Фундаментальная наука: векторы поиска

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА:

векторы поиска



Из Программы фундаментальных исследований РАН:
«Главные направления работ связаны с выявлением закономерностей материи на ядерном и субъядерном уровнях.
Будут продолжены фундаментальные исследования колебательных и волновых систем и процессов, используемых для создания новых систем генерации, преобразования и регистрации электромагнитных волн, а также использование новых систем для диагностики окружающей среды.
Отдельный междисциплинарный интерес вызывают фундаментальные исследования в области современной оптики, фотоники и лазерной физики, в том числе вопросы создания новых лазерных генераторов и исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Во всем мире в перечень приоритетных направлений входят исследования в области физики экстремальных световых полей и экстремального состояния вещества, в первую очередь по проблемам создания рекордно мощных источников излучения с уникальными параметрами (в том числе рентгеновского и терагерцевого, аттосекундных импульсов, с использованием пучков заряженных частиц) и их приложений.
Технологический прорыв ожидается в интегральной, волоконной и адаптивной оптике, где особой задачей является миниатюризация оптических элементов и совмещение их с электронными компонентами. Новые инструменты фотоники станут основой методов оптической диагностики веществ со сверхвысоким пространственным, временным и энергетическим разрешением.
Приоритетом является создание новых источников энергии, в том числе на основе управляемого ядерного синтеза, а также по разработке новых методов генерации интенсивных потоков ускоренных частиц и электромагнитного излучения.
Важным направлением физики экстремальных состояний вещества являются исследования в области физики низких и сверхнизких температур, где проявляются такие эффекты, как сверхпроводимость, сверхтекучесть и низкотемпературный магнетизм.
Новым прорывным направлением являются квантовые технологии, развитие которых позволяет вести поиск и исследование новых эффектов, интересных с точки зрения понимания квантовой механики, а также обеспечивает создание принципиально новых устройств, например, с элементами нанофотоники и наноплазмоники, имеющих потенциальное применение в области квантовой информатики, криптографии, сенсорики, телекоммуникаций.
Актуальными остаются исследования физических и технологических основ создания элементов квантовых симуляторов, квантовых компьютеров и квантовой связи, в том числе с использованием сверхпроводящих структур, лазерно-охлажденных атомов в вакуумных ловушках, атомов примесей в изотопически чистых полупроводниках, квантовых точек, фотонных чипов.
Значительный междисциплинарный интерес представляет создание новых типов функциональных материалов и структур: полупроводников и наногетероструктур (включая соединения со структурой перовскитов), высокотемпературных сверхпроводников, конструкционных материалов и композитов, структур и покрытий с заданными характеристиками».

Примеры фундаментальных проблем рельефно охарактеризовал нобелевский лауреат В.Л.Гинзбург в статье «Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными». Позволим привести себя выдержки оттуда, добавляя отдельные комментарии – со времени выхода статьи немало изменилось.

№1. Стандартная модель и Единая теория поля
Необходимо объединить четыре фундаментальных взаимодействия: 1) Сильное взаимодействие- взаимодействие, ответственное за соединение адронов вместе (обменная частица - глюон); 2) Электромагнитное взаимодействие, ответственное за взаимодействие зарядов (обменная частица – фотон); 3) Слабое взаимодействие –действует на электроны и нейтрино, ответственно за бетта-распад (обменные частицы W- и Z-бозоны); и 4) гравитационное взаимодействие - действует на все объекты (обменной частицы нет, но предполагается гравитон).
Стандартная модель описывает данные взаимодействия, более того, в ее рамках удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия (нобелевская премия С.Вайнберга и коллег). Но она не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию.
На Большом адронном коллайдере обнаружен бозон Хиггса, вроде как, подтверждающий Стандартную модель. Но в 2021 году на этой же машине получен ряд результатов, не вписывающихся в нее.
В настоящее время на роль наиболее глобальной модели претендует теория струн. В ее основе лежит идея о том, что элементарные частицы должны рассматриваться не как точечные образования, а как одномерные вибрирующие струны. Они не имеют толщины, их длина порядка планковской величины 10-33 см. Колебаниями и взаимодействиями струн можно объяснить природу элементарных частиц, их взаимодействий, природу пространства и времени.
Перед наукой стоит задача описания взаимодействия частиц пока в рамках Стандартной модели, но как вариант движение к этой цели приведет к формированию принципов новой глобальной теории, Великого объединения.

