываться не на готовых природных материалах, а главным образом на синтетических материалах с наперёд заданными свойствами. Создание и исследование структуры вещества играют в решении этой проблемы определяющую роль.
Развитие электроники и создание совершенных ЭВМ, базирующиеся на достижениях Ф. твёрдого тела, неизмеримо расширили творческие возможности человека, а также привели к построению «думающих» автоматов, способных быстро принимать решения в обстановке, требующей обработки большого объёма информации.
Огромное повышение производительности труда достигается благодаря использованию ЭВМ (автоматизация производства и управления). По мере усложнения народного хозяйства объём перерабатываемой информации становится чрезвычайно большим. Поэтому очень важно дальнейшее усовершенствование вычислительных машин – увеличение их быстродействия и объёма памяти, повышение надёжности, уменьшение габаритов и стоимости. Эти усовершенствования возможны только на основе новых достижений Ф.
Современная Ф. стоит у истоков революционных преобразований во всех областях техники. Она вносит решающий вклад в научно-техническую революцию.
О развитии Ф. в СССР см. раздел Физические науки. См. также статьи Физические журналы, Физические институты.
Лит.: История и методология науки.Энгельс Ф., Диалектика природы, М., 1975; Ленин В. И., Материализм и эмпириокритицизм, Полное собрание соч., 5 изд., т. 18; его же, Философские тетради, там же, т. 29; Дорфман Я. Г., Всемирная история физики с древнейших времен до конца XVIII века, М., 1974; Кудрявцев П. С., История физики, т. 1–3, М., 1956–71; Лауэ М., История физики, пер. с нем., М., 1956; Льоцци М., История физики, пер. с итал., М., 1970; Марков М. А., О природе материи, М., 1976.
Общая физика.Хайкин С. Э., Физические основы механики, 2 изд., М., 1971; Стрелков С. П., Механика, 3 изд., М., 1975; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Кикоин А. К., Кикоин И. К., Молекулярная физика, 2 изд., М., 1976; Калашников С. Г., Электричество, 3 изд., М., 1970; Горелик Г. С., Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику, 2 изд., М., 1959; Борн М., Атомная физика, пер. с англ., 3 изд., М., 1970; Шпольский Э. В., Атомная физика, т. 1, 6 изд., т. 2, 4 изд., М., 1974; Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, пер. с англ., в. 1–9, М., 1965–67; Берклеевский курс физики, т. 1–5, пер. с англ., М., 1971–74.
Теоретическая физика.Курс теоретической физики: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., т. 1, Механика, 3 изд., М., 1973; т. 2, Теория поля, 6 изд., М., 1973; т. 3, Квантовая механика. Нерелятивистская теория, 3 изд., М., 1974; Берестецкий В. Б., Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П., т. 4, ч. 1, Релятивистская квантовая теория, М., 1968; Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П., т. 4, ч .2, Релятивистская квантовая теория, М., 1971; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., т. 5, ч. 1, Статистическая физика, 3 изд., М., 1976; их же, Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1954; их же. Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Голдстейн Г., Классическая механика, пер. с англ., 2 изд., М., 1975; Леонтович М. А., Введение в термодинамику, 2 изд., М. – Л., 1952; его же, Статистическая физика, М. – Л., 1944; Кубо Р., Термодинамика, пер. с англ., М., 1970; его же, Статистическая механика, пер. с англ., М., 1967; Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Давыдов А. С., Квантовая механика, 2 изд., М., 1973; Блохинцев Д. И,, Основы квантовой механики, 5 изд., М., 1976; Дирак П. А. М., Принципы квантовой механики, пер. с англ., М., 1960.
Монографии.Абрикосов А. А., Введение в теорию нормальных металлов, М., 1972; Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э., Теория колебаний, 2 изд., М., 1959; Арцимович Л. А., Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., М., 1963; Ахиезер А. И., Квантовая электродинамика, 1969; Бете Г., Зоммерфельд А., Электронная теория металлов, пер. с нем., Л. – М., 1938; Блохин М. А., Физика рентгеновских лучей, 2 изд., М., 1957; Боголюбов Н. Н., Проблемы динамической теории в статистической физике, М. – Л., 1946; Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введение в теорию квантованных полей, 3 изд., М., 1976; Бриллюэн Л., Наука и теория информации, пер. с англ., М., 1960; Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Гиббс Д ж. В., Термодинамические работы, пер. с англ., М. – Л., 1950; его же, Основные принципы статистической механики, пер. с англ., М. – Л., 1946; Гинзбург В. Л., О физике и астрофизике, 2 изд., М., 1974; Ансельм А. И., Введение в теорию полупроводников, М. – Л., 1962; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Теория тяготения и эволюция звезд, М., 1971; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; Зоммерфельд А., Строение атома и спектры, пер. с нем., т. 1–2, М., 1956; Зубарев Д. Н., Неравновесная статистическая термодинамика, М., 1971; Капица П. Л., Эксперимент, теория, практика, М., 1974; Карслоу Г., Егер Д., Теплопроводность твердых тел, пер. с англ., М., 1964; Киттель Ч., Введение в физику твердого тела, пер. с англ., 2 изд., М., 1962; Лорентц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения, пер. с англ., 2 изд., М., 1956; Лукьянов С. Ю., Горячая плазма и управляемый ядерный синтез, М., 1975; Нейман И., фон, Математические основы квантовой механики, пер. с нем., М., 1964; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Скучик Е., Основы акустики, пер. с англ., т. 1–2, М., 1976; Стретт Дж. В. (Лорд Рэлей), Теория звука, т. 1–2, 2 изд., М., 1955; Фок В. А., Теория пространства, времени и тяготения, 2 изд., М., 1961; Френкель Я. И., Введение в теорию металлов, 3 изд., М., 1958; Эйнштейн А., Инфельд Л., Эволюция физики, пер. с англ., 3 изд., М., 1965.