№2.Сверхпроводимость
Сверхпроводимость – нулевое сопротивление материалов при определенных условиях (чаще всего, речь идет о низкой температуре).
Сверхпроводимость как явление открыто давно, но лишь относительно недавно ее научились достигать в условиях высоких температур. До этого ее фиксировали только вблизи точки кипени жидкого гелия (4.2 К), а теперь достигнуты температуры точки кипения жидкого азота (77 К) и выше.
На текущий период базовым механизмом объяснения сверхпроводимости служит теория Бардина - Купера - Шиффера (БКШ), в соответствии с которой ее обеспечивают спаренные электроны (куперовские пары). Спаренные электроны не могут обмениваться с решеткой энергией, кроме как установленными порциями, и потому они «текут» через нее, не встречая сопротивления.
Но данная теория ответила не на все вопросы, в частности, почему у каждого сверхпроводника своя критическая температура. Высокотемпературная сверхпроводимость ею тем более не объясняется. Да и объединение электронов в пары, на которой она базируется, тоже в такой же степени теорема, в какой и аксиома.
Полностью удовлетворительная теория сверхпроводимости в настоящее время отсутствует, и фундаментальная физика ведет работу над ее формированием. Это откроет пути и к совершенствованию технических образцов, которые делаются параллельно.
Активно развиваются исследования по высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), сообщается о том, что в гидридах лантана она достигнута уже при минус 13 градусах Цельсия.

№3.Экзотические вещества (металлический водород и иные), сверхтяжелые элементы
Жидкий и твердый водород ввиду очень маленькой массы атомов – вещество в котором преобладают квантовые эффекты. Он уникален, и получить его пока не удается. Такой водород был бы сверхпроводником и имел бы еще, видимо, немало интересных свойств.
Теоретически водород должен перейти в твёрдое состояние при давлении более 2 млн. атмосфер. Но хотя уже создали давление в 4 млн. атмосфер, получить его пока не удается.
Не дает покоя физикам и стремление продолжать заполнять периодическую систему. Российским ученым принадлежит идея проводить синтез в условиях образования «холодных ядер», когда бомбардирующая частица имеет достаточно большую массу и, следовательно, образующееся в реакции сверхтяжелое ядро слабо возбуждено; тогда вероятность возникновения новых элементов существенно возрастает. Получение новых элементов позволяет лучше понять природу ядерной материи.

№4.Сверхмощные лазеры
Ведется ряд проектов по созданию сверхмощных лазеров, оставшимся на одном.
Осуществляется попытка создать «рентгеновский лазер на свободных электронах» - X-ray Free Electron Laser (XFEL). В тоннельной системе XFEL (ее длина 3,4 км) будут расположены сверхпроводящий линейный ускоритель и линии фотонных лучей.
Осуществление технологии даст возможность определять молекулярную структуру исследуемого вещества с разрешением 0,1 нм, а на последующем - с разрешением 0,03 нм. Это даст возможность «в прямом эфире» наблюдать, в частности, биомолекулы и их реакции.
Сверхмощные лазеры разрабатывают все ведущие научные страны, преследуя цели как создать исследовательское оборудование, так и новый механизм воздействия на материальные структуры.

№5.Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.
В магнитных полях более 10 тысяч тесл атом теряет привычные очертания и становятся вытянутым вдоль линий поля. Это меняет его свойства. Становится возможным конструирование новых объектов. Пока поля, подобные указанному, технически не достижимы, но в природе они наблюдаются (пульсары), что открывает возможности для сопоставления расчетов и наблюдений.
Уже в современных условиях можно достигать преобладания магнитного поля над электрическим. Известен феномен экситонов - связанных электрона и дырки, вращающихся около общего центра масс. Можно получать «экситонное» вещество, экситонную жидкость.

№6.Квантовая телепортация
Существует возможность получать так называемые «запутанные» частицы (связанные между собой), а потом фиксировать их влияние, когда они уже разлучены. Границы фиксации такого взаимодействия уже составляют сотни километров, а распространяется оно фактически мгновенно.
В эксперименте достигнуто состояние «кота Шредингера», когда в резонаторе находится не какое-то определенное количество фотонов, а суперпозиция трехфотонного и четырехфотонного состояния.
Ученым удается «запутать» между собой все больше частиц. На данный момент уже реализовано квантовое запутывание 14 ионов.

№7.Нелинейная физика и моделирование хаоса
Традиционно физика изучает повторяющиеся линейные явления, но в зоне фундаментальных закономерностей природы не принято «ходить строем». Теорию хаоса по определению построить сложно, однако ряд наблюдений уже доказал свою перспективность. В ходе исследований хаотических явлений было замечено, что переход к хаосу во многих динамических системах происходит в результате бесконечного каскада бифуркаций. Доказано, что такой переход является универсальным и не зависит от конкретных особенностей системы, при этом он определяется универсальной постоянной («числом Фейгенбаума»).
Часть этой области знания – теория фракталов, структур, состоящими из частей, которые подобны целому.

№8.Нарушение СР-инвариантности
Индикативная проблема – нарушение симметрии или в принятых терминах «СР-инвариантности». Долгое время считалось, что принцип симметрии всегда работает, и частицы и античастицы рождаются и исчезают парами. Однако ряд экспериментов подтвердил, что это не так. А.Д.Сахаров предположил, что именно нарушение CP-инвариантности привело к барионной асимметрии Вселенной – читай, к возникновению мира как такового.
По принципу симметрии вещество и антивещество должны были в момент Большого взрыва родиться вместе, впрочем, как и тут же, аннигилироваться. Этого не произошло. Спустя 13,7 млрд. лет ученые решили это поправить, хотя бы, частично. Антивещество реально удается создать: созданы антидейтрон и антиводород. Антиводород образуется при взаимодействии антипротонов, получаемых путем облучения протонами металлической мишени, и позитронов. Антивещество уже удаётся сохранить в течение почти 20 минут.

№9.Астрофизика
Наиболее фундаментальной проблемой современной астрофизики является космологическая.
Известные (относительно, конечно) данные: диаметр вселенной («горизонт частиц») - 96 млрд. световых лет, масса вселенной – 1056 г, количество элементарных частиц во вселенной 3*1080; во вселенной примерно 100 млрд. галактик, в каждой галактике примерно 100 млрд. звезд; средняя плотность вещества во вселенной 10−29г/см3.
В общей массе вселенной : тёмная энергия - 68,3 %, тёмная материя - 26,8 %, барионное вещество - 4,9 %.
Химический состав вселенной: водород – 75%, гелий – 23%, кислород – 1%, углерод – 0,5%.
Наиболее важная космологическая проблема физики - Большой взрыв. Модель расширяющейся Вселенной адекватно описывает состояния Вселенной спустя 10−44
с после Большого Взрыва. До этого – сингулярность, к ней не применимы ни теория относительности, ни квантовая теория, ни какая-то другая; меньше всего ошибок в ее описании содержит незаполненная текстом часть данной страницы.
Вселенная расширяется, галактики «разбегаются», это фиксирует «красное смещение», впервые интерпретированное Хабблом.
В отношении перспектив рассматривается два варианта сценария. Один из них - Вселенная будет расширяться всегда. Это т.н. сценарий «холодной смерти», потому что материя в нем распадается и в итоге вечное пустое пространство. Второй - после расширения Вселенная начнет сжиматься и снова придет к сингулярности, это т.н. сценарий «плавильного котла». Далее, возможно, снова произойдет взрыв, и этот процесс будет циклическим.
По какому пути пойдет Вселенная зависит от средней плотности вещества в ней.
Параметр плоскостности Вселенной (отношение общей плотности к критической): 1,02 ± 0,02

Направления исследований (из Плана фундаментальных исследований РАН):
«Ядерная физика:
· Исследования на Большом адронном коллайдере. Обнаружение новых элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий на сверхмалых расстояниях. Детальное исследование кварк-глюоннной плазмы
· Исследование острова стабильности сверхтяжелых элементов
· Исследование механизмов образования и распада сверхплотной ядерной материи в столкновениях релятивистских ионов, изучение свойств адронов, кварков и глюонов в сверхплотной ядерной среде
· Прямой поиск массы нейтрино в диапазоне 0,1-0,3 эВ
· Измерение космических потоков нейтрино высоких энергий, обнаружение их источников
· Обнаружение частиц темной материи в неускорительных и/или коллайдерных экспериментах
· Проблема стабильности вещества, осуществление прямого поиска распада протона на необходимом уровне чувствительности
· Выяснение природы космических лучей сверхвысоких энергий, обнаружение их источников, исследование механизмов их генерации.
Физика конденсированных сред:
· Исследование фундаментальных свойств и разработка методов синтеза, в том числе с использованием эффектов самоорганизации, наноструктур, наноматериалов и нанокомпозитов и создание на их основе новых поколений электронных и оптоэлектронных устройств
· Разработка подходов и принципов для создания полупроводниковых спинтронных устройств (спиновых транзисторов, квантовых спиновых ключей)
· Создание технологии и технологического оборудования для проекционной нанолитографии с пространственным разрешением 10-20 нанометров
· Создание элементной базы и реализация твердотельных вариантов квантового компьютера и устройств квантового кодирования
· Проблема сверхпроводимости при комнатной температуре
· Реализация квантовой когерентности в макроскопических системах при низких и сверхнизких температурах. Новые приборы для прецизионных измерений, основанные на нелинейно-волновых свойствах и коллективных взаимодействиях в бозе-эйнштейновском конденсате, квантовом газе ферми-частиц и сверххолодной плазме.
Оптика и лазерная физика:
· Создание новых технологий и устройств для обработки и хранения информации - голографических, опто- и акустоэлектронных, а также основанных на эффектах электромагнитно-индуцированной прозрачности, безинверсного усиления и замедления света в неравновесных классических и многоуровневых квантовых системах
· Разработка мощных полупроводниковых лазеров для диодной накачки систем лазерного термояда с экономической эффективностью, превосходящей системы с ламповой накачкой
· Создание лазеров и усилителей нового поколения от гамма до терагерцового диапазона, в том числе лазерных комплексов мультипетаваттной мощности, мощных компактных лазеров для технологических применений, когерентных источников света с аттосекундной длительностью импульса
· Создание лазеров сверхкоротких импульсов излучения (10-15 с и короче) и их внедрение в научные исследования и технологию, в том числе для квантового контроля внутримолекулярных и внутриатомных процессов
· Разработка широкополосных лазерных систем связи со скоростью передачи информации 1012– 1015бит/с
· Разработка устройств передачи энергии по оптической цепи.
· Разработка физических основ создания всесуточных лазерных локаторов в диапазоне длин волн 1-2 мкм с предельной квантовой чувствительностью
· Разработка и создание прецизионной аппаратуры для изучения процессов и явлений геосфер на уровне фоновых колебаний в частотном диапазоне от 0 до 10000 Гц на основе лазерно-компьютерного интерферометра.
Радиофизика и электроника, акустика:
· Разработка новых методов генерации и приема когерентного и широкополосного излучения микроволнового и терагерцового диапазонов длин волн, в том числе на основе наноструктурированных сред и фотонных кристаллов
· Создание элементной базы терагерцового диапазона
· Создание спектроскопии высокого разрешения в диапазоне электромагнитных волн от микроволнового до ближнего ИК с приложениями в химии, биологии, медицине, экологии, диагностике технологических процессов.
· Создание гамма-лазера и мощных усилителей гамма-излучения
· Разработка методов и средств глубинной неинвазивной диагностики биотканей на основе микроволной, терагерцовой и оптической томографии (в том числе с субклеточным разрешением).
Физика плазмы:
· Осуществление управляемого термоядерного синтеза в режиме самоподдерживающегося горения в установках с магнитными удержанием плазмы типа токамак
· Эксперименты по инерционному термоядерному синтезу, создание эффективных термоядерных мишеней
· Разработка альтернативных токамакам систем управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием, источников нагрева плазмы и методов ее диагностики
· Разработка плазменных технологий для создания новых, в том числе композиционных, материалов с заданными физико-химическими свойствами.
· Исследование процессов самоорганизации и свойств упорядоченных структур в низкотемпературной и сверххолодной плазмы, в том числе пылевой.
Астрономия и исследование космического пространства:
· Развитие космологической модели, объясняющей природу темной массы и темной энергии
· Высокоточное определение шкалы расстояний в Галактике методами интерферометрии
· Решение проблемы поиска скрытого барионного вещества
· Развитие методов внеатмосферной астрономии».


22.04.2022
Made on
Tilda