Энциклопедии и справочники:Физический энциклопедический словарь, т. 1–5, М, 1960–66; Encyclopaedic Dictionary of Physics (ed. J. Thewlis), v. 1–9, Oxf. – N. Y., 1961–64; Яворский Б. М., Детлаф А. А., Справочник по физике для инженеров и студентов вузов, 6 изд., М., 1974.
А. М. Прохоров.
Физика атмосферы
Фи'зика атмосфе'ры,раздел метеорологии,изучающий физические закономерности процессов и явлений, происходящих в атмосфере, в том числе определяющих строение и самой атмосферы: свойства составляющих атмосферу газов, поглощение и излучение ими радиации, распределение температуры и давления, испарение и конденсацию водяного пара, образование облаков и осадков, разнообразные формы движения в атмосфере и т.д.
Преобразование солнечной энергии и теплового излучения самой атмосферы и подстилающей поверхности изучаются актинометрией (в широком смысле этого термина) и атмосферной оптикой.К последней относятся также и различные оптические явления в атмосфере (сумерки, заря, гало,цвет н поляризация небосвода, видимость предметов и др.). Электрические явления в атмосфере ( молнии и др. электрические разряды) и её электрические свойства (проводимость, ионизация, электрические токи, объёмные заряды, заряды облаков и осадков и т.д.) – предмет учения об атмосферном электричестве.Распространение и генерация звука в реальной атмосфере и исследование последней акустическими методами – предмет атмосферной акустики.К Ф. а. относится также физика облаков и микропроцессов, приводящих к образованию твёрдых и жидких аэрозолей,включая искусственное воздействие на атмосферные процессы.
Взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью – океаном или сушей, которое происходит в нижнем, пограничном слое атмосферы и результатом которого является обмен количеством движения, теплом и влагой, также изучается Ф. а. В этом взаимодействии определяющую роль играет турбулентность в атмосфере и гидросфере . Процессы в верхней атмосфере, её строение и динамика исследуются физикой верхней атмосферы или более широким разделом науки – аэрономией,изучающей также и различные химические процессы, происходящие в верхней атмосфере.
Одна из основных проблем всех разделов Ф. а. – создание физической основы для численного моделирования различных атмосферных процессов. В этой связи наиболее важной является т. н. проблема параметризации – описание различных мелкомасштабных процессов с помощью величин, характеризующих средние атм. условия в более крупных масштабах, на фоне которых развиваются изучаемые процессы. Это необходимо при численном моделировании атмосферных явлений с помощью ЭВМ. Например, кучевые облака, размеры которых порядка нескольких км,играют важную роль при влаго- и теплообмене в атмосфере, переносе радиации и т.д. В численных моделях их влияние на радиацию, теплообмен и др. процессы в атмосфере параметризуют, т. е. выражают с помощью температуры, ветра, влажности и др. переменных, задаваемых в определённых точках, образующих пространственную сетку численной модели, расстояние между которыми обычно несколько сотен км.Ф. а. занимается также исследованиями атмосфер других планет, что способствует углублению понимания явлений, происходящих в земной атмосфере.
Лит.:Матвеев Л. Т., Основы общей метеорологии. Физика атмосферы, Л., 1965; Хргиан А. Х., Физика атмосферы, [3 изд.], Л., 1969; Гуди Р. М., Уолкер Дж., Атмосферы, пер. с англ., М., 1975.
Г. С. Голицын.
Физика Земли
Фи'зика Земли',геофизика, комплекс наук о Земле, её внутреннем строении, физических свойствах и физических процессах, происходящих в её «твёрдых» оболочках, а также гидросфере и атмосфере.Некоторые исследователи под Ф. З. понимают физику «твёрдой» Земли.
Ф. З. в зависимости от характера изучаемого физического поля и предмета исследования включает разделы: земной магнетизм, гравиметрию, сейсмологию, геотермику, гидрофизику, физику атмосферы,разведочную и промысловую геофизику (см. также Земля, Физика моря, Геофизические методы разведки).
«Физика и техника полупроводников»
«Фи'зика и те'хника полупроводнико'в»,научный журнал АН СССР. Основан в 1967, издаётся в Ленинграде. Ежегодно выходит 1 том, состоящий из 12 выпусков. Публикует статьи, посвященные оптическим, электрическим, магнитным и др. свойствам полупроводников, физическим явлениям в полупроводниках и полупроводниковых приборах. Тираж (1976) 1736 экз. С 1967 журнал переиздаётся в США на англ. языке.
Физика ландшафта
Фи'зика ландша'фта,раздел ландшафтоведения,рассматривающий физические процессы, происходящие в том или ином ландшафте географическом.Основные направления Ф. л. – изучение производительности органического мира при определённом климате, рельефе, почвенном покрове. Это вызывает необходимость исследования энергетики ландшафта в целом, радиационного и теплового балансов деятельного слоя, почвообразовательных процессов (в чём Ф. л. смыкается с геохимией ландшафта ) ,структуры и трофических связей биоценозов.
«Физика металлов и металловедение